Luận Văn: Xây dựng hệ thống hiển thị thông tin hình ảnh thông qua mạng Internet

Bố cục của luận văn gồm có bốn phần: Chương 1 Cơ sở lý thuyết về mã hoá và hiển thị hình ảnh, Chương 2 Công nghệ nền tảng FPGA và phương pháp xây dựng hệ thống nhúng trên FPGA, Chương 3 Hệ thống hiển thị thông tin hình ảnh thông qua mạng Internet, Chương 4 Kết quả thực nghiệm và đánh giá.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Ngọc Tuyên XÂY DỰNG HỆ THỐNG HIỂN THỊ THÔNG TIN HÌNH ẢNH THÔNG QUA MẠNG INTERNET LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Ngọc Tuyên XÂY DỰNG HỆ THỐNG HIỂN THỊ THÔNG TIN HÌNH ẢNH THÔNG QUA MẠNG INTERNET Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Trần Xuân Tú HÀ NỘI - 2014 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Xây dựng hệ thống hiển thị thông tin hình ảnh thông qua mạng Internet” là sản phẩm do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Xuân Tú. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 11 tháng 11 năm 2014 TÁC GIẢ Vũ Ngọc Tuyên 3 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS. Trần Xuân Tú đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu tham khảo, kinh nghiệm và những ý kiến đóng góp quý báu. Em cũng xin cảm ơn tới các anh em cán bộ của Phòng thí nghiệm mục tiêu Hệ thống tích hợp thông minh (SIS Lab) đã hỗ trợ và giải đáp các vướng mắc của em trong suốt quá trình nghiên cứu. Em cũng gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt những kiến thức bổ ích và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian em học tập, nghiên cứu tại nhà trường. Cuối cùng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè những người đã giúp đỡ và tạo điều kiện để em có thể hoàn thành được luận văn này. Trong thời gian thực hiện luận văn, bản thân em khó tránh khi nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ pha thầy cô và bạn b để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Học viên Vũ Ngọc Tuyên 4 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 2 LỜI CẢM ƠN 3 MỤC LỤC 4 DANH MỤC HÌNH VẼ 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU 8 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 9 MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÃ HÓA VÀ HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 11 1.1. Cơ sở lý thuyết về mã hóa hình ảnh JPEG 11 1.1.1. Quá trình mã hóa 12 1.1.2. Chuyển đổi hệ màu 12 1.1.3. Lấy mẫu 13 1.1.4. Quá trình giải mã 14 1.2. Hiển thị hình ảnh lên màn hình chuẩn VGA 15 1.2.1. Nguyên lý quét hình ảnh 15 1.2.2. Tín hiệu màu VGA 17 1.2.3. Bộ điều khiển tín hiệu hiển thị hình ảnh – VGA core 18 1.2.4. Nguyên tắc hoạt động của bộ hiển thị hình ảnh VGA 20 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ NỀN TẢNG FPGA – PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHÚNG TRÊN FPGA 22 2.1. Giới thiệu công nghệ nền tảng FPGA 22 2.1.1. Kiến trúc FPGA 23 2.1.2. Ngôn ngữ lập trình mô tả phần cứng VHDL 25 2.2. Phương pháp xây dựng hệ thống nhúng trên FPGA 27 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Ngọc Tuyên XÂY DỰNG HỆ THỐNG HIỂN THỊ THÔNG TIN HÌNH ẢNH THÔNG QUA MẠNG INTERNET LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2014 5 2.2.1. Trình tự