基于FPGA和matlab的图像压缩算法的设计与实现.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.74M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1研究背景

1.2研究的目的和意义

1.3国内外研究现状

1.4本文组织结构

第2章基于各种变换的图像压缩算法

2.1概述

2.1.1无线多媒体传感器网络图像处理面临的问题

2.1.2图像压缩的必要性

2.1.3图像压缩的可能性

2.1.4图像编码压缩的分类

2.2傅里叶变换

2.2.1傅里叶变换的定义及概念

2.2.2傅里叶变换的特点

2.2.3傅里叶变换用于图像分析

2.2.4傅里叶变换存在的不足

2.3离散余弦变换

2.3.1离散余弦变换的定义及概念

2.3.2离散余弦变换的特点

2.3.3离散余弦变换用于图像分析

2.3.4离散余弦变换存在的不足

2.4小波变换

2.4.1小波变换的定义及概念

2.4.2小波余弦变换的特点

2.4.3小波变换用于图像分析

2.4.4小波变换性能分析

2.5沃尔什——哈达玛变换

2.5.1沃尔什——哈达玛变换的定义及概念

2.5.2沃尔什——哈达玛变换的特点

2.5.3沃尔什——哈达玛变换用于图像分析

2.5.4沃尔什——哈达玛变换用于图像分析的优点

2.6各图像压缩算法的比较

2.7本章小结

第3章基于FPGA实现小波变换

3.1FPGA简介

3.1.1Spartan-3E系列FPGA简介

3.1.2Spartan-3E系列FPGA结构说明

3.2SystemGenerate开发流程

3.2.1搭建SystemGenerator模型

3.2.2仿真验证

3.2.3HDL代码生成

3.2.4ISE编译

3.2.5比特文件下载

3.3小波变换在SystemGenerator中的实现

3.4本章小结

第4章总结

致谢

参考文献

附录1英文原文

附录2译文

毕业论文(设计) 论文（设计）题目:::: 论文（设计）题目论文（设计）题目论文（设计）题目基于基于基于基于 FPGAFPGAFPGAFPGA 的图像压缩算法的设计与实现的图像压缩算法的设计与实现的图像压缩算法的设计与实现的图像压缩算法的设计与实现姓名李晓琳李晓琳李晓琳李晓琳 200800300117 200800300117 学号 200800300117 200800300117 山东大学软件学院山东大学软件学院学院山东大学软件学院山东大学软件学院专业软件工程软件工程软件工程软件工程年级 20082008 2008 级级级级 2008 指导教师张瑞华张瑞华张瑞华张瑞华 2012 年 5 月 15 日

山东大学毕业设计（论文）成绩评定表学院：专业：年级：学号 200800300117 姓名李晓琳设计（论文）成绩设计（论文）题目基于 FPGA 的图像压缩算法的设计与实现指导教师评语评阅人评语答辩小组评语评定成绩：签名：年月日评定成绩：签名：年月日答辩成绩：组长签名：年月日注：设计（论文）成绩=指导教师评定成绩（30%）＋评阅人评定成绩（30%）＋答辩成绩（40%）

山东大学本科毕业论文目录目录目录目录摘要........................................................................................................................ II ABSTRACT.................................................................................................................... III 第 1 章绪论.................................................................................................................. 4 1.1 研究背景.......................................................................................................... 4 1.2 研究的目的和意义.......................................................................................... 1 1.3 国内外研究现状.............................................................................................. 2 1.4 本文组织结构.................................................................................................. 3 第 2 章基于各种变换的图像压缩算法...................................................................... 4 2.1 概述................................................................................................................. 4 2.1.1 无线多媒体传感器网络图像处理面临的问题................................... 4 2.1.2 图像压缩的必要性............................................................................... 4 2.1.3 图像压缩的可能性............................................................................... 5 2.1.4 图像编码压缩的分类........................................................................... 6 2.2 傅里叶变换...................................................................................................... 7 2.2.1 傅里叶变换的定义及概念................................................................... 7 2.2.2 傅里叶变换的特点............................................................................... 7 2.2.3 傅里叶变换用于图像分析................................................................... 8 2.2.4 傅里叶变换存在的不足....................................................................... 9 2.3 离散余弦变换................................................................................................ 10 2.3.1 离散余弦变换的定义及概念............................................................. 11 2.3.2 离散余弦变换的特点......................................................................... 11 2.3.3 离散余弦变换用于图像分析............................................................. 11 2.3.4 离散余弦变换存在的不足................................................................. 13 2.4 小波变换....................................................................................................... 14 2.4.1 小波变换的定义及概念.................................................................... 15 2.4.2 小波余弦变换的特点........................................................................ 15 2.4.3 小波变换用于图像分析.................................................................... 16 I

