thiết kế hệ thống nhúng,vu duc ngo,dhbkhn

thiết kế hệ thống nhúng,vu duc ngo,dhbkhn TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn Thiết kế hệ thống nhúng Đề tài THỰC HIỆN DCT 64 ĐIỂM Giảng viên TS Ngô Vũ[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG an co ng c om  th BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN du Đề tài: on g Môn: Thiết kế hệ thống nhúng cu u THỰC HIỆN DCT 64 ĐIỂM Giảng viên: TS Ngô Vũ Đức Sinh viên thực hiện: Họ tên MSSV Lương Văn Minh 20152445 Nguyễn Hoàng Tùng 20136759 Phan Thành Trung 20144748 Lưu Đặng Hân 20141474 Hà Nội, 12-2018 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU Chương Cơ sở lý thuyết Định nghĩa 1.2 Phép biến đổi DCT c om 1.1 1.2.1 Biến đổi DCT chiều 1.2.2 Biến đổi DCT chiều ng Chương Thiết kế hệ thống tính tốn DCT 64 điểm Thiết kế top 2.2 Khối biến đổi DCT chiều 2.3 Viết code mô 10 an co 2.1 cu u du o ng th KẾT LUẬN 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Ứng dụng phương pháp DCT 64 điểm mã hố hình ảnh………………………… 04 Hình 1.2 Giá trị hệ số trước biến đổi DCT…………………………………………………….06 Hình 1.3 Giá trị hệ số sau biến đổi DCT………………………………………………………07 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống DCT chiều…………………………………………………………….08 Hình 2.2 Sơ đồ thực khối Butterfly Unit…………………………………………………… 09 cu u du o ng th an co ng c om Hình 2.3 Kết mô 11 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MỞ ĐẦU Trong thời buổi xã hội ngày phát triển nay, việc sử dụng, quản lý lưu trữ liệu ngày trở nên quan trọng quan tâm Hầu hết liệu truyền tải mạng internet thuộc dạng gồm có: hình ảnh, kí tự, âm thanh, video… Nhu cầu sử dụng mạng ngày tăng cao, đôi với lượng liệu truyền tải mạng lớn .c om Để tối ưu hoá lượng liệu truyền tải, giảm băng thông đường truyền mà đảm bảo chất lượng thông tin, nhiều thuật toán phương pháp đưa sử dụng để mã hố nén hình ảnh – loại liệu sử dụng nhiều mạng ng Trong số phương pháp đó, phổ biến phép biến đổi DCT co Phép biến đổi DCT nhìn chung hiệu việc nén liệu ảnh JPEG Tuy an nhiên việc triển khai phần mềm có nhược điểm dễ nhận thấy lệnh th thực thi cách dẫn đến thời gian thực thi chưa tối ưu Mục tiêu đề tài ng triển khai phép biến đổi DCT FPGA nhằm tận dụng ưu điểm FPGA để xử lý song song lệnh thay thực phần mềm, giảm thời gian thực du o phép biến đổi DCT Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Ngô Vũ Đức tư vấn hỗ trợ nhóm cu u chúng em để hoàn thành đề tài Do thời gian thực cịn ngắn nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận góp ý từ thầy để đề tài hồn thiện CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương Cơ sở lý thuyết 1.1 Định nghĩa DCT (Discrete Cosine Transform) phép biến đổi toán học dùng để biến đổi liệu ảnh từ miền thời gian sang miền tần số Phép biến đổi sử dụng phổ biến công nghệ nén ảnh chuẩn JPEG Trong ảnh số, có tương quan điểm ảnh gần nhau, điều dẫn đến dư c om thừa thông tin để biểu diễn ảnh, hệ việc mã hố hình ảnh khơng tối ưu Do đó, cơng việc cần làm phải giảm thiểu thông tin dư thừa để làm giảm dung lượng lưu trữ mà không làm liệu ảnh ng 1.2 Phép biến đổi DCT Để thực nén ảnh phép biến đổi DCT 64 điểm, ta cần phải chia co ảnh thành khối 8x8 tương ứng với khối 64 điểm ảnh, điểm ảnh pixel an Các khối 8x8 sau lượng tử hố mã hoá entropy để kết mã hoá cu u du o ng th nén lại dạng bit Hình 1.4 Ứng dụng phương pháp DCT 64 điểm mã hố hình ảnh CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.1 Biến đổi DCT chiều Phương trình tính DCT chiều (N=8):  DCT chiều thuận: N 1 (2n  1)k  k  x(n) cos N n 0 2N X (k )   DCT chiều ngược: x ( n)  N 1 (2n  1)k  k  X (k ) cos N n 0 2N c om Trong đó:  X(k): Giá trị điểm ảnh sau biến đổi DCT miền tần số co th 1.2.2 Biến đổi DCT chiều an  k   k   1  k   ng  x(n): Giá trị điểm ảnh trước biến đổi DCT miền khơng gian  ng Phương trình tính DCT chiều (N=8): u du o  DCT chiều thuận: N 1 N 1 (2n  1)k1 (2n2  1)k2 X (k1 , k2 )  1   x(n1 , n2 ) cos cos N 2N 2N n1  n2  cu  DCT chiều ngược: N 1 N 1 (2n  1)k1 (2n2  1)k2 x(n1 , n2 )   k1  k2   X (k1 , k2 ) cos cos N 2N 2N n1  n2  Trong đó:  X (k1 , k2 ) : Giá trị điểm ảnh sau biến đổi DCT miền tần số  x(n1 , n2 ) : Giá trị điểm ảnh trước biến đổi DCT miền không gian    k1  k     k    k1   1 1  k1   k    CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phương trình DCT chiều bao gồm 16 phép biến đổi DCT chiều:  (DCT chiều cho dãy điểm ảnh hàng) * (8 hàng)  (DCT chiều cho dãy điểm ảnh cột) * (8 cột)  Ma trận cuối hệ số sau thực chuyển đổi DCT Hệ số thứ gọi thành phần chiều DC: thành phần quan trọng mang thơng tin độ chói trung bình ảnh 7   x(n1, n2 ) n1 0 n2 0 c om X (0, 0)  Các hệ số lại thành phần AC chứa thông tin chi tiết ảnh Các hệ số bên thành phần DC biểu thị đặc trưng tín hiệu có tần số cao tần số cao theo phương thẳng đứng) ng theo chiều dọc (hệ số bên trái có tọa độ (7,0) đặc trưng cho tín hiệu có co Các hệ số bên phải thành phần DC biểu thị đặc trưng tín hiệu có tần số cao theo an chiều ngang (hệ số bên phải có tọa độ (0,7) đặc trưng cho tín hiệu có tần số cao theo phương ngang) chiều ngang ng th Các hệ số lại ứng với phối hợp khác tần số theo chiều dọc tần số cao cu u Ví dụ: du o Phép biến đổi DCT cho giá trị hệ số có giá trị nhỏ ứng với thành phần Hình 1.5 Giá trị hệ số trước biến đổi DCT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om cu u du o ng th an co ng Hình 1.6 Giá trị hệ số sau biến đổi DCT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương Thiết kế hệ thống tính tốn DCT 64 điểm c om 2.1 Thiết kế top Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống DCT chiều Tính tốn DCT chiều chia làm khối thực phép tính DCT chiều: ng  Khối DCT thực tính toán DCT chiều theo hàng co  Kết lưu tạm thời vào RAM  Khối DCT thứ hai thực tính tốn DCT chiều theo cột dựa vào kết an lưu RAM th 2.2 Khối biến đổi DCT chiều ng Nếu thực phép biến đổi DCT chiều theo cơng thức thời du o gian làm phức tạp thiết kế phần cứng số lượng phép tính cần thực lớn Thay vào đó, để đơn giản hóa vấn đề ta dùng khối Butterfly cu u Unit để tính tốn gần hệ số DCT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om * Butterfly Unit co ng Hình 2.2 Sơ đồ thực khối Butterfly Unit Hệ thập phân   cos   4   cos   8  3  cos     ng th DCT-II DCT/DST-III an Hệ số cosin u du o DCT-IV cu Butterfly I Butterfly II   cos    16   7  cos    16   3  cos    16   5  cos    16  Hệ nhị phân 11 bit không dấu 0.70710678 0.10110101000 0.92387953 0.11101100100 0.38268343 0.01100010000 0.98078528 0.11111011000 0.19509032 0.00110010000 0.83146961 0.11010100111 0.55557023 0.10001110010 Bảng 2.1 Giá trị hệ số khối Butterfly Unit CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2.3 Viết code mô * Code khối DCT chiều cu u du o ng th an co ng c om module dct1( input wire [15:0] in0, in1, in2, in3, in4, in5, in6, in7, input