thiết kế một vi mạch FPGA 27 2.2.2. Giải pháp thiết kế hệ thống sử dụng bộ công cụ của hãng Xilinx 29 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG HIỂN THỊ THÔNG TIN HÌNH ẢNH THÔNG QUA MẠNG INTERNET 39 3.1. Mô tả ý tưởng thiết kế hệ thống 39 3.2. Hệ thống phần cứng 40 3.2.1. Xây dựng hệ thống phần cứng trên chip 41 3.2.2. Thiết kế ngoại vi giao tiếp màn hình VGA 46 3.3. Đặc tả hệ thống phần mềm 50 3.3.1. Thiết kế chi tiết hệ thống phần mềm 51 3.3.2. Thư viện lwIP hỗ trợ truyền thông Ethernet 54 3.3.3. Thư viện giải mã ảnh JPEG – TinyJPEG 56 CHƯƠNG 4: : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 59 4.1. Nền tảng thực thi hệ thống 59 4.2. Kết quả kiểm tra chức năng hệ thống 59 4.2.1. Kiểm tra kết nối Ethernet 59 4.2.2. Kiểm tra kết nối màn hình VGA, hiển thị hình ảnh 60 4.2.3. Kiểm tra kết quả giải mã hình ảnh JPEG 61 4.2.4. Kiểm tra kết nối tổng thể toàn hệ thống 61 4.3. Đánh giá giải pháp thực hiện hệ thống 62 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 6 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Sơ đồ quá trình mã hóa JPEG [1]. 12 Hình 1-2: So sánh hệ màu RGB và YCbCr. 13 Hình 1-3: Các kiểu lấy mẫu dữ liệu[3]. 14 Hình 1-4: Sơ đồ khối quá trình giải mã [1]. 14 Hình 1-5: Minh họa phương pháp quét hình ảnh. 15 Hình 1-6: Tín hiệu điện cho một dòng quét trên màn hình CRT [5]. 16 Hình 1-7: Chế độ điều khiển VGA 640×480 [5]. 17 Hình 1-8: Cổng kết nối VGA. 18 Hình 1-9: Các màu cơ bản [5]. 18 Hình 1-10: Kết quả hiển thị. 19 Hình 1-11: Sơ đồ khối cấu trúc của bộ hiển thị hình ảnh VGA 21 Hình 2-1: Kiến trúc chung của FPGA [2]. 23 Hình 2-2: Một Logic Block điển hình 24 Hình 2-3: Khối Logic khả trình. 24 Hình 2-4: Các kết nối khả trình . 25 Hình 2-5: Qui trình thiết kế chip dựa trên VHDL [2]. 26 Hình 2-6: Kit phát triển Spartan-3E [12] 30 Hình 2-7: Các thành phần của Kit Spartan-3E[12]. 31 Hình 2-8: Kiến trúc của Spartan 3E [12]. 32 Hình 2-9: Sơ đồ khối lõi Microblaze [11]. 33 Hình 2-10: Kiến trúc đường ống trong microblaze. 34 Hình 2-11: Hệ thống BUS điển hình của Microblaze [11]. 35 Hình 2-12: Giao diện sử dụng của công cụ XPS. 36 Hình 2-13: Giao diện sử dụng của công cụ SDK 37 Hình 3-1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống. 39 Hình 3-2: Sơ đồ chi tiết hệ thống phần cứng. 40 Hình 3-3: Lựa chọn bo mạch. 42 Hình 3-4: Cấu hình hệ thống. 43 Hình 3-5: Cấu hình vi xử lý. 43 Hình 3-6: Cấu hình các ngoại vi của hệ thống. 44 Hình 3-7: Lựa chọn bộ nhớ đệm. 45 7 Hình 3-8: Cấu hình ứng dụng mẫu cho hệ thống. 45 Hình 3-9: Khởi tạo lõi VGA. 46 Hình 3-10: Cấu hình bus cho lõi VGA. 47 Hình 3-11: Thiết lập tần số hoạt động của lõi VGA. 47 Hình 3-12: Tạo ra phần cứng FPGA. 49 Hình 3-13: Sơ đồ khối hệ thống tạo bởi XPS. 49 Hình 3-14: Mô hình phần mềm của hai lớp ứng dụng. 50 Hình 3-15: Mô hình triển khai hệ thống nhúng trên Spartan-3E. 50 Hình 3-16: Biểu đồ các trường hợp sử dụng. 51 Hình 3-17: Lưu đồ tiến trình hoạt động. 52 Hình 3-18: Lưu đồ truyền tập tin. 53 Hình 3-19: Lưu đồ giải mã ảnh Jpeg. 53 Hình 4-1: Kiểm tra kết nối Ethernet. 60 Hình 4-2: Kiểm tra bộ điều khiển VGA 60 Hình 4-3: Kiểm tra chương trình giải mã JPEG 61 Hình 4-4: Kiểm tra kết nối toàn hệ thống. 