山东大学本科毕业论文 2.4.4 小波变换性能分析............................................................................ 21 2.5 沃尔什——哈达玛变换............................................................................... 22 2.5.1 沃尔什——哈达玛变换的定义及概念............................................ 22 2.5.2 沃尔什——哈达玛变换的特点........................................................ 24 2.5.3 沃尔什——哈达玛变换用于图像分析............................................ 25 2.5.4 沃尔什——哈达玛变换用于图像分析的优点................................ 26 2.6 各图像压缩算法的比较................................................................................ 27 2.7 本章小结........................................................................................................ 27 第 3 章基于 FPGA 实现小波变换.............................................................................. 29 3.1 FPGA 简介...................................................................................................... 29 3.1.1 Spartan-3E 系列 FPGA 简介............................................................. 30 3.1.2 Spartan-3E 系列 FPGA 结构说明..................................................... 30 3.2 System Generate 开发流程........................................................................ 32 3.2.1 搭建 System Generator 模型.......................................................... 33 3.2.2 仿真验证............................................................................................ 34 3.2.3 HDL 代码生成..................................................................................... 35 3.2.4 ISE 编译............................................................................................. 37 3.2.5 比特文件下载.................................................................................... 41 3.3 小波变换在 System Generator 中的实现.................................................. 43 3.4 本章小结....................................................................................................... 47 第 4 章总结................................................................................................................ 48 致谢.............................................................................................................................. 49 参考文献...................................................................................................................... 50 附录 1 英文原文......................................................................................................... 52 附录 2 译文................................................................................................................. 70 II

山东大学本科毕业论文基于基于基于基于 FPGAFPGAFPGAFPGA 的图像压缩算法的设计与实现的图像压缩算法的设计与实现的图像压缩算法的设计与实现的图像压缩算法的设计与实现摘摘摘摘要要要要随着无线网络与传感器技术的发展，无线传感器网络逐步走进人们的生活。又由于在使用无线传感器网络的同时，人们不得不将视频音频图像等多媒体内容加入之。于是无线多媒体传感器网络应运而生。本文主要分析讨论研究适用于无线多媒体传感器网络中的图像压缩算法。其中包括：傅里叶变换、离散余弦变换、小波变换、沃尔什——哈达玛变换。各个算法分别有各自的特点。每个算法是按照介绍定义，分析特点，用于图像处理分析，不足或者性能分析的步骤进行讨论的。分析全面有层次，对于初学者有很大的帮助。在完成算法的研究之后，在本文的最后又完成实现了基于 FPGA 的离散小波变换，该实现是使用 System Generator 实现的。同时本文还详细介绍了 System Generator 的开发步骤，也为初学者提供了一份很好的素材。关键字：FPGA ；图像压缩算法；无线多媒体传感器网络；小波变换；沃尔什变换 III

山东大学本科毕业论文 ABSTRACT ABSTRACT ABSTRACT ABSTRACT With the development of wireless networks and sensor technology, wireless sensor network has been entered people's lives gradually. While using of the wireless sensor networks，they have to add video , audio, images and other multimedia content into the wireless sensor networks. So the wireless multimedia sensor networks come into being. In this paper, we analyze the image compression algorithm for wireless multimedia sensor networks. They include the Fourier transform, discrete cosine transform, wavelet transform, the Walsh - Hadamard transform. Each algorithm has its own characteristics. We discuss each algorithm by introducing the definition, analyzing features being used to image processing, introducing insufficient and analyzing performance .The analysis which is introducing level by level will be a great help for beginners. After accomplishing the study of Algorithm, we also complete the FPGA-based discrete wavelet transform at the end of this article by using System Generator. The article also introduces the details of the exploitation steps of the System Generator which also provides a good material for beginners. Keywords: FPGA; networks; wavelet transform; Walsh transform Image compression algorithm; wireless multimedia sensor IV

