基于FPGA的JPEG編碼器設計

陳雙燕

（閩南理工學院電子與電氣工程學院，福建石獅362700）

基于FPGA的JPEG編碼器設計

陳雙燕

（閩南理工學院電子與電氣工程學院，福建石獅362700）

討論了基于FPGA的JPEG編碼器的設計原理，完成了各模塊的設計，并在ModelSim平臺上對代碼進行了仿真，實現了圖片的JPEG編碼，最后在Quartus II平臺上進行綜合。仿真結果表明該設計方案能較好地實現圖像壓縮。

FPGA；JPEG編碼器；2D-DCT

JPEG圖像壓縮技術，可以在不顯著影響圖片質量的前提下，減少圖像的存儲空間［1］。較之于相同圖像質量的GIF、TIFF、PCX等圖像文件格式，JPEG是壓縮比最高的［2］。以JPEG壓縮算法為核心的圖像壓縮芯片可以應用于數碼相機、掃描儀、衛星通信中，具有良好的應用前景。由于FPGA具備現場可編程特性，用FPGA實現JPEG編碼器，可縮短設計時間，實現實時信號處理［3］。

1　JPEG編碼系統總體方案

JPEG編碼系統由原始圖像數據預處理、色度空間變換、二維離散余弦變換（2D-DCT）模塊、量化模塊和編碼模塊組成，如圖1所示。其中原始圖像數據預處理是在Maltab平臺上完成的，JPEG編碼器是用FPGA實現的，采用Verilog HDL硬件描述語言進行設計，并在ModelSim平臺上進行仿真測試，在Quartus II平臺上進行設計的綜合。

圖1　JPEG編碼系統框圖

2　JPEG編碼器各模塊設計

2.1色度空間變換模塊

彩色圖像的每個象素點一般具有RGB三個色彩分量。由于人眼對亮度變化比色彩變化更敏感，因此要進行色度空間變換，將RGB信號變換為亮度和色差信號YCbCr（Y為亮度分量，Cb為藍色色度分量，Cr為紅色色度分量）。轉換公式如公式（1）所示。

由于在運算過程中包含小數，為避免不必要的FPGA資源浪費并提升運算速度，進行代碼設計時，將系數乘以214，得到運算結果后，再將Y、Cb、Cr的值右移14位，輸出到二維離散余弦變換模塊。

2.2二維離散余弦變換模塊

離散余弦變換能極大地去除圖像元素在變換域中的相關性，為高效率的圖像壓縮奠定基礎。設X（m，n）為二維圖像信號數據矩陣，m、n為象素空間坐標，則其2D-DCT定義為［4］：

其中，M、N為圖像子塊的大小，對于8×8的圖像子塊，則M=8，N=8；u、v為象素頻域坐標，u=0，1，…，N-1；v=0，1，…，M-1.

C（u）和C（v）為正交化因子，其是為了保證交換基的規范正交性而引入的，

在進行2D-DCT模塊的FPGA設計時，以亮度分量Y為例，利用公式（3）進行2D-DCT.

其中，T是DCT系數矩陣；inv（T）是T的轉置矩陣；Y是8×8圖像子塊的亮度分量矩陣；DY是經過2D-DCT運算后的結果。

由于T矩陣都是小數，為了避免浮點數的復雜運算，因此將T矩陣的值乘以214，然后將T與Y矩陣相乘。在計算DCT之前，一般要把輸入圖像的象素值減去128，令其取值范圍從［0，255］移到［-128，127］。本次設計未將Y、Cb、Cr的值減去128。T矩陣的第一行系數都是0.3536，乘以214后是5793，最后將DY的第一行（即T矩陣的第一行與Y矩陣的8列相乘后的結果）減去5932032（128×8×5793）。由于T矩陣除了第一行外的其余七行的系數都具有具有對稱性，每一行加起來之和為0，因此不需要減去5932032。因此，原本需要64次減法，就可以減為8次減法運算。

2.3量化模塊

2D-DCT后的Y、Cb、Cr的值可用8×8的量化表進行均勻量化，量化表中的每個元素是1到255之間的整數，表示對應的量化步長。量化是有損壓縮，用戶可以修改量化表來控制壓縮質量，以亮度分量Y為例，其按公式（4）進行量化，Q（u，v）為亮度量化表。

通常亮度分量和色差分量各有一張量化表，如圖2所示［2］，而且對色差分量的將忽略更多的高頻成分。如果把圖2中的量化步長除以2，那么圖像質量就接近完美了。

圖2　常用的亮度和色度量化表

為了驗證該壓縮編碼器的性能，本次設計還采用了最低量化步長的量化表，即量化表中的元素全是1。

2.4熵編碼模塊

JPEG壓縮的最后一步是對量化后的系數進行熵編碼。這一步采用通用的無損數據壓縮技術，對圖像質量沒有影響。

由于2D-DCT后低頻系數集中在8×8矩陣的左上角，因此在進行熵編碼之前，先采用“Z”字型掃描，將8×8矩陣變為一維數組，令低頻系數在前，高頻系數在后。因為高頻系數中有很多“0”，為了節約空間，所以交流系數的“中間符號”用零行程碼（Zero Run Length）表示。本次設計采用霍夫曼編碼來減少熵［5-6］。