en, output reg signed [23:0] out0, out1, out2, out3, out4, out5, out6, out7 ); localparam [15:0] sqrt2 = 16'b00000001_01101010, cos1_4 = 16'b00000000_10110101, cos1_8 = 16'b00000000_11101100, cos3_8 = 16'b00000000_01100001, 10 cos1_16 = 16'b00000000_11111011, 11 cos7_16 = 16'b00000000_00110010, 12 cos3_16 = 16'b00000000_11010100, 13 cos5_16 = 16'b00000000_10001110; 14 reg signed [31:0] xa,xb; 15 reg signed [31:0] x0,x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7; 16 always @* begin 17 if(en) begin 18 x0 = (in0 + in7); 19 x1 = (in0 - in7); 20 x4 = (in1 + in6); 21 x5 = (in2 - in5); 22 x2 = (in3 + in4); 23 x3 = (in1 - in6); 24 x6 = (in2 + in5); 25 x7 = (in3 - in4); 26 // 27 xa = x0 + x2; 28 xb = x0 - x2; 29 x0 = xa; 30 x2 = xb; 31 xa = x4 + x6; 32 xb = x4 - x6; 33 x4 = xa; 34 x6 = xb; 35 xa = x3 + x5; 36 xb = x3 - x5; 37 x3 = xa; 38 x5 = xb; 39 // 40 xa = x0 + x4; 41 xb = x0 - x4; 42 x0 = ((xa >> 2) * sqrt2) >> 8; 43 x4 = (xb * cos1_4) >> 9; 44 // 45 xa = (x2 * cos3_8) >> 8; 46 xb = (x6 * cos3_8) >> 8; 47 x2 = (x2 * cos1_8) >> 8; 48 x6 = (x6 * cos1_8) >> 8; 49 x2 = (x2 + xb) >> 1; 50 x6 = (xa - x6) >> 1; 51 // 52 x3 = (x3 * cos1_4) >> 8; 53 xa = x1 + x3; 54 xb = x1 - x3; 55 x1 = xa; 56 x3 = xb; 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om ng co an cu u du o * Kết mô ng th 57 // 58 x5 = (x5 * cos1_4) >> 8; 59 xa = x5 - x7; 60 xb = x5 + x7; 61 x5 = xa; 62 x7 = xb; 63 // 64 xa = (x1 * cos7_16) >> 8; 65 xb = (x7 * cos7_16) >> 8; 66 x1 = (x1 * cos1_16) >> 8; 67 x7 = (x7 * cos1_16) >> 8; 68 x1 = (x1 + xb) >> 1; 69 x7 = (xa - x7) >> 1; 70 // 71 xa = (x3 * cos5_16) >> 8; 72 xb = (x5 * cos5_16) >> 8; 73 x3 = (x3 * cos3_16) >> 8; 74 x5 = (x5 * cos3_16) >> 8; 75 x3 = (x3 + xb) >> 1; 76 x5 = (xa - x5) >> 1; 77 // 78 out0 = x0[23:0]; 79 out1 = x1[23:0]; 80 out2 = x2[23:0]; 81 out3 = x3[23:0]; 82 out4 = x4[23:0]; 83 out5 = x5[23:0]; 84 out6 = x6[23:0]; 85 out7 = x7[23:0]; 86 end 87 end 88 89 endmodule Hình 2.3 Kết mô 11 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt KẾT LUẬN Ngày nay, mơ hình DCT 64 điểm q phổ biến nên chúng hầu hết xây dựng tích hợp hàm có sẵn, ví dụ Matlab hàm dct2() Tuy nhiên việc triển khai phần mềm có hạn chế thời gian thực thi lệnh thực Việc triển khai DCT64 lên FPGA khắc phục hạn chế việc thiết kế phần cứng FPGA cho phép thực song song đồng thời lệnh Qua đề tài này, em hiểu c om mã hoá hình ảnh mã hố JPEG nói chung phương pháp mã hố DCT 64 điểm nói riêng triển khai FPGA Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Ngô Vũ Đức đưa đề tài hay ng có ý nghĩa thực tiễn để nhóm chúng em thảo luận, tìm hiểu thực Do thời co gian thực đề tài cịn ngắn nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận góp ý quý báu từ thầy để giúp đề tài chúng em hoàn thiện cu u du o ng th an 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương Thiết kế hệ thống tính tốn DCT 64 điểm c om 2.1 Thiết kế top Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống DCT chiều Tính tốn DCT chiều chia làm khối thực phép... ng Chương Thiết kế hệ thống tính tốn DCT 64 điểm Thiết kế top 2.2 Khối biến đổi DCT chiều 2.3 Viết code mô 10 an co 2.1 cu u du o ng th KẾT LUẬN ... ảnh………………………… 04 Hình 1.2 Giá trị hệ số trước biến đổi DCT…………………………………………………….06 Hình 1.3 Giá trị hệ số sau biến đổi DCT………………………………………………………07 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống DCT chiều…………………………………………………………….08