摘 要

随着计算机、通讯、多媒体技术的进步，图像的应用越来越普遍，图像处理领域压缩编码技术的重要性日益凸显，其中由国际标准化组织推出的JPEG静态图像压缩标准应用最早也最为广泛。

本文在简要介绍JPEG图像压缩系统的基础上，充分研究了其算法原理，将其细分为彩色空间转换、DCT变换、量化、Zigzag扫描、熵编码五大模块，完成了对其基于Quartus II平台的Verilog HDL语言编码设计，并分别在Quartus II内部进行了RTL级仿真及在modelsim平台进行了波形仿真，其中数据的输入由激励文件单独加载入系统，且包含了一部分结果对比函数，对系统部分输出的查验可直接在modelsim状态栏中读出，各性能指标均达到预期的基本要求。

本课题认真研究了JPEG编码器的算法，对其进行了系统化的设计仿真，对其它压缩编解码器的设计及硬件平台的实现有一定的借鉴意义。

关键字：JPEG；算法；仿真；图像压缩

Abstract

With the development of computer, communication and multimedia technology, image is used more and more widely, the importance of image processing compression encoding technology has been increasingly prominent, the JPEG static image launched by the international organization for standardization compression standard is used the earliest and most widely.

Based on the brief introduction of the JPEG image compression system, this paper studies the principle of the image compression system, and it is divided into five modules: color space conversion, DCT transform, quantization, Zigzag scan and entropy coding.This paper completed coding design based on Verilog HDL language of Quartus II platform, and the RTL simulation is carried out in the Quartus II platform and waveform simulation is carried out in the modelsim platform, including data input by the incentive file loaded into the system alone, and contains a part of the function. he results of the system output part inspection can be read directly in the modelsim status bar, and the basic requirements of various performance indexes reach the expected.

This topic of JPEG encoder algorithm without the innovation and improvement, but the algorithm simulation, the design of the system has the certain reference value to other compression codec design and the realization of the hardware platform.

Key words：JPEG；algorithm；simulation；image compression

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 图像压缩的技术可行性 1

1.3 国内外研究现状 1

1.4 设计与仿真平台 2

1.5 课题主要工作及文章结构 2

第2章 图像压缩编码技术及JPEG原理 4

2.1 图像压缩编码基本原理 4

2.2 几种较先进的压缩技术 4

2.3 JPEG标准基本原理 6

2.3.1 色彩空间转换与图像分块 7

2.3.2 DCT处理 8

2.3.3 系数量化 8

2.3.4 zig-zag扫描与AC、DC系数处理 10

2.3.5 熵编码 10

2.4 Verilog HDL基本设计思想 13

2.4.1 自顶向下设计思想 13

2.4.2 流水线设计思想 14

第3章 JPEG编码器算法设计与仿真 16

3.1颜色空间转换模块 16

3.2 DCT与Z形扫描模块 17

3.2.1 结构设计与原理图 17

3.2.2 仿真结果分析 22

3.3 量化模块 24

3.3.1 结构设计与原理图 24

3.3.2 量化模块仿真 25

3.4 行程编码模块 26

3.4.1 结构设计与原理图 26

3.4.2 行程编码模块仿真结果 27

3.5 熵编码模块 28

第4章总结与展望 30

4.1 本文的工作总结 30

4.2 展望 30

参考文献 31

致谢 32

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

图像是现代社会重要的信息载体之一，其形象、直观、信息储量大的特点使它在现代通信与信息处理中承担着十分重要的作用。

人眼所看到的自然界中的图像都是模拟信号量，而计算机只能对数字信号进行处理，所以要对模拟图像进行数字化处理，但数字化过后又存在一个问题，就是数字图像的数据量极其巨大，以1024×720分辨率的图片为例，若用24bit来表示一个像素，则图片的大小将达到2200KB，假如以25帧每秒的速度来播放，那么实时的通信带宽需要55MB/s，对图像的存储、传输、处理都有极高的要求^[1]，在现有的技术水平下搭建其需要的硬件传输环境并不现实，因此图像压缩技术应运而生。

1.2 图像压缩的技术可行性

模拟图像中的色彩在一般在一定的区域中是连续性的，所以转换为数字图像之后，在相应的区域下用来表示的像素值之间的相关性是很强的，而这种相关性其实造成了图像信息的冗余，包括诸如人眼、频间、空间乃至时间的冗余。

典型的如数字图像的能量分布在频域中是不均匀的，能量大部分集中在低频部分，而高频和中频部分相对低频则分布较少。根据这一特点，可以将图像进行频域的转换，然后对变换后的频域信号进行处理，滤除能量较少的高频或者用较短的编码表示，而保留能量集中的低频信号并用长度较长的编码表示，可以有效的降低数据量且保留大部分的信息。