3　JPEG編碼器的仿真驗證

3.1原始圖像數據預處理

選取一幅閩南理工學院圖書館的原始照片library.bmp（大小為91KB，尺寸為176×176象素），在Matlab平臺中，將照片劃分為8×8子塊，再逐行逐列讀取圖像子塊的RGB三個分量，每個分量是8bit，因此每個象素為24bit，以十六進制按順序存儲在library.mif文件中，如圖3所示。library.mif文件開頭說明了存儲的數據個數、每個數據的寬度、存儲地址和數據的進制格式。接著是圖像數據，每一行是一個像素的RGB數據。

圖3　原始圖像數據

在Quartus II平臺上生成一個ROM存儲器（bmprom.v），存儲空間為32768個數據，每個數據24位。在bmprom.v中，在altsyncram_component.init_file這一項中進行library.mif文件路徑的設置，將library. mif導入存儲器。

3.2 JPEG編碼過程

JPEG編碼器頂層模塊（jpeg_top）包括jpeg_datain、bmprom、RGB2YCbCr、yd_q_h、cbd_q_h和crd_q_h幾個模塊，如圖4所示。

圖4　JPEG編碼器的FPGA框圖

由jpeg_datain模塊產生讀使能信號和地址信號進行bmprom數據的讀取。讀取規則如下：以64個圖像數據為一組，當讀到每組的最后一個數據時，令flag=1，接著等待16個系統時鐘（等這一組的數據編碼完成）后，令flag=0，再讀取下一組64個圖像數據。當將要讀到最后一組圖像數據時，令數據結束信號end_of_file_signal=1。

RGB2YCBCR模塊負責圖像數據的色度空間變換，yd_q_h、cbd_q_h和crd_q_h分別是Y、Cb、Cr分量的2D-DCT變換、量化、編碼模塊。

編碼結果存放在JPEG_bitstream中，當數據有效信號data_ready為高電平時，JPEG_bitstream輸出數據有效。JPEG_bitstream［31:24］是第一個編碼后的數據，其次是JPEG_bitstream［23:16］，接著是JPEG_bitstream［15:8］，最后一個數據是JPEG_bitstream［7:0］。

3.3 JPEG編碼結果

在代碼測試文件中，將JPEG編碼結果按順序以十六進制存放在lib.txt中，每8位數據空一個空格。為驗證編碼結果是否正確，將JPEG編碼器輸出的數據加上JPEG表頭和結尾（FF D9），另存為.jpg文件。圖5（a）為原始圖像；圖5（b）為采用最小量化步長（量化表的值都為1）得到的壓縮圖像，壓縮后的圖像大小為原始圖像的56%；圖5（c）為采用圖2所示的量化表得到的壓縮圖像，壓縮后的圖像大小為原始圖像的7.59%.

（續下圖）

圖5　JPEG編碼結果

3.4設計綜合結果

在Quartus II平臺上進行了設計的綜合，采用圖2所示的量化表綜合的結果如圖6所示。

圖6　JPEG編碼器綜合結果

4　結束語

本文詳細闡述了基于FPGA設計的JPEG編碼器，并在2D-DCT環節進行了優化運算，最后實現了圖像的壓縮，正常情況下，壓縮后的圖像大小為原始圖像下的7.59%，并且在Quartus II平臺上進行了設計的綜合。

［1］龍燕，何東健，宋懷波.基于GAP-RBF神經網絡的JPEG編碼圖像質量評價［J］.小型微型計算機系統，2013，（1）:185-188.

［2］王艷.基于FPGA的JPEG硬件解碼器設計及實現［D］.重慶:重慶大學，2011.

［3］徐潔.基于FPGA的JPEG圖像壓縮系統的實現［D］.大連:大連理工大學，2013.

［4］云鵬.基于FPGA的圖像采集與JPEG壓縮編碼的研究［D］.呼和浩特:內蒙古大學，2010.

［5］馬劍釗.基于FPGA的JPEG編碼算法的優化設計與硬件實現［D］.長沙:中南大學，2008.

［6］宮澤林.基于JPEG圖像壓縮及其仿真實現［J］.中國科技信息，2013，（11）:84.

Design of JPEG Encoder based on FPGA

CHEN Shuang-yan
（School of Electronics and Electrical Engineering，Minnan Institute of Technology，Shishi Fujian 362700，China）

The principle of JPEG Encoder based on FPGA was discussed in the paper.Each module of the JPEG encoder was designed，and the code was simulated in modesSim platform，then the JPEG encoding of the image was achieved，and finally the design was compiled successfully in quartus II platform.The simulation results showed that the design was able to achieve image compression well.

FPGA；JPEG encoder；2D-DCT

TN911

A

1672-545X（2016）08-0252-03

2016-05-19

福建省中青年教師教育科研項目資助（編號：JB14120）。

陳雙燕（1986-），女，福建福清人，講師，碩士，從事電子信息技術領域的教學與研究。