基于雙FPGA+ARM架構(gòu)的圖像壓縮系統(tǒng)

目前的圖像壓縮存儲(chǔ)方案大都無(wú)法支持高分辨率圖像。另外，在一些DSP解決方案中，因?yàn)镈SP接口不靈活以及DSP本身處理能力的限制，很難支持高分辨圖像壓縮。

　　本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了一套基于雙FPGA+ARM架構(gòu)的高速計(jì)算機(jī)屏幕圖像壓縮系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)圖像壓縮系統(tǒng)任務(wù)的劃分，利用FPGA的并行計(jì)算能力和靈活的編程方式，完成圖像壓縮算法。對(duì)于壓縮后的碼流，系統(tǒng)采用ARM管理，基于linux的嵌入式ARM系統(tǒng)能夠以文件的形式存儲(chǔ)碼流，另外，ARM對(duì)網(wǎng)絡(luò)和音頻常用設(shè)備能方便地管理。系統(tǒng)支持主流接口(VGA，DVI)，壓縮后的碼流可以存儲(chǔ)在本地硬盤，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器。雙FPGA的設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算機(jī)屏幕圖像壓縮更為方便，原始圖像經(jīng)過(guò)前端預(yù)處理FPGA進(jìn)行幀間檢測(cè)，以決定該幀圖像進(jìn)入主FPGA的壓縮模式，主FPGA為核心壓縮引擎，負(fù)責(zé)完成高速圖像壓縮算法。
 

　　1 系統(tǒng)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，采用雙FPGA+ARM架構(gòu)，主要包括圖像前端預(yù)處理、圖像壓縮模塊和碼流管理部分。

　　前面一塊FPGA完成前端預(yù)處理，如分辨率檢測(cè)、色彩轉(zhuǎn)換和圖像分析等功能;后面一塊FPGA用來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)壓縮，其中ARM對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理，如壓縮后碼流管理、網(wǎng)絡(luò)管理和音頻錄制等。

　　1.1 預(yù)處理模塊

　　本系統(tǒng)同時(shí)支持VGA、DVI兩種主流顯卡接口。采用AD9888[2]作為視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器，TI公司的TFP403[3]為DVI接收芯片。Xilinx公司Virtex4[4](XC4VLX40)完成圖像預(yù)處理，主要包括圖像數(shù)據(jù)的采集、色彩空間轉(zhuǎn)換和幀間檢測(cè)。前端處理模塊如圖2所示。

　　1.1.1 圖像數(shù)據(jù)采集

　　預(yù)處理FPGA接收到的圖像數(shù)據(jù)為接口芯片送來(lái)的圖像數(shù)據(jù)，包括像素時(shí)鐘信號(hào)(PCLK)、場(chǎng)同步信號(hào)(VSYNC)、行同步信號(hào)(HSYNC)以及數(shù)據(jù)信號(hào)(R[7:0]，G[7:0]，B[7:0])。圖像數(shù)據(jù)的采集包括判斷圖像分辨率和提取圖像數(shù)據(jù)兩個(gè)步驟。

　　當(dāng)前的計(jì)算機(jī)屏幕分辨率很多，工業(yè)VGA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各種分辨率的像素時(shí)鐘及場(chǎng)、行同步信號(hào)時(shí)序，根據(jù)相鄰場(chǎng)同步信號(hào)(VSYNC)之間行同步信號(hào)(HSYNC)數(shù)目，以及相鄰行同步信號(hào)(HSYNC)之間像素時(shí)鐘(PCLK)數(shù)目識(shí)別VGA信號(hào)分辨率。根據(jù)場(chǎng)同步信號(hào)(VSYNC)和行同步信號(hào)(HSYNC)提出圖像數(shù)據(jù)。

　　1.1.2 色彩空間轉(zhuǎn)換

　　VGA輸出為RGB信號(hào)，而人眼對(duì)圖像的亮度分量更為敏感，所以，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換，將RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換為YUV信號(hào)，轉(zhuǎn)換公式：

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)采用4:2:2采樣模式，F(xiàn)PGA采用定點(diǎn)化處理后，得到亮度分量Y 和色度分量UV。

　　1.1.3 幀間檢測(cè)

　　幀間檢測(cè)的核心思想是對(duì)比相鄰兩幀圖像，判斷每個(gè)像素點(diǎn)是否變化。以3×3的塊為判斷單元，如果有變化則將該像素位置和像素值都存起來(lái);如果沒(méi)有變化則不傳輸這些信息。當(dāng)?shù)玫搅艘粋€(gè)4×4的塊以后把這個(gè)16個(gè)點(diǎn)的信息作為一個(gè)整體傳給后面的模塊，然后統(tǒng)計(jì)1幀圖像總的碼流大小。如果該值低于一個(gè)設(shè)定的閾值，則認(rèn)為當(dāng)前幀沒(méi)有變化，直接傳當(dāng)前幀變化部分的像素和位置信息到后面的碼流整理模塊;如果統(tǒng)計(jì)后碼流的大小大于設(shè)定的閾值，則將當(dāng)前幀送入LX100中進(jìn)行壓縮。

　　1.2 圖像壓縮模塊

　　圖像壓縮為系統(tǒng)核心模塊，該壓縮引擎包括小波變換和熵編碼，算法全部由系統(tǒng)主FPGA完成。該FPGA芯片選用Xilinx公司的Virtex4[4]系列FPGA(XC4VLX160)。圖像壓縮引擎結(jié)構(gòu)如圖3。

