基于JPEG标准的图像处理及其在MCF5329上的实现.pdf

发布时间：2022-04-03 发布人：admin 分类：互联网资料大小：3.05M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、缩略词表

声明

第一章绪论

1.1论文背景

1.2图像压缩编码技术

1.2.1 图像数据压缩的原理

1.2.2图像数据压缩编码技术的分类

1.2.3 图像压缩系统的性能评价和度量

1.3图像压缩技术的国际标准及发展

1.3.1静止图像压缩标准

1.3.2图像压缩系统的应用和发展

1.4主要工作及论文结构

第二章JPEG标准的算法分析

2.1 JPEG算法与JPEG小组简介

2.1.1基于DCT的基本系统

2.1.2基于DCT的扩展系统

2.1.3 JPEG算法中的空间域预测编码

2.2 JPEG算法分析

2.2.1离散余弦变换

2.2.2 DCT系数的量化及排序

2.2.3熵编码

2.3 JPEG中数据的亚抽样与内插

第三章JPEG编解码算法实现的软硬件平台

3.1硬件开发平台ColdFire MCF5329概述

3.1.1 MCF5329的特点

3.1.2 MCF5329的结构

3.1.3 ColdFire V3内核

3.2软件开发平台LTIB工具简介

3.2.1 LTIB简介

3.2.2 μCLinux操作系统

第四章JPEG编码器在MCF5329上的软件实现及优化

4.1 JPEG算法中的数据结构及文件格式

4.1.1 JPEG的编码单元

4.1.2最小编码单元MCU的结构

4.1.3 JPEG压缩数据格式及标记介绍

4.2编码软件的总体结构

4.2.1基于MCF5329的编码流程

4.2.2编码器的默认参数设置

4.3色系变换和亚抽样算法的实现与优化

4.4 DCT变换的DSP快速实现

4.5 DCT系数量化的实现及优化

4.6哈夫曼编码的实现与优化

4.6.1直流系数的哈夫曼编码

4.6.2交流系数的哈夫曼编码

4.6.3哈夫曼编码的优化

4.7测试及结果分析

4.7.1压缩前后图像对比分析

4.7.2算法复杂度的测试与分析

4.7.3压缩比和压缩质量评价

第五章JPEG解码器在MCF5329上的软件实现及优化

5.1基于MCF5329的JPEG压缩图像解码流程

5.2哈夫曼解码及反量化的实现

5.2.2直流DCT系数的哈夫曼解码

5.2.3交流DCT系数的哈夫曼解码

5.2.4哈夫曼解码与反量化结合的优化

5.3 IDCT算法的DSP快速实现

5.4内插算法的实现

5.5色彩空间转换的实现与优化

5.6测试及结果分析

5.6.1算法复杂度的测试与分析

第六章总结与展望

致谢

参考文献

作者简介

电子科技大学硕士学位论文基于JPEG标准的图像处理及其在MCF5329上的实现姓名：周鹏斌申请学位级别：硕士专业：信息与通信工程指导教师：林水生20080601

摘要摘要本文研究JPEG编解码算法在DSP上的实现技术。随着网络和嵌入式产品的飞速发展，数字图象在人们生活中的应用也越来越广泛，由于图像文件尺寸庞大，需要存储和传输的图像库数据也迅速增加。为解决日益增长的数据量与存储空间及网络传输带宽之间的矛盾，在图像数据存储和传输时必须对其进行压缩处理。在数字图像压缩领域，由于JPEG优良的品质，其应用是最为广泛的。随着数字信号处理器(DSP)的功能的逐渐增强和价格的不断下降，DSP已经被广泛应用到各种领域。DSP比通用的CPU更适合做数字信号处理，在DSP上实现JPEG实时编解码具有内在的优势和一定的现实意义。本文首先介绍了图像压缩技术的原理、JPEG标准和基于DSP的实时信号处理系统，然后在FreescaleColdFire32位微处理器MCF5329上设计并实现了JPEG编解码算法。JPEG编码算法主要由色彩空间转换、亚抽样、DCT变换、DCT系数量化和哈夫曼编码等几个部分组成。重点结合MCF5329的流水线操作和并行操作特征及离散余弦变换算法原理，利用乘累加器合并加法运算和乘法运算高效快速地实现了一种基于DSP乘法累加单元的DCT快速算法，并对几个关键模块进行了优化。整个编码算法能够达到实时压缩的目标。相应地，JPEG解码算法主要由哈夫曼解码、DCT系数反量化、IDCT交换、内插和色彩空间转换等几个部分组成。利用EMAC单元实高效地实现了反离散余弦变换快速算法，并对几个关键模块进行了优化。整个解码算法能够达到实时解压显示的目标。编解码完成后，对编解码器的功能和性能作了测试和对比分析。对一幅大小为240×320的24位图片进行编解码，所需时间分别为0．23s和O．12s，达到了实时编解码的目的。分析结果表明对DCT算法和IDCT算法部分实现和优化较为成功，对哈夫曼编解码部分的优化则相对欠缺，这也是JPEG编解码软件需要加以改进的地方。关键词：JPEG，MCF5329，编码器，解码器，优化

