基于FPGA的实时JPEG编码器

1 概述

JPEG，英文全称Joint Photographic Experts Group，即ISO和IEC联合图像专家组。这个专家组负责制定了静态图像压缩标准，即JPEG标准。

常用的JPEG压缩是有损压缩，但这个损失的部分是人的视觉不容易察觉到的部分，它充分利用了人眼对计算机色彩中的高频信息部分不敏感的特点，来压缩图像的原始信息。同时，图像本身也存在很大的信息冗余，数据之间存在着很大的相关性，因此可以利用这种信息相关性，进一步压缩图像数据。

下图是一个常用的JPEG baseline压缩编码器主要结构，本文从FPGA角度阐释如何实现JPEG实时编码。

2 JPEG Encoder系统介绍

JPEG压缩支持彩色域和灰度域，本文为简化设计，仅仅讨论灰度域实现。

FPGA逻辑主要实现图像数据8x8分块、离散余弦变换DCT、量化、Zigzag排序、Huffman编码。

2.1 8x8分块

JPEG编码是以8x8个像素点为一个块进行处理的，所以需要缓存完8行图像数据后，才可以开始处理。为了实现流水线处理，需采取乒乓操作。缓存完8行数据，开始做编码；同时开始缓存下一个8行，写乒的数据编码完，开始处理写乓的数据。

2.2 DCT变换

离散余弦变换DCT，是码率压缩中常用的一种变换编码方法。DTC变换的公式如下：

2.3 量化

DCT变换后，进行量化，量化即用DCT变换后的结果除以量化系数即可。标准中给出了参照的量化表，直接引用即可。采用Xilinx提高的除法器IP核实现。压缩比很大程度由量化表的数值决定。

2.4 Zigzag扫描

量化后的8x8块系数，采用Zigzag扫描，对数据进行重排序。

2.5 Huffman编码

Zigzag数据重排序后，对64个数据进行遍历，同时进行DC差分编码和AC行程编码。DC和AC编码要对8x8块的64个数做遍历，遍历完，行程编码完成，写入Ram，且若最后为全0（EOB），要对最后一个数做修正处理。所以，处理一个8x8块的行程编码最少时钟为64+N。处理完，再循环。

行程编码后，每8x8块转换成一个个的数据对，再对应Huffman表，将每个单元对转成二进制码流，以字节为单位输出，即可。

3 该编码器优势

（1）实时可编程量化表，压缩比1:2~1:10可调；

（2）实时可调图像分辨率，最大图片分辨率8kx8k；

（3）实时编码，图片分辨率8kx8k，实时帧频可达到2frame/s；1280x720分辨率下实时编码效率可达到200frame/s。

（4）默认Mono域；

（5）主流FPGA（Xilinx， Altera）均可移植，在Xilinx K7325t上实现；

（6）默认数据接口AXI4，数据位宽8bits，数据通道8tap，配置接口AXI Lite。