基于FPGA的道路环境图像采集压缩系统

基于FPGA的道路环境图像采集压缩系统
谢耀华;周洲
【摘要】基于视频的道路综合信息检测系统,由于图像数据量大的特点,图像压缩效率低一直是系统设计的瓶颈.利用现场可编程门阵列(FPGA)的并行处理特点,提出了一种以FPGA芯片为核心处理器件的图像采集压缩系统设计方案,将FPGA技术、图像压缩等技术应用于设计过程中,提高了图像压缩效率,并有效防止图像信息的丢失.%Massive image data is a characteristic of the video-based road comprehensive information detection system, so image compression efficiency is always the bottleneck of the system design. Using the parallel processing characteristic of the Field-programmable gate array ( FPGA) , this paper puts forward a design scheme of the image collection and compression system with an FPGA chip as the core processing device. The application of FPGA technology and image compression technology in the design process improves the image compression efficiency, and effectively prevents the image information loss.
【期刊名称】《系统仿真技术》
【年(卷),期】2012(008)001
【总页数】4页(P37-40)
【关键词】FPGA;并行处理;图像压缩
【作者】谢耀华;周洲
【作者单位】招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆400067;长安大学,陕西西
安710064
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
1 引言
基于视频的多功能道路综合信息检测系统采集的视频和图像数据通常都是海量级的，为了便于这些数据的传输与存储，需要对它们进行快速和高效的压缩。

传统的基于工控机与采集卡的图像压缩处理系统，其性能受到工控机CPU速度和总线带宽的限制，且成本高、扩展性差[1]。

为了提高图像压缩效率，防止信息失真，利用FPGA的结构特点设计了一种满足实际需求的图像采集压缩系统[2-3]。

2 系统总体框架
图1 系统总体框架图Fig.1 System frame diagram
系统的总体框架如图1所示，包括视频采集器、视频解码器、图像压缩器和数据
存储器。

其主要功能是将视频采集器采集得来的模拟信号经视频解码器转换成数字信号后，供图像压缩器使用，最后将压缩的图像信息保存在数据存储器中。

3 视频解码模块
系统采用TI公司(美国德克萨斯仪器公司)的高性能视频解码器TVP5150AM。

该
芯片从摄像机接收模拟的视频输入信号，将NTSC/PAL/SECAM制式的模拟视频
信号解码成ITU-R BT.656标准的数字信号。

TVP5150AM视频解码器的数据流如图2所示。

图2 TVP5150AM视频解码器的数据流Fig.2 Data stream of TVP5150AM video decoder
TVP5150AM解码器采用14.318 18 MHz晶振，数字和模拟输入电压为1.8 V，IO口电压为3.3 V;其接口电路如图3所示。

图3 TVP5150AM接口电路Fig.3 Interface circuit of TVP5150AM
4 图像压缩算法
经TVP5150AM视频解码器解码后，视频信息已转换成标准的数字信号。

但这些
数字信号存在大量冗余，影响数据的传输与存储，这里采用FPGA对该数字信号
进行快速压缩。

其结构框图如4所示。

图像数据源(8*8的数据块)通过离散余弦变换模块，将图像空间域上的信息转换成频域上的信息，得到一组包含1个直流系数(DC)和63个交流系数(AC)的离散余弦变换(DCT)系数[4-5];系数通过量化模块应用量化表中对应值进行量化;再按照Zigzag扫描顺序表对量化结果进行扫描排序，最后将排序得来的结果按照系数的
不同种类应用其对应的编码方法进行哈夫曼编码。

其工作流程如图5所示。

在DCT变换中，根据矩阵乘法的定义，采用常数乘法器、多路选择器、累加器相
结合的方法实现串行输入并行输出的一维离散余弦变换，充分发挥了FPGA数据
处理的并行性与实时性。

二维DCT的矩阵表达式可以转换成两个一维DCT。

为了提高系统的处理效率，实现数据的无缝缓存与处理采用双缓存操作，可以交替读写，以此来避免对同一个RAM的读写冲突，提高了数据的吞吐率。

图4 图像压缩框架图Fig.4 Frame diagram of image compression
在量化中为了高效的实现DCT系数量化过程，对量化系数进行事先的处理，其量
化如式(1)所示。

其中:Dout为乘积结果;F为二维离散余弦变换结果;Qc为处理后的量化系数;d为量化步长。

将Dout进行截位操作，舍弃低10位，即为量化结果。

之字扫描过程没有对系数
进行运算而仅仅是对系数的重新排列，所以将之字扫描过程内嵌到量化过程中，以节省处理时间，提高系统的处理效率。

图5 基于FPGA的图像压缩流程图Fig.5 Flow chart of image compression based on FPGA
在一个8*8图像块经量化及之字扫描后的64个系数中，第一个为直流(DC)系数，聚集了图像的大多数信息，其余的63个为交流(AC)系数。

由于相邻的8*8图像块的对应分量的直流系数值比较接近，因此对DC系数采用差分编码。

而后续的AC 系数存在很多连续的0，宜采用行程编码来压缩这些零。

经过DC编码与AC编码后，两种系数对应的哈夫曼编码分别都暂存在寄存器中，通过移位操作，将DC系数哈夫曼编码存放在AC系数哈夫曼编码前，这样便完成了整个编码过程，编码过程如图6所示。

图6 编码过程图Fig.6 Coding process diagram
5 压缩效果分析
应用UltraEdit文本编辑器打开图7文件，将图7中的图像信息输入到FPGA编码模块中，对其进行仿真，其结果如图8所示。

在主频为2.54 G，内存为512 MB 的PC机平台上应用VC++编写JPEG编码算法对图7进行压缩，压缩结果如图9所示。

图7、图8、图9在视觉上没有多大区别，但图8及图9占用了比图7更少的存储空间。

由此可见，采用本文设计的系统进行图像压缩，不仅在压缩效率上有明显优势，且在压缩空间上也具有一定的优势。

图7 压缩前图像(1.7 M)Fig.7 Image before compression(1.7 M)
图8 基于FPGA的JPEG压缩图像Fig.8 JPEG image compassed on FPGA(56.7 kB，16.62 ms)
图9 基于PC的JPEG压缩图像Fig.9 JPEG image compassed on PC(68.2 kB，39.02 ms)
6 结束语
系统对采集到的视频图像进行解码之后，根据JEPG压缩编码中DCT转换、量化及排序、编码等核心步骤的特点，利用FPGA器件的并行处理优势，提出了一种新的图像编码压缩算法，实现了各个模块的并行处理，提高了压缩效率。

参考文献:
【相关文献】
[1]陶静锋.多功能道路信息采集车辅助系统设计与实现[D].武汉:武汉理工大学，2007.TAO Jingfeng.Multi-functional road information acquisition vehicle auxiliary system design and implementation[ D].Wuhan:Wuhan University of Technology，2007.
[2]Bowman C C，Batchelor B G.Kiwivision a high speed architecture for machine
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[4]黄贤武.数字图像处理与压缩编码技术.成都电子科技大学出版社，2000.HUANG
Xianwu.Digital image processing and compression technology[J].Chengdu University of Electronic Science and Technology Press，2000.
[5]Willan B.Pennbaker Jonal.Mitcher(黎洪松、成实译).JPEG静止图像数据压缩标准[M].学苑出版社，1997.。