量化和编码 - 基于FPGA的网络图像采集处理系统设计

2.3.2 量化和编码

　　量化是将经过DCT变化后的系数值除以量化表中的量化值，其结果四舍五入得到。系统采用推荐的亮度量化表对图像数据进行量化，该表存在FPGA的片上RAM中。由于硬件除法是通过迭代减法完成的，速度慢，因此先计算量化表中数值的倒数值，把DCT变化系数乘以量化表对应的倒数值，即可将除法转换成速度较快的乘法运算。

　　量化后系数经过Z型扫描器转换成一维ZIG-ZAG序列，序列的第1个数值表示直流(DC)分量，其后的63个数值表示交流(AC)分量。对DC分量采用一维差分前值预测编码，即将DC分量减去上一个8×8子快的DC分量。对AC分量采用游程编码，并且用一个字节的高四位来表示AC分量连续0值个数，低四位表示下一个非零系数所需位数，这样能够表示的最大0值个数为15个，如果AC分量中0值个数多于15个，采用(15，0)来表示。(0，0)表示EOB，说明后面分量值全为0。这样游程/预测编码对系数0的值进行压缩。最后霍夫曼编码器利用霍夫曼表分别对DC和AC系数进行霍夫曼编码，输出JPEG图像码流。

　　2.4 网络传输

　　通过在NiosⅡ处理器上移植支持TCP/IP协议栈的μC/OS-Ⅱ操作系统来实现图像的网络传输功能。软件流程图如图7所示。

　　

 

　　首先将NiosⅡ作为网络通信服务器，创建一个网络监听套接字，将该套接字同NiosⅡ处理器的本机的IP地址和端口号进行绑定，调用Listen监听函数使系统处于监听状态，监听客户端(PC机)请求，一旦监听到客户端的连接请求，服务器端置图像压缩使能端有效，开始图像的压缩，并接收硬件逻辑完成压缩的图像数据，然后服务器端向客户端发送图像的帧头和图像数据，一帧图像发送完成后会接着发送下一帧图像，直到收到停止图像发送指令，进入下一个监听的等待状态为止。客户端主要是向服务器端发出连接请求，一旦连接成功，即开始接收服务器端传送的图像帧头和图像数据，并将图像进行显示。客户端在停止接收图像前，会不断重复接收图像数据的工作过程。

　　3 测试结果

　　AD采集一副大小为720×576的图像，经过硬件逻辑裁剪成如图8(a)所示的512×512大小的图像，由JPEG编码器进行图像压缩，在PC机上解压缩后的图像如图8(b)所示。将原始图像和解压缩后的图像进行对比，计算图像的峰值信噪比：

　　

 

　　式中：MSE为原始图像和压缩图像的均方误差。从图中可看到，PSNR>30时，图像视觉失真度比较低。

　　

 

　　4 结语

　　本文介绍了一种基于FPGA的网络图像处理系统设计和实现方法。系统主要包括图像采集模块、RAM控制模块、JPEG编码器3部分逻辑。在单片FPGA上实现图像的采集、裁剪、缓存和JPEG编码，构建NiosⅡ处理器实现图像的网络传输功能。测试表明，系统的体积小，功耗低，算法升级灵活方便。此外系统运行稳定，性能也满足要求。