　　在系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)中，圖像小波變換采用了基于離散小波變換的空間推舉算法(SCLA)[5]。不同于傳統(tǒng)的離散小波變換(DWT)，SCLA對(duì)行與列同時(shí)進(jìn)行變換，其乘法次數(shù)是小波變換算法中最少的，而重建圖像質(zhì)量也很高，PSNR值優(yōu)于JPEG，接近JPEG2000。編碼算法采用了改進(jìn)的無(wú)鏈表零樹(shù)編碼算法(SLC)，該算法綜合了多層次零樹(shù)編碼算法(SPIHT[6])和無(wú)鏈表零樹(shù)編碼(LZC[7])的特點(diǎn)，在性能上優(yōu)于LZC，逼近SPIHT，而且易于硬件實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)的架構(gòu)由FPGA和兩片外部SDRAM實(shí)現(xiàn)。SDRAM用于緩存小波變換后的小波系數(shù)。FPGA完成小波變換算法SCLA和熵編碼算法SLC。SCLA算法由5個(gè)流水線小波濾波器完成，每個(gè)濾波器完成一層小波分解，而小波分解運(yùn)算需要乘法器，在FPGA芯片選型時(shí)，根據(jù)小波濾波器中需要乘法器的個(gè)數(shù)選擇FPGA。在本系統(tǒng)中，5個(gè)流水的小波濾波器包括36個(gè)乘法器，對(duì)于亮度分量Y和色度分量UV兩路數(shù)據(jù)并行處理，則需要72個(gè)乘法器，而在Virtex4系列FPGA(XC4VLX160)中有96個(gè)DSP單元。由小波變換得到小波系數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用2片外部SDRAM和FPGA片內(nèi)SRAM結(jié)合的方法緩存小波系數(shù)。對(duì)于亮度分量Y和色度分量UV兩路數(shù)據(jù)并行處理以提高系統(tǒng)吞吐量，SDRAM1和SDRAM2分量用來(lái)緩存Y和UV的小波系數(shù)。熵編碼算法SLC負(fù)責(zé)對(duì)小波系數(shù)編碼，該算法以一棵小波樹(shù)為基本處理單元，即當(dāng)前端小波系數(shù)構(gòu)成一棵小波樹(shù)時(shí)，熵編碼模塊便啟動(dòng)編碼，從而完成一幀圖像所有小波樹(shù)的編碼。[!--empirenews.page--]1.3 碼流管理模塊

　　對(duì)于圖像經(jīng)過(guò)FPGA壓縮后的碼流，系統(tǒng)采用ARM芯片進(jìn)行管理，該芯片為Cirrus Logic公司的工業(yè)級(jí)嵌入式處理器EP9315[8]。該處理器具有ARM920T核，最高主頻達(dá)200 MHz，并具有豐富的外圍接口，包括網(wǎng)絡(luò)、USB、音頻等。FPGA和ARM之間通信由I2C總線完成，當(dāng)FPGA完成一幀圖像壓縮后，通過(guò)FPGA的GPIO發(fā)送一個(gè)終端信號(hào)給ARM，并準(zhǔn)備好一幀碼流長(zhǎng)度等信息。ARM中斷服務(wù)程序響應(yīng)該中斷，通過(guò)I2C接口讀走碼流長(zhǎng)度，通過(guò)映射SRAM的方式從FPGA讀取壓縮碼流到ARM內(nèi)存，然后以文件的形式存儲(chǔ)碼流到本地硬盤，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能

　　2.1 算法性能驗(yàn)證

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，用軟件對(duì)算法的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。在PC上對(duì)一組Lena等標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行壓縮，得到不同的重建圖像，對(duì)重建圖像求解PSNR值，式(2)為PSNR計(jì)算公式。其中Mean Square Error(MSE)表示原始圖像和重建圖像對(duì)應(yīng)像素的均方誤差值。

　　表1為本系統(tǒng)采用算法與JPEG及JPEG2000對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖像壓縮后重建圖像的PSNR比較。從表中可以看出，本系統(tǒng)采用算法遠(yuǎn)優(yōu)于JPEG，接近JPEG2000。PSNR值的比較以壓縮比(對(duì)應(yīng)表中Bitrate)為基準(zhǔn)，即在相同壓縮比的情況下對(duì)比PSNR值。

　　2.2 硬件實(shí)現(xiàn)和硬件壓縮

　　硬件系統(tǒng)電路板采用10層板制作工藝，電路板面積為30.8 cm×16.7 cm，在100 MHz工作頻率下對(duì)系統(tǒng)測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定。表2為系統(tǒng)對(duì)1 600×1 200、1 280×1 024和1 024×768三種常見(jiàn)分辨率的計(jì)算機(jī)屏幕進(jìn)行的記錄，記錄的圖像源采用了各類計(jì)算機(jī)屏幕常見(jiàn)圖像，如Word文檔、PPT文件、動(dòng)態(tài)雷達(dá)圖像和一段視頻。其中，PPT的平均翻頁(yè)速度為60 s。由表2可以看出，系統(tǒng)對(duì)于Word文檔、PPT文檔等只有局部變化的圖像能夠達(dá)到非常高的壓縮比，壓縮幀率約為60幀/s。

　　本文結(jié)合應(yīng)用提出圖像壓縮算，以FPGA為核心計(jì)算平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套計(jì)算機(jī)屏幕圖像記錄系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)1 280×1 024×24 bit圖像每秒記錄27幀，對(duì)1 600×1 200×24 bit圖像每秒記錄17幀，對(duì)PPT、Word文檔等只有局部變化的屏幕圖像每秒可記錄60幀，且壓縮后重建圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于JPEG，與JPEG2000接近。同時(shí)，對(duì)于壓縮后的碼流，系統(tǒng)采用ARM以文件的方式管理，有利于碼流本地存儲(chǔ)以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)褥`活的應(yīng)用。另外，系統(tǒng)支持多種輸入接口，提高了硬件系統(tǒng)的靈活性，具有廣闊的應(yīng)用前景。