Cấu trúc vi mạch nén ảnh

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - HOÀNG TRANG CẤU TRÚC VI MẠCH NÉN ẢNH MICROCIRCUIT ARCHITECTURE FOR IMAGE COMPRESSION Chuyên ngành : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN – ĐIỆN TỬ Mã số ngành : 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2004 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN NHƯ ANH ThS HỒ TRUNG MỸ (Họ tên, học hàm học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Họ tên, học hàm học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Họ tên, học hàm học vị, chữ ký) Luận văn thạc só bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ……… tháng ……… năm 2004 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghóa Việt Nam Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc o0o NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên : Hoàng Trang Phái : Nam Ngày tháng năm sinh : 01 - 05 - 1979 Nơi Sinh : Nha Trang Chuyên Ngành : Kỹ Thuật Vô Tuyến – Điện Tử Mã Số : 2.07.01 I TÊN ĐỀ TÀI: CẤU TRÚC VI MẠCH NÉN ẢNH II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tổng quan nén ảnh Thiết kế số với VHDL công nghệ FPGA Thiết kế mô hình thực hiện, phần cứng thực Thiết kế cấu trúc vi mạch cho nén ảnh, giải nén ảnh Phân tích cấu trúc vi mạch, thời gian thực hiện, công suất, tài nguyên phần cứng, kích thước ảnh áp dụng Đề nghị cải tiến Phân tích thông số đánh giá hướng đề nghị chuẩn JPEG Tổng kết, kết luận III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 09 – 02 – 2004 IV NGAØY HOAØN THAØNH : 09 – 07 – 2004 V HỌ VÀ TÊN CB HƯỚNG DẪN : Õ TS NGUYỄN NHƯ ANH ThS HỒ TRUNG MY Cán Bộ Hướng Dẫn Chủ Nhiệm Ngành Bộ Môn Quản Lý Ngành - - - Nội dung đề cương luận văn thạc só hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày …… tháng …… năm 2004 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH Lời Cảm Ơn Em xin gởi đến thầy Hồ Trung Mỹ, cô Nguyễn Như Anh kính trọng lòng biết ơn sâu sắc dìu dắt, dạy bảo, hướng dẫn tận tình Và em xin chân thành cảm ơn nhiều đến thầy cô tận tình bảo truyền đạt cho em kiến thức quý báu suốt năm học cao học ngành Vô Tuyến Điện Tử., Khoá 13, Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh Cuối cùng, chân thành cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè hỗ trợ trình thực đề tài TP.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2004 Hoàng Trang MỤC LỤC Lời cám ơn Tài liệu tham khảo Lý lịch khoa học Giới thiệu GIỚI THIỆU 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1-1 1.2 TỔ CHỨC CỦA BÁO CÁO LUẬN VĂN 1-2 1.3 CÁC CÔNG VIỆC LIÊN QUAN 1-3 HVTH : Hoàng Trang Giới thiệu 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Hiện nay, việc nén ảnh video số ứng dụng rộng rãi truyền hình số; hội nghị mạng; điện thọai di động có hình ảnh; lưu trữ phim ảnh CD; loại đầu máy VCD, DVD; tiện ích mạng chat dùng webcam Đã có nhiều viết kỹ thuật nén ảnh, video học giả, có nhiều tổ chức nghiên cứu đưa chuẩn cho việc nén ảnh, video Trong đó, chuẩn nén MPEG, JPEG phát triển mạnh nhất, công nhận ứng dụng rộng rãi giới nhiều tổ chức khác chấp nhận, sử dụng Tuy nhiên, chuẩn MPEG, JPEG phổ biến mặt sơ đồ khối giải thuật; cấu trúc vi mạch ASIC HDL mô tả MPEG, JPEG hòan tòan giữ bí mật Hơn tổ chức nghiên cứu khác, để thực thi MPEG, JPEG lên ASIC việc khó khả thi trình nghiên cứu, thực nghiệm lâu dài Chế tạo vi mạch ASIC dựa HDL phát triển giới từ năm 90 Các vi mạch phát triển đa dạng ứng dụng rộng rãi giới nhiều lónh vực Tại nước ta nói chung TP.Hồ Chí