一种超高速图像实时压缩方法
【专利摘要】本发明公开了一种高帧率实时图像压缩方式，采用完全流水线的方式压缩视频，压缩率可达20~30倍。本发明涉及一种超高速图像实时压缩和传输技术，特别是超高速工业相机的实时图像压缩和传输技术，可用于100帧/秒以上的实时图像传输，每秒传输的数据量超过600M字节。本发明专利采用如下的技术解决方案：第一步，通过实时图像控制器产生像素的同步时钟；第二步，利用同步像素作参考，将图像信息送入实时流水线结构的图像压缩电路。本发明可应用于多领域，例如汽车碰撞试验，火焰喷射试验，以及慢动作商业广告等等。
【专利说明】一种超高速图像实时压缩方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超高速图像实时压缩和传输技术，特别是超高速工业相机的实时 图像压缩和传输技术，可用于100帧/秒以上的实时图像传输，每秒传输的数据量超过600M 字节。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着集成电路、(XD、CM0S传感器以及操作系统等技术的发展，超高速摄像 机已经进入实用性阶段，国产高速摄像机已经在130万像素下，可以达到150帧/秒的采集 速度；而国外的同类产品可以在200万像素下，达到2000帧甚至更高的采集速度。越来越 多的领域中可以看到高速、超高速摄像机的应用，例如汽车碰撞试验，火焰喷射试验，以及 慢动作商业广告等等。
[0003]目前，国内外超高速摄像机均采用快速采集，慢速传输的方式，摄像机内设置了大 量存储器，在采满之后就只能停止摄像，等到所有的图像数据导出之后才能继续进行采集， 所以目前国际上存储时间最长的摄像机只能高速录像13秒，超过13秒的图像将无法记录。
【发明内容】
[0004] 本发明公开了一种高帧率实时图像压缩方式，采用完全流水线的方式压缩视频， 压缩率可达20 ~ 30倍。本发明要解决的技术问题是提供一种超高速的图像实时传输方 法，该方法通过实时压缩算法将图像数据进行逐帧压缩，使数据量达到传输带宽需求，实现 图像数据的实时传输，并可以进行长时间存储，本方法适用于超过100帧/秒的高速、超高 速摄像机。
[0005] 本发明专利采用如下的技术解决方案： 第一步，通过实时图像控制器产生像素的同步时钟。
[0006] 第二步，利用同步像素作参考，将图像信息送入实时流水线结构的图像压缩电路。
[0007] 第三步，在图像压缩电路内对图像进行实时压缩。
[0008] 第四步，图像压缩的同时，将压缩好的数据流通过以太网、LVDS线或USB等方式送 出。
[0009] 本发明的有益效果是，以同步的像素时钟作为参考，以确保图像压缩的同步性，保 证了下一帧图像到来之时，当前帧图像已经完成运算；再通过高速实时压缩电路将图像数 据压缩为可容忍的数据量，确保达到实时传输的需求，解决了高速、超高速摄像机传输难， 数据存储难的问题，极大地拓宽了高速、超高速摄像机的应用领域，以130万像素、150帧/ 秒的彩色摄像机为例，采用本方法的摄像机可以实现1小时以上的实时图像存储。
[0010] 为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案： 一种基于fpga的高速JPEG压缩处理器，其特征在于，该处理器包括： 一种并行的DCT快速运算单元，可以同时完成6路YUV8x8块运算，即在同一时刻同时 处理YUV420的YUV分量； 一种多端口的数据缓冲器，具有8个端口的并行存储器，用于保存基8DFT之后的临时 数据，以便完成DCT变换。
[0011] 一个地址生成器器，生成的地址用于完成基8快速傅里叶运算后数据的多路存和 取，存储到多路的运算结果可以直接用到DCT的二维频率变换。
[0012] 一个实时除法器单元，这种除法器需要完成单时钟周期内完成两个有限位宽的整 数除法。
[0013] 一个地址生成器，计算产生Zig-Zag变换所需要的地址，用于数据量化后的存储 地址。
[0014] 一个流水线输出的游程编码模块，该模块按照流水线方式输出游程编码后的结 果，满足实时性需求 一个Huffman编码系数储存器，用于量化后的频率系数值查表获得Huffman结果，提高 编码效率。