62 8 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3-1: Bảng tổng hợp tài nguyên phần cứng của hệ thống 41 Bảng 3-2: Các tín hiệu ngoại vi của lõi VGA 48 Bảng 3-3: Mô tả hàm lwip_socket [4] 54 Bảng 3-4: Mô tả hàm lwip_blind [4] 55 Bảng 3-5: Mô tả hàm lwip_close [4] 55 Bảng 3-6: Mô tả hàm khởi tạo tinyjpeg_init [4] 56 Bảng 3-7: Mô tả hàm duyệt header file tinyjpeg_parse_header [4] 56 Bảng 3-8: Mô tả hàm giải mã ảnh tinyjpeg_decode [4] 57 Bảng 3-9: Mô tả hàm đọc kch thước ảnh tinyjpeg_get_size [4] 57 Bảng 3-10: Mô tả hàm tinyjpeg_get_components [4] 58 Bảng 3-11: Mô tả hàm giải phóng bộ nhớ tinyjpeg_free [4] 58 9 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Mô tả ALU Arithmetic Logic Unit ASIC Application-Specific Integrated Circuit BMP BitMaP image file CLB Configurable Logic Block CPLD Complex Programmable Logic Devices CRT Cathode Ray Tube DCM Digital Clock Manager EDK Embedded Development Kit FPGA Field-Programmable Gate Array GIF Graphics Interchange Format GPIO General Purpose Input Output HS Horizontal Sync IEEE Institue of Electrical and Electronics Engineers IOB Input/Output Block ISE Integrated Software Environment JPEG Joint. Photographic Experts Group LCD Liquid-Crystal Display LUT Look-Up Tables PNG Portable Network Graphics RGB Red - Green - Blue RTL Register Transfer Level SDK Software Development Kit SOC System on Chip TIFF Tagged Image File Format UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter VGA Video Graphics Array VHDL VHSIC Hardware Description Language VHSIC Very High Speed Integrated Circuit VS Vertical Sync XCL Xilinx Cache Link XPS Xilinx Platform Studio [...]... Ứng dụng hiển thị hình ảnh thông qua kết nối Internet đang là vấn đề rất thực tế, phục vụ cho lĩnh vực truyền thông, quảng bá thông tin tại các cơ quan, đơn vị, trường học, hay các doanh nghiệp, hay thậm chí tại các khu chung cư mới hoặc các cơ quan thông tin của phường/xã Chính vì lý do trên, em đã chọn đề tài: Xây dựng hệ thống hiển thị thông tin hình ảnh thông qua mạng Internet để nghiên cứu và... cấp thông tin kịp thời tới người dùng một cách nhanh chóng và chính xác là cần thiết trong xã hội hiện đại Với sự phát triển của công nghệ, ngày nay chúng ta có thể nhận thông tin mọi lúc, mọi nơi một cách nhanh chóng thông qua mạng Internet Các hệ thống hiển thị thông tin truyền thống cũng đang dần được thay thế bằng các màn hình kích thước lớn có kết nối mạng Tuy nhiên, việc truyền nhận và xử lý thông. .. nhận và xử lý thông tin trước khi hiển thị phần lớn vẫn được thực hiện trên các hệ máy tính đa năng với giá thành tương đối cao Việc xây dựng một hệ thống chuyên dụng dạng “system-on-a-chip” để thực hiện việc thu nhận thông tin hình ảnh và hiển thị là cần thiết nhằm tối ưu hoá ứng dụng và giảm giá thành sản xuất Hệ thống này có nhiệm vụ thiết lập kết nối máy chủ thông qua mạng Internet để lấy dữ liệu... Luận văn Thạc sỹ của mình Bố cục của luận văn gồm có bốn phần: Chương 1: Cơ sở lý thuyết về mã hoá và hiển thị hình ảnh Chương 2: Công nghệ nền tảng FPGA và phương pháp xây dựng hệ thống nhúng trên FPGA Chương 3: Hệ thống hiển thị thông tin hình ảnh thông qua mạng Internet Chương 4: Kết quả thực nghiệm và đánh giá 10 