一種超高速圖像實時壓縮方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高幀率實時圖像壓縮方式，采用完全流水線的方式壓縮視頻，壓縮率可達20~30倍。本發(fā)明涉及一種超高速圖像實時壓縮和傳輸技術，特別是超高速工業(yè)相機的實時圖像壓縮和傳輸技術，可用于100幀/秒以上的實時圖像傳輸，每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過600M字節(jié)。本發(fā)明專利采用如下的技術解決方案：第一步，通過實時圖像控制器產(chǎn)生像素的同步時鐘；第二步，利用同步像素作參考，將圖像信息送入實時流水線結構的圖像壓縮電路。本發(fā)明可應用于多領域，例如汽車碰撞試驗，火焰噴射試驗，以及慢動作商業(yè)廣告等等。
【專利說明】一種超高速圖像實時壓縮方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超高速圖像實時壓縮和傳輸技術，特別是超高速工業(yè)相機的實時 圖像壓縮和傳輸技術，可用于100幀/秒以上的實時圖像傳輸，每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過600M 字節(jié)。

【背景技術】
[0002] 近年來，隨著集成電路、(XD、CM0S傳感器以及操作系統(tǒng)等技術的發(fā)展，超高速攝像 機已經(jīng)進入實用性階段，國產(chǎn)高速攝像機已經(jīng)在130萬像素下，可以達到150幀/秒的采集 速度；而國外的同類產(chǎn)品可以在200萬像素下，達到2000幀甚至更高的采集速度。越來越 多的領域中可以看到高速、超高速攝像機的應用，例如汽車碰撞試驗，火焰噴射試驗，以及 慢動作商業(yè)廣告等等。
[0003]目前，國內外超高速攝像機均采用快速采集，慢速傳輸?shù)姆绞剑瑪z像機內設置了大 量存儲器，在采滿之后就只能停止攝像，等到所有的圖像數(shù)據(jù)導出之后才能繼續(xù)進行采集， 所以目前國際上存儲時間最長的攝像機只能高速錄像13秒，超過13秒的圖像將無法記錄。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明公開了一種高幀率實時圖像壓縮方式，采用完全流水線的方式壓縮視頻， 壓縮率可達20 ~ 30倍。本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種超高速的圖像實時傳輸方 法，該方法通過實時壓縮算法將圖像數(shù)據(jù)進行逐幀壓縮，使數(shù)據(jù)量達到傳輸帶寬需求，實現(xiàn) 圖像數(shù)據(jù)的實時傳輸，并可以進行長時間存儲，本方法適用于超過100幀/秒的高速、超高 速攝像機。
[0005] 本發(fā)明專利采用如下的技術解決方案： 第一步，通過實時圖像控制器產(chǎn)生像素的同步時鐘。
[0006] 第二步，利用同步像素作參考，將圖像信息送入實時流水線結構的圖像壓縮電路。
[0007] 第三步，在圖像壓縮電路內對圖像進行實時壓縮。
[0008] 第四步，圖像壓縮的同時，將壓縮好的數(shù)據(jù)流通過以太網(wǎng)、LVDS線或USB等方式送 出。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是，以同步的像素時鐘作為參考，以確保圖像壓縮的同步性，保 證了下一幀圖像到來之時，當前幀圖像已經(jīng)完成運算；再通過高速實時壓縮電路將圖像數(shù) 據(jù)壓縮為可容忍的數(shù)據(jù)量，確保達到實時傳輸?shù)男枨螅鉀Q了高速、超高速攝像機傳輸難， 數(shù)據(jù)存儲難的問題，極大地拓寬了高速、超高速攝像機的應用領域，以130萬像素、150幀/ 秒的彩色攝像機為例，采用本方法的攝像機可以實現(xiàn)1小時以上的實時圖像存儲。
[0010] 為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采用如下的技術解決方案： 一種基于fpga的高速JPEG壓縮處理器，其特征在于，該處理器包括： 一種并行的DCT快速運算單元，可以同時完成6路YUV8x8塊運算，即在同一時刻同時 處理YUV420的YUV分量； 一種多端口的數(shù)據(jù)緩沖器，具有8個端口的并行存儲器，用于保存基8DFT之后的臨時 數(shù)據(jù)，以便完成DCT變換。
[0011] 一個地址生成器器，生成的地址用于完成基8快速傅里葉運算后數(shù)據(jù)的多路存和 取，存儲到多路的運算結果可以直接用到DCT的二維頻率變換。
[0012] 一個實時除法器單元，這種除法器需要完成單時鐘周期內完成兩個有限位寬的整 數(shù)除法。
[0013] 一個地址生成器，計算產(chǎn)生Zig-Zag變換所需要的地址，用于數(shù)據(jù)量化后的存儲 地址。
[0014] 一個流水線輸出的游程編碼模塊，該模塊按照流水線方式輸出游程編碼后的結 果，滿足實時性需求 一個Huffman編碼系數(shù)儲存器，用于量化后的頻率系數(shù)值查表獲得Huffman結果，提高 編碼效率。
[0015] 本發(fā)明采用完全流水線的方式處理視頻JPEG壓縮：圖像數(shù)據(jù)首先進入色彩轉換 模塊，其包括RGB轉換為YUV的模塊，之后還要根據(jù)轉換后的結果將圖像分區(qū)，分為16x16 的基本處理單元；再講分區(qū)后的單元分成4塊8x8的Y分量單元，1塊8x8的U分量單元和 1塊8x8的V分兩單元，8x8圖像數(shù)據(jù)同時送入6路DCT變換模塊內部，兩塊多端口的數(shù)據(jù) 緩沖器可以交替儲存基8快速傅里葉變換單元的數(shù)據(jù)，完成整個DCT的數(shù)據(jù)緩存；DCT處理 后的數(shù)據(jù)在讀出多端口的數(shù)據(jù)緩沖器時直接進入實時除法器單元，這種除法器單元單時鐘 內完成除法運算，也就可以完成量化過程；量化后的數(shù)據(jù)進入量化模塊的緩存器，進入的量 化模塊的緩存器時，同時會產(chǎn)生Zig-Zag變換的地址，根據(jù)這個地址，量化后的數(shù)據(jù)存入緩 沖器時，已經(jīng)可以完成Zig-Zag變換；最后數(shù)據(jù)從量化緩存器讀出進入游程編碼模塊，新進 入的數(shù)據(jù)存入緩存器時，需要計算該數(shù)據(jù)前面〇的個數(shù)，因此除了該數(shù)據(jù)需要與〇比較，還 需要讀出前一個數(shù)據(jù)的前面〇的個數(shù)，將兩個〇數(shù)目合并后，將結果存入緩存器；最后根據(jù) 這個結果查表獲得Huffman編碼結果。上述處理過程完全是流水線操作，且數(shù)據(jù)在可編程 邏輯器件內，不同現(xiàn)有一些算法，可以做到完全實時操作。
[0016] 本發(fā)明基于完全流水線及并行的方式處理視頻JPEG壓縮算法，帶來的技術效果 是： (1)如果采用完全流水線的方式，并增加關鍵運算單元處理視頻JPEG壓縮，可以做到 完全實時處理。特別是針對大分辨率和高幀頻的視頻壓縮，采用這種全流水線方式處理，在 壓縮過程中，視頻流完全不需要外部的存儲介質來暫存數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)實時性，這在目前 已有的壓縮算法中是不具備的。
[0017] (2)本發(fā)明可以在通用可編程邏輯器件上無縫移植，不同于專用硬件處理芯片實 現(xiàn)的JPEG壓縮，本發(fā)明的壓縮算法具有更高的移植性和通用性，同時可編程邏輯器件具有 硬件的特性，可以達到硬件處理的性能。
[0018] (3)此外，本方法采用流水線方式處理JPEG壓縮，除了占用可編程邏輯器件豐富 的內部存儲資源外，并沒有額外占用其它資源，但JPEG壓縮處理效能大大提高了。