山东大学本科毕业论文第第第第 1111 章章章章绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 研究背景研究背景研究背景研究背景随着时代的进步，人们逐渐认识到了科技的力量。而人们对于科学的探索永无止境，在 21 世纪的今天，人们在科学技术方面的探索达到了一个前所未有的水平。无线传感器网络作为 21 世纪最具影响力的 21 项技术之一，已经吸引了全球众多研究学者的目光。所谓无线传感器网络，它是由很多的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式所构成的无线网络，其目的是合作地感知、采集、处理和传输网络所覆盖地理区域内感知对象的监测到的信息，并报告给用户。它的英文名称是 Wireless Sensor Network, 简称 WSN。大量的传感器节点将探测数据，这些数据通过汇聚节点经其它网络发送给用户。从普通意义上来说，无线传感器网络（WSNs）无法获取信息量丰富的多媒体信息，或者获取这些信息的能力非常有限。随着监测环境的日趋复杂多变，传统 WSNs 获取的简单数据（如温度、湿度、振动、光强等）开始不能满足于全面监测的应用需求，人们迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等多媒体信息引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。由此，无线多媒体传感器网络(WMSNs)孕育而生。无线多媒体传感器网络(WMSNs)是在传统的无线传感器网络基础上引入音频、视频、图像、声音等大容量信息的新型传感器网络,在智能家居、战场监控、交通监控等领域具有广阔的应用前景。无线多媒体传感器网络(WMSNs)将传统传感器网路的自组织、无人值守等优点和新兴多媒体技术感知媒体丰富的特点有机结合起来,既具有传统传感器网络(WSNs)的自组织、多跳路由、资源受限等共同特点,又在能耗分布、服务质量(QOS)要求、网络安全、传感器模型等方面具有显著的个性化特点。由于无线多媒体传感器网络中节点配备电池供电和低功耗的处理芯片,它的能量、处理能力、存储能力、通信能力等都十分受限, 使得能量的高效利用成为无线传感器网络的首要目标。在无线多媒体传感器网络中图像信息提供更精确丰富的监测信息,但是信息量巨大,因此如何有效的压缩和传输图像至关重要。在无线多媒体传感器网络 (WMSNs)中,通常使用数据压 1

山东大学本科毕业论文缩编码、冗余信息过滤以及数据融合等处理技术减少数据的传输量,考虑到 WMSNs 单个节点能量有限和处理能力有限的特点 ,可以利用多个节点的协同处理能力,通过“在网计算”完成数据压缩编码等处理,将冗余度低、数据量小、信息量足的处理结果逐级上传至控制中心。 1.21.21.21.2 研究的目的和意义研究的目的和意义研究的目的和意义研究的目的和意义无线多媒体传感器网络(WMSNs)是在传统的无线传感器网络基础上引入音频、视频、图像、声音等大容量信息。作为一个多媒体网络，WMSNs 需要采集、存储、处理和传输，此时图像压缩显得至关重要。在多媒体技术中首当其冲的难题是庞大的数据采集、存储、处理和传输。例如一幅 640×350，彩色深度为 24 比特的彩色图像，其数据量为 672KB，达到动画效果每秒至少显示 30 帧图像，这就要求信道传输速度在 20Mb/s 以上。如果该尺度图像达到真彩色，则信道传输速度要大于 161Mb/s。显然这样的传输速度目前在 WMSNs 上实现是很难的。此外从存储角度上讲，一张 1GB 的光盘也只能存放 186 张上述低分辨真彩色图像。可见图像压缩对于无线多媒体传感器网络(WMSNs)是多么的重要。不仅仅如此，在无线多媒体传感器网络中传感器节点是组成网络的基本组成的单元，然而单个节点的能量都是由电池供电能量严重受限，同时节点处理芯片为降低功耗都采用超低功耗的处理器，其处理能力不强，存储能力也很有限。因此一般的图像压缩算法在考虑高压缩比和高保真的同时还不得不考虑 WMSNs 自身的限制。所以我们需要找到一种适合于无线多媒体传感器网络的图像压缩算法，该算法必须算法复杂度低，以尽可能减少每个节点的能量消耗，其次该算法在保证图像具有一定保真度的前提下，具有尽量高的压缩比，以适应节点低存储能力的限制。根据种种要求与限制，在阅读了大量资料之后，本文将展开讨论适用于无线多媒体传感器网络的几种图像压缩算法。包括傅里叶变换，离散余弦变换，小波变换，离散沃尔什变换，这几种变换都为有损压缩算法都比较适合于无线多媒体传感器网络。对于每种算法本文将对其有缺点展开分析，并进行之间的比较，最各算法会在 Matlab 中实现，并最终在 Xilinx 实验板上实现小波变换。 2

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