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÃ HÓA VÀ HIỂN THỊ HÌNH ẢNH Chương đầu tiên của luận văn... nhanh với các hệ số khác Điều đó có nghĩa là lượng thông tin của 64 điểm ảnh tập trung chủ yếu ở một số hệ số ma trận trong phép biến đổi trên Trong giai đoạn này có sự mất mát thông tin bởi không có một phép biến đổi ngược chính xác, tuy nhiên lượng thông tin mất mát này chưa đáng kể so với các bước sau Ma trận có được sau phép biến đổi cosin rời rạc được lược bớt sự khác nhau giữa các hệ số, đây chính... đặt mấu thử này vào trong hệ thống và kiểm tra hệ thống có làm việc đúng không Nếu làm lần lượt các bước ở trên, hệ thống sẽ hoạt động đúng chỉ với một vài lỗi rất nhỏ Các lỗi này thường được làm việc quanh việc thay đổi hệ thống và thay đổi phần mềm hệ thống Các lỗi này cần được kiểm tra và trích dẫn lại để có thể được sửa chữa trong phiên bản tiếp theo của chip Kiểm tra hệ thống nhúng là cần thiết... hiệu đồng bộ ở mức cao, các tín hiệu màu mang thông tin về màu nền Vùng C, màu cam, là vùng hiển thị hình ảnh Vùng này có kích thước thay đổi được, tối đa là 640×480 điểm ảnh Tùy theo vị trí hiển thị ở điểm ảnh nào trong vùng C mà các tín hiệu R, G, B sẽ mang thông tin màu sắc của điểm ảnh đó Lúc này các tín hiệu đồng bộ luôn đặt ở mức cao Các thông tin về màu sắc của các điểm ảnh sẽ được đọc ra... trên màn hình chuẩn VGA thông qua nguyên lý quét hình ảnh và các tín hiệu màu Để thực hiện việc hiển thị hình ảnh lên màn hình cần có bộ điều khiển tín hiệu tạo các xung đồng bộ đứng và xung đồng bộ ngang để đưa các dòng pixel trong bộ đệm đã được chuyển thành các tín hiệu Red, Green, Blue đến bộ DAC video bên ngoài 21 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ NỀN TẢNG FPGA – PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHÚNG TRÊN FPGA... thông tin dư thừa dựa trên sự nghiên cứu về thị giác của con người Khi nghiên cứu về lý thuyết và hiển thị hình ảnh, chúng ta xét đến không gian màu YUV được tạo bởi một độ sáng và hai thành phần màu Thị giác của con người rất nhạy cảm với thành phần Y và kém nhạy cảm với hai thành phần U và V Dựa trên đặc tính này của mắt con người, phương pháp JPEG đã tách những thông tin dư thừa của ảnh và nén thông. .. cần thiết ở giai đoạn này để đưa ra kết quả rằng toàn bộ hệ thống đều hoạt động đúng khi kết hợp với nhau Khi các chíp được đưa vào sản xuất, cần có một vài kiểm tra burn-in trong hệ thống để test thường xuyên hệ thống qua thời gian dài Nếu một chip được thiết kế đúng, thì nó chỉ bị hỏng khi lỗi điện học hoặc lỗi cơ học 2.2.2 Giải pháp thiết kế hệ thống sử dụng bộ công cụ của hãng Xilinx Xilinx là nhà . tạo tinyjpeg_init [4] 56 Bảng 3-7: Mô tả hàm duyệt header file tinyjpeg_parse_header [4] 56 Bảng 3-8: Mô tả hàm giải mã ảnh tinyjpeg_decode [4] 57 Bảng 3-9: Mô tả hàm đọc kch thước ảnh tinyjpeg_get_size. THÔNG TIN HÌNH ẢNH THÔNG QUA MẠNG INTERNET LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2014 5 2.2.1. Trình tự thi t kế một vi mạch FPGA 27 2.2.2. Giải pháp thi t. HIỂN THỊ THÔNG TIN HÌNH ẢNH THÔNG QUA MẠNG INTERNET 39 3.1. Mô tả ý tưởng thi t kế hệ thống 39 3.2. Hệ thống phần cứng 40 3.2.1. Xây dựng hệ thống phần cứng trên chip 41 3.2.2. Thi t kế ngoại