【專利附圖】

【附圖說明】 圖1是JPEG壓縮整體框圖，圖2是色彩轉換單元，圖3是DCT單元，圖4是量化單元， 圖5是游程編碼單兀，圖6是Huffman編碼單兀。

【具體實施方式】
[0019]基于完全流水線的方式處理視頻JPEG壓縮算法整體處理流程框圖如圖1所示，該 芯片整體包括：一個色彩轉換單元，包含一個色彩轉換單元、一個圖像分區(qū)單元以及數(shù)據(jù)緩 沖模塊；一個DCM處理單元，里面包含兩塊多端口的數(shù)據(jù)緩沖器、基8的傅里葉變換單元和 地址生成器；一個量化單元，里面包含一個實時除法器、Zig-Zag變換地址生成器、數(shù)據(jù)緩 存器等；游程編碼單元，包含數(shù)據(jù)緩沖器、0比較器和求和單元；Huffman編碼，包含一個DC 結果緩存、Huffman系數(shù)表和結果緩沖器。
[0020]色彩轉換單元如圖2所示，色彩轉換模塊將輸入的RGB數(shù)據(jù)轉換為YUV，其根據(jù)輸 入的RGB數(shù)據(jù)，直接進行矩陣的乘，完成RGB到YUV空間的轉換，轉化后的YUV數(shù)據(jù)按分量 分別進行圖像區(qū)域的劃分。轉換矩陣如下所示：

【權利要求】
1. 一種超高速JPEG圖像實時圖像壓縮方法，其特征在于：該壓縮方法將包含： 一種并行的DCT快速運算單元，可以同時完成6路YUV8x8塊運算，即在同一時刻同時 處理YUV420的YUV分量； 一種多端口的數(shù)據(jù)緩沖器，具有8個端口的并行存儲器，用于保存基8 DFT之后的臨時 數(shù)據(jù)，以便完成DCT變換； 一個地址生成器器，生成的地址用于完成基8快速傅里葉運算后數(shù)據(jù)的多路存和取， 存儲到多路的運算結果可以直接用到DCT的二維頻率變換； 一個實時除法器單元，這種除法器需要完成單時鐘周期內完成兩個有限位寬的整數(shù)除 法；一個地址生成器，計算產(chǎn)生Zig-Zag變換所需要的地址，用于數(shù)據(jù)量化后的存儲地址； 一個流水線輸出的游程編碼模塊，該模塊按照流水線方式輸出游程編碼后的結果，滿 足實時性需求； 一個Huffman編碼系數(shù)儲存器，用于量化后的頻率系數(shù)值查表獲得Huffman結果，提高 編碼效率。
2. 如權利要求1所述權利在FPGA上運行的實時DCT變換方法，其特征在于兩個多端口 緩存塊輪流存取和讀取完成DCT的運算過程；同時在讀和寫多端口緩存塊以完成DCT過程 中，實時進行累加和更新基8的DFT的結果。
【文檔編號】H04N19/625GK104349168SQ201410391188
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月11日 優(yōu)先權日:2014年8月11日
【發(fā)明者】王超, 田玉松 申請人:大連戴姆科技有限公司