JPEG实时编解码系统的设计方案，软硬件实现

端工作流程

3、JPEG编码控制软件流程

编码控制软件流程图

4、JPEG解码控制软件流程

解码控制软件流程图

设计方法

一：图像采集模块

利用摄像头和Analog Device公司的ADV7181模数转换芯片实现采集模块（当然，也可以从DVD等类似设备获得图像），经过AD转换实现RGB转YCbCr（此时要考虑采样率），完成模拟信号到数字信号转换。当然，此模块实现起来可能并非像说的那么简单。大致流程如下：

图5 图像采集模块流程

二：JPEG编码部分

流程如下：

图6 JPEG编码流程图

1、将图像分成8*8数据块（其实是数字信号数组，即YCbCr（由RGB按照两者之间关系转换过来）组成的数组，其中YCbCr比例不同），DCT变换采用8*8变换公式；

2、进行DCT变换（此步骤是设计中最耗硬件资源的，故而也最影响速度），DCT变换算法已经比较成熟，可以有很多文献供参考，若本人有幸可以参赛，本设计将打算采用两次的一维DCT变换来实现二维的DCT变换（要实现实时编码，此部分可能还需改进），具体如下：

公式 1 DCT变换公式

公式1也可以写成矩阵运算形式F = CfC^T其中,C为带余弦基本函数的变换系数矩阵,C^T为C 的转置，则DCT变换公式可以分解成串联的两次一维变换，如下：

公式2

公式3

即写成矩阵形式为：F=CY，Y=fC^T，这里,Y为中间乘积矩阵(Y的列等于f行的一维DCT 输出) 。因此,在做二维DCT变换时,可以应用一维DCT 变换来计算,即先沿f的行进行一维DCT 计算获得Y,再沿着Y的转置的行进行一维DCT运算。这其中就包含一个转置存储器。这样的算法结构如图

图 7 2D-DCT算法结构

3、进行量化，量化有对应的量化表（色度和亮度的量化表不同），将DCT变换的结果与对应量化表中的数相除（可以采用乘法代替除法的方式，这样节省硬件资源）；

4、之字形输出，即将量化后的数据按之字形输出即可（直流分量在最前，之后是交流分量），经过此步骤后，低频分量数据靠前排列，高频分量数据靠后排列；

5、Huffman编码，此部分有对应的色度和亮度编码表。此部分也可以根据数值出现的可能性大小来提高编码速度。

此部分采用Xilinx公司FPGA芯片实现，即开发板主芯片。

三：JPEG解码部分

即为JPEG编码的逆过程，有对应的逆DCT变换公式，若编码部分能够很好的实现，此部分将不是什么难题，在此就不做介绍。
此部分采用Xilinx公司FPGA芯片实现，即开发板主芯片。

四：VGA显示模块

将JPEG解码后的数据进行DA转换，将转换后的数据传送至VGA显示，大致流程如下：

图 8 VGA显示模块示意

五：网络传输数据模块

采用DAVICOM的DM9000进行网络通信，根据DM9000硬件结构，编写好驱动程序，并且转换成用户自定义模块。

设计特点

本设计的特点在于提出一种基于Spartan®-6平台实现JPEG实时编解码系统的方案，该方案利用FPGA并行处理的特点，同时结合JPEG编解码算法本身的特点，再加上Xilinx公司Spartan®-6平台和自备一些外设这些资源，最后在FPGA上应用Xilinx公司的开发板实现整个系统。本设计完成了图像采集、JPEG编码、网络数据传输、JPEG解码和VGA显示的功能，达到了实现JPEG实时编解码的功能。当然，条件和时间允许的话还可以对该系统做进一步的开发，做成嵌入式无线数据传输系统；也可以进一步研究JPEG编解码算法，此外，可以将Linux等嵌入式系统移植到本硬件平台上来，为更高级的应用提供有效的支持。因此，它具有灵活性、实用性和可扩展性等特点，具有一定的市场前景。

总而言之，本设计比较充分的利用了Spartan®-6平台的资源，完成了JPEG实时编解码系统目的，可以应用在视频监控、可视电话、视频会议等一些需要传输图像的系统中。因为传输的是JPEG图像数据，较之其它格式的图像数据，在数据量上要少很多，因而可以通过网络的形式快速传输，达到实时的目的。