AbstractAbstract1medirectionofthepaperiStherealizationofJPEGcoderanddecodertechnologyunderDSE、矾ththerapiddevelopmentofnetworkandembeddedsystem。digitalimageshavebeenusedwidelyinmodemsociety．Withthehugesizeoftheimage．theimagedatabaseincreasesrapidlyaccofdinglv．Inordertoresolvetheproblembetweenincreaselydataandmemorystorage．theimagedatamustbecompressedinstorageandtransmission．TheJPEGcompressionstandardiSmostpopularinthefieldofdigitalimageprocessingbeauseofthegoodqualityofJPEGDigitalsignalprocessor(DSP)ismoresuitablefordigitalsignalprocessingthangeneralCPU．ThustherewillbeofgreatbenefittoemployDSPtoreal．timeimagecoderanddecoder．Inthedissertation，theprincipleofimagecoding，theJPEGsystemandthereal．timesignalprocessingsystembasedonDSPareintroducedfirst．ThenthedesignofaJPEGreal-timeimagecoderanddecodersystembasedonFreescaleColdFireMCF5329isdiscussed．Thecodersystemismainlyconsistofcolorspacetransformation，down．sampling,DCTtransform，quantizationandhuffmancoder．CombiningtheprinciplesofpipeliningandparallelismofDSPwithDCTtheory,weconcentrateontheuseofEhancedMultiplyAccumulateUnitofMCF5329bymergingtheoperationsofadditionandmultiplication．andrealize8x8twodimensionsofDCTwithonedimensionofDCT、emciently．Testsshowthatthesoftwaremeetstherequirementofreal．timecoder．Accordingly,theJPEGdecoderiSmainlyconsistofhuffmandecoder,dequantization，lDCTtransform，up．samplingandcolorspacetransfoiination．W．erealizethefastIDCTalgorithmefficientlyandoptimizesomekcvmodules．Testsshowthatthesoftwaremeetstherequirementofreal·timedecoder．Finally’thedissertationsummarizestheshortageofthesystem，andtakethemethodtomodifyandintroducetheprospectofthesysteminthefuture．Keywords：JPEC‘MCF5329，coder,decoder,optimizationIl

幽目录图目录图2．1基本系统编解码结构图………………………………………………………12图2．2DCT与KLT系数的方差分布………………………………………………14图2．38x8像素值矩阵和8x8系数矩阵………。…………………………………。15图2．4DCT系数的“Z”型排列和DCT系数序号…………………………………．22图2．5行程编码………………………………………………………………………．23图3．1MCF5329开发板实物图……………………………………………………29图3．2MCF5329结构图……………………一………………………………………30图3．3ColdFire处理器核的流水线结构…………………………………………。3l图3．4ColdFireEMAC功能框图：…………………………………………………。32图3．5ColdFireMAC寄存器………………………………………………………．32图3．6ColdFireV3用户编程模式寄存器…………………………………………33图4．1编码流程图……………………………………………………………………40图4．2优化前后流程图对比………………………………………………………．42图4．3h2v2亚抽样…………………………………………………………………44图4．4交流系数的编码……………………………………………………………50图4．5ENCODER，ZZ(K)………………………………………………………………51图4．6Lena．bmp(512X512，24位色，大小为768103)……………………。53图4．7Q=lOO，文件大小为179KB，压缩比为4．3………………………………．53图4．8Q=50，文件大小为24．3KB，压缩比为31．6…………………………………54图4．9Q=20，文件大小13．7KB，压缩比为56…1………………………………。54图5．1JPEG解码器基本流程图…………………………………………………．．58图5．2基于M鼯5329核微处理器解码流程图……………………………………59图5．3MINCODE0、MAXCODE0、VALPTR0的生成………………………．．60图5．4DECODE过程…………………………………………………………………61图5．5NEⅪrBn'过程……………………………………………………………一62图5．6RECElVE(S)和HuffEXTEND(C，S)………………………………………62图5．7交流系数的哈夫曼解码………………………………………………………．63图5-8Decode_ZZ(K)……………………………………………………………………………………64图5．9h2v2内插………………………………………………………………………………………．69图5．10解码后的JPEG图像在LCD上显示………………………………………70V