Minh nói riêng, việc đầu tư phát triển Tại TP.Hồ Chí Minh, trung tâm công nghệ cao Thủ Đức trình hình thành dự kiến năm 2010 hoàn thành Dù bước đầu nghiên cứu xu hướng ứng dụng vi mạch thiết kế hứa hẹn mang lại nhiều kết khả quan lónh vực Đề tài luận văn trình bày cấu trúc vi mạch cho nén ảnh dựa DCT cho đạt yêu cầu thời gian nhanh, tài nguyên phần cứng tối ưu để đảm bảo tính xử lý thời gian thực Đồng thời, cải tiến phần giải thuật nén ảnh với mục tiêu tăng tốc độ tính toán, giảm bớt tài nguyên phần cứng Ứng dụng nén dựa DCT: • Nén, lưu trữ ảnh • Nén liệu,tiếng nói • Nén Video • Trong JPEG, MPEG1, MPEG2 • Truyền hình cáp dùng chuẩn MPEG2 để nén, giải nén video cho việc phát quảng bá • Vệ tinh quảng bá trực tiếp DBS (Direct Broadcast Satellite) dùng chuẩn MPEG2 • HDTV (High-Definition TeleVision) • DVD dùng chuẩn MPEG2 HVTH : Hoàng Trang 1-1 Giới thiệu • nh y học • Nhận dạng ảnh 1.2 TỔ CHỨC BÁO CÁO LUẬN VĂN Báo cáo đề tài luận văn tổ chức sau : • Chương : giới thiệu tổng quan đề tài luận văn • Chương : trình bày khái quát vấn đề nén ảnh, thông số toán học, sở nén ảnh, bước nén ảnh Trong đó, có phân tích tính chất phép biến đổi DCT, IDCT hai chiều • Chương : mô tả phương pháp thiết kế số với VHDL, công cụ hỗ trợ số vấn đề công nghệ FPGA • Chương : đưa mô hình thiết kế, thử nghiệm phần cứng thực đề tài • Chương : trình bày thiết kế cấu trúc vi mạch cho nén ảnh, giải nén ảnh Trong phần thiết kế, đưa thông số tài nguyên phần cứng, thời gian thực công suất tiêu thụ Dựa vào làm sở để so sánh, đánh giá cách thiết kế khác nhau; giải thuật đề nghị vàchuẩn JPEG trình bày chương • Chương : phân tích, so sánh kết dựa chương Đồng thời, có đề cập phân tích tầm quan trọng vấn đề thời gian thực hệ thống nén video, đưa công thức mối quan hệ thời gian thực kích thước ảnh để thỏa mãn ứng dụng video • Chương : trình bày kết luận, đánh giá hướng phát triển đề tài 1.3 CÁC CÔNG VIỆC LIÊN QUAN HVTH : Hoàng Trang 1-2 Giới thiệu Ngoài nhiệm vụ luận văn thiết kế cấu trúc vi mạch cho nén ảnh dựa DCT, nghiên cứu thiết kế mạch giao tiếp với máy tính để thực mô hình thi công minh hoạ cho đề tài, chuyển đổi ảnh sang định dạng HEX theo chuẩn hãng Intel ngược lại Bên cạnh đó, phần quan trọng để thực thi nén ảnh FPGA, phải hiểu rõ FPGA ngôn ngữ VHDL để lập trình cho thiết bị Công cụ để thực đề tài : + Phần mềm Xilinx Foundation 3.1, Webpack 5.7, ModelSim 5.7 (phục vụ cho việc thiết kế cấu trúc vi mạch) + Phần mềm Matlab 6.5 (phục vụ cho việc chuyển đổi ảnh sang định dạng HEX ngược lại; tính toán PSNR, RMSE) + Phần mềm Visual C++ 6.0 (phục vụ cho việc giao tiếp mạch phần cứng máy tính) + Phần cứng XSA100 với FPGA SPARTAN2 HVTH : Hoàng Trang 1-3 Các vấn đề nén ảnh CÁC VẤN ĐỀ VỀ NÉN ẢNH 2.1 MỞ ĐẦU 2-1 2.2 MÔ HÌNH NEÙN VIDEO 2-2 2.3 CÁC THÔNG SỐ TRONG NÉN ẢNH 2-2 2.3.1 Xác định hiệu trình nén tín hiệu số 2-2 2.3.2 Độ dư thừa số liệu 2-3 2.3.2.1 Dư thừa mã 2-4 2.3.2.2 Dư thừa pixel 2-4 2.3.2.3 Dư thừa tâm sinh lý 2-4 2.3.3 Sai lệch bình phương trung bình RMS hệ số biên độ đỉnh tín hiệu nhiễu (PSNR) 2-5 2.3.4 Tỉ số neùn 2-5 2.4 LÝ THUYẾT THÔNG TIN – ENTROPY 2-6 2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP NÉN 2-7 2.5.1 Nén không tổn hao 2-8 2.5.1.1 Mã hoá với độ dài (của từ mã) thay đổi (VLC) 2-8 2.5.1.2 Mã hoá với độ dài (của từ mã) động (RLC) 2-8 2.5.1.3 Sử dụng khoảng xoá mành dòng 2-9 2.5.2 Nén có tổn hao 2-9 HVTH : Hoaøng Trang P_comp4a: process (RST,CLK) begin if (RST = '1') then addsub4a_comp '0'); save_sign4a