基于FPGA的JPEG实时图像的编解码系统

JPEG是联合图像专家组（Joint Picture Expert Group）的英文缩写，是国际标准化组织（ISO和CC）联合制定的静态图像压缩编码标准。JPEG的基于DCT变换的有损压缩具有高压缩比特点，被广泛应用于多媒体数据处理以及带宽资源有限的网络程序中。动态图像的JPEG编解码要求图像恢复质量高、实时性强，本课题针对这两个要求进行了研究。

系统由图像编码服务器端和图像解码客户端组成。服务器端实时采集摄像头传送的动态图像，进行JPEG编码，通过网络传送至客户端；客户端接收码流后进行JPEG解码，并将恢复后的图像送至VGA显示。设计结果完全满足了实时性要求。

从系统实现角度出发，首先分析了系统开发平台，介绍了FPGA的结构特点以及设计流程和指导原则。接着，从JPEG图像压缩技术的发展历程出发，分析了JPEG标准实现高压缩比和高质量图像处理的原理。

根据FPGA在算法实现上的特点，研究并设计了基于改进的DA算法的FDCT和DCT变换，以及优化的霍夫曼查找表结构，以提高系统的处理性能。最后，通过分析Nios嵌入式微处理器的可定制特性，使用SOPC Builder中的Avalon总线，将图像采集、JPEG图像压缩和网络传输转换为用户自定义模块，并在FPGA芯片上实现了整个JPEG实时图像编解码系统（SoC）。

该系统在FPGA上实现了硬件模块化的JPEG算法，具有成本低、功耗低、性能稳定的优点，适用于精度要求高且需要逐帧处理的远程小目标识别与跟踪系统，以及广电系统中的非线性编辑和数字电影特效制作。该设计在降低成本和提高处理速度方面有重大的现实意义，同时进一步探索了FPGA在数字图像处理中的优势。