表目录表目录表1．1图像编码方法分类1…j………………………………………………………2表1．2．主观测试分级标准……………………………………………………………4表2．1各种快速DCT算法…………………………………………………………17表2．2亮度和色度量化矩阵………………………………………………………．22表4．1乘累加指令…………………………………………………………………．．45表4．2DSP计算8点DCT时间……………………………………………………．47表4．3定点亮度量化表……………………………………………………………．．48表4．4定点色度量化表……………………．．．……………………………………．．48表4．5优化前后编码时间比较……………………………………………………．55表4．6各模块优化后效果…………………………………………………………．55表4．7优化前后编码器所需存储空间……………………………………………．56表4—8不同压缩比率下图像的PSNR值…………………………………………．57表5．1DSP计算8点ⅢCT时间…………………………………………………68Vl

缩峪词表英文缩写英文全称ABAC．入DC飞AGEXBSPCDCTDFrDHTeDMADNLDPCMDQTDRIDSOCDSPEM匕虻EOBEOIFECFIFOGDBIDFTIFPISOnU12CJBIGJFIF缩略词表AdaptiveBinaryArithmeticCodingAdaptiveDiscreteCosineTransformationAddressGeneration，ExecuteBlockSeparatedProgressiveCodingDiscreteCosineTransformationDiscreteFourierTransformationDefineHuffmanTableEnhancedDirectMemor)，AccessDefineNumberofLinesDifferentialPulseCodeModulationDefineQuantization1rableDefineRestartIntervalDecode&Select，OperandFeatchDigitalSignalProcessorEhancedMultiply—AccumulateUnitEndofBlockEndofImageFastEthemetControllerFirstInputFirstOutputBackgroundDebugModeInverseDiscreteFourierTransformationInstructionFetchPipelineInternationalOrganizationforStandardizationInternationalTelecommunicationUnionInterIntegratedCircuitJointBilevelImageGroupJPEGFileInterchangeFormatV11中文释义自适应二进制算术编码自适应离散余弦变换地址生成和指令执行块分离的累进编码离散余弦变换离散傅立叶变换定义哈夫曼表增强直接存储器存取定义行数差分脉冲编码调制定义量化表定义重启间隔指令译码与操作数选择数字信号微处理器增强型乘累加单元块结束图像结束快速以太网控制器先入先出队列背景调试模式反离散傅立叶变换取指令流水国际标准化组织国际电信联盟集成电路内部总线二值图像编码标准JPEG交换格式

缩略词表JPEGlqTIJIBMACSRMASKMCUMPEGMIPSMSEOEPPLLPSNRPWMQSPIRLESRAMSOlSOSSSIUARTUSBVLCVUZRLJointPhotographicExpertsGroup联合图像专家组Karhunen．LoeveTransformation卡胡南．列夫变换LinuxTargetImageBuilderLinux目标镜像生成Multiply-AccumulateUnitStatusRegister乘累加单元状态寄存器Multiply-AccumulateUnitMaskRegister乘累加单元屏蔽寄存器MinimumCodeUnit最小编码单元MovingPictureExpertGroup运动图像专家组MillionsofInstructionPerSecond每秒执行百万条指令MeanSquareError均方误差OperandExecutionPipeline操作数执行流水线Phase．LockedLoops锁相环PowerSignal．to．NoiseRatio信号噪音功率比PulseWidthModulation脉宽调制QueuedSerialPeripheralInterface队列串行外围接口RunLengthEncoding行程编码StaticRandomAccessMemory静态随机存储器StartofImage图像开始StartofScan扫描开始SynchronousSerialInterface同步串行接ElUniversalAsychronousReceiver／transmitter通用异步接收器／发送器UniversalSerialBus通用串行总线VariableLengthCode变长码VariableLengthInteger变长整数ZeroRunLength零行程VIII

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过’的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：＆型堂篁兰蒸过日期：认闫辟厂月≯v日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：舭孓对聊躲抓删日期：滞．t-月汐扫

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