[0015] 本发明采用完全流水线的方式处理视频JPEG压缩：图像数据首先进入色彩转换 模块，其包括RGB转换为YUV的模块，之后还要根据转换后的结果将图像分区，分为16x16 的基本处理单元；再讲分区后的单元分成4块8x8的Y分量单元，1块8x8的U分量单元和 1块8x8的V分两单元，8x8图像数据同时送入6路DCT变换模块内部，两块多端口的数据 缓冲器可以交替储存基8快速傅里叶变换单元的数据，完成整个DCT的数据缓存；DCT处理 后的数据在读出多端口的数据缓冲器时直接进入实时除法器单元，这种除法器单元单时钟 内完成除法运算，也就可以完成量化过程；量化后的数据进入量化模块的缓存器，进入的量 化模块的缓存器时，同时会产生Zig-Zag变换的地址，根据这个地址，量化后的数据存入缓 冲器时，已经可以完成Zig-Zag变换；最后数据从量化缓存器读出进入游程编码模块，新进 入的数据存入缓存器时，需要计算该数据前面〇的个数，因此除了该数据需要与〇比较，还 需要读出前一个数据的前面〇的个数，将两个〇数目合并后，将结果存入缓存器；最后根据 这个结果查表获得Huffman编码结果。上述处理过程完全是流水线操作，且数据在可编程 逻辑器件内，不同现有一些算法，可以做到完全实时操作。
[0016] 本发明基于完全流水线及并行的方式处理视频JPEG压缩算法，带来的技术效果 是： (1)如果采用完全流水线的方式，并增加关键运算单元处理视频JPEG压缩，可以做到 完全实时处理。特别是针对大分辨率和高帧频的视频压缩，采用这种全流水线方式处理，在 压缩过程中，视频流完全不需要外部的存储介质来暂存数据，保证了数据实时性，这在目前 已有的压缩算法中是不具备的。
[0017] (2)本发明可以在通用可编程逻辑器件上无缝移植，不同于专用硬件处理芯片实 现的JPEG压缩，本发明的压缩算法具有更高的移植性和通用性，同时可编程逻辑器件具有 硬件的特性，可以达到硬件处理的性能。
[0018] (3)此外，本方法采用流水线方式处理JPEG压缩，除了占用可编程逻辑器件丰富 的内部存储资源外，并没有额外占用其它资源，但JPEG压缩处理效能大大提高了。
【专利附图】
【附图说明】 图1是JPEG压缩整体框图，图2是色彩转换单元，图3是DCT单元，图4是量化单元， 图5是游程编码单兀，图6是Huffman编码单兀。
【具体实施方式】
[0019]基于完全流水线的方式处理视频JPEG压缩算法整体处理流程框图如图1所示，该 芯片整体包括：一个色彩转换单元，包含一个色彩转换单元、一个图像分区单元以及数据缓 冲模块；一个DCM处理单元，里面包含两块多端口的数据缓冲器、基8的傅里叶变换单元和 地址生成器；一个量化单元，里面包含一个实时除法器、Zig-Zag变换地址生成器、数据缓 存器等；游程编码单元，包含数据缓冲器、0比较器和求和单元；Huffman编码，包含一个DC 结果缓存、Huffman系数表和结果缓冲器。
[0020]色彩转换单元如图2所示，色彩转换模块将输入的RGB数据转换为YUV，其根据输 入的RGB数据，直接进行矩阵的乘，完成RGB到YUV空间的转换，转化后的YUV数据按分量 分别进行图像区域的划分。转换矩阵如下所示：
【权利要求】
1. 一种超高速JPEG图像实时图像压缩方法，其特征在于：该压缩方法将包含： 一种并行的DCT快速运算单元，可以同时完成6路YUV8x8块运算，即在同一时刻同时 处理YUV420的YUV分量； 一种多端口的数据缓冲器，具有8个端口的并行存储器，用于保存基8 DFT之后的临时 数据，以便完成DCT变换； 一个地址生成器器，生成的地址用于完成基8快速傅里叶运算后数据的多路存和取， 存储到多路的运算结果可以直接用到DCT的二维频率变换； 一个实时除法器单元，这种除法器需要完成单时钟周期内完成两个有限位宽的整数除 法；一个地址生成器，计算产生Zig-Zag变换所需要的地址，用于数据量化后的存储地址； 一个流水线输出的游程编码模块，该模块按照流水线方式输出游程编码后的结果，满 足实时性需求； 一个Huffman编码系数储存器，用于量化后的频率系数值查表获得Huffman结果，提高 编码效率。
2. 如权利要求1所述权利在FPGA上运行的实时DCT变换方法，其特征在于两个多端口 缓存块轮流存取和读取完成DCT的运算过程；同时在读和写多端口缓存块以完成DCT过程 中，实时进行累加和更新基8的DFT的结果。
【文档编号】H04N19/625GK104349168SQ201410391188
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年8月11日 优先权日:2014年8月11日
【发明者】王超, 田玉松 申请人:大连戴姆科技有限公司