推荐|FPGA实现JPEG-LS图像压缩，有损无损可配置，提供工程源码和技术支持

1、前言

JPEG-LS（简称JLS）是一种无损/有损的图像压缩算法，其无损模式的压缩率相当优异，优于 Lossless-JPEG、Lossless-JPEG2000、Lossless-JPEG-XR、FELICES 等。

本设计使用system verilog语言设计了一个JPEG-LS图像压缩加速器，输入数据为8位的灰度图，输出数据为JPEG-LS图像压缩后的16位数据，集成了有损和无损两种压缩方案，可通过顶层参数配置，选择有损压缩时还有1~7的7个有损压缩等级可配置，实用性和灵活性很高；一并提供了加速器的仿真源文件，可通过vivado或其他软件进行仿真，文章后面有详细的仿真教程；

本文详细描述了JPEG-LS图像压缩加速器及其仿真的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，但目前只做到了仿真层面，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的数字成像和图像压缩领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、JPEG-LS图像压缩理论

JPEG-LS图像压缩算法介绍可以百度一下或者csdn或者知乎搜一下看看，专业的讲解我不擅长，我只擅长用fpga实现算法，专业讲原理的大佬比我讲得好，这里可以推荐一篇阅读量很大的文章：直接点击前往

3、JPEG-LS图像压缩性能介绍

首先看看在Xilinx Artix-7 xc7a35tcsg324-2 上综合和实现的资源消耗：
在这里插入图片描述
35MHz 下，图像压缩的性能为 35 Mpixel/s ，对 1920x1080 图像的压缩帧率是 16.8fps；
理论上支持任意分辨率图片的压缩；

4、JPEG-LS图像压缩时序介绍

首先看看PEG-LS图像压缩加速器顶层接口：
在这里插入图片描述
注意仔细看每个接口对应的注释，看懂了接口才能理解时序；

下图展示了压缩 2 张图像的输入时序图（//代表省略若干周期，X代表don’t care）。其中图像 1 在输入第一个像素后插入了 1 个气泡；而图像 2 在 i_vs=1 后插入了 1 个气泡。注意图像间空闲必须至少 16 个周期。
在这里插入图片描述
代码量不大，加上注释和隔行一共才856行，如下：

5、JPEG-LS图像压缩输出压缩流

在输入过程中，JPEG-LS图像压缩同时会输出压缩好的 JPEG-LS流，该流构成了完整的 .jls 文件的内容（包括文件头部和尾部）。o_de=1 时，o_data 是一个有效输出数据。其中，o_data 遵循大端序，即 o_data[15:8] 在流中的位置靠前，o_data[7:0] 在流中的位置靠后。在每个图像的输出流遇到最后一个数据时，o_last=1 指示一张图像的压缩流结束。

6、工程源码和仿真

开发板FPGA型号：Xilinx xc7k325tffg676-2；
开发环境：Vivado2019.1；
运行：Vivado在线仿真；

仿真是将指定文件夹里的 .pgm 格式的未压缩图像批量送入 JPEG-LS图像压缩加速器进行压缩，然后将 JPEG-LS图像压缩加速器的输出结果保存到 .jls 文件里，最后通过工具查看.jls图片；

工程代码架构如下：
在这里插入图片描述
仿真流程为：
第一步：
添加源码并开启行为仿真：

运行中可能会出现如下信息导致仿真失败：

解决办法：在Tcl中输入以下指令并回车：
set_property display_limit 134217728 [current_wave_config]

第二步：
点击开始仿真：
在这里插入图片描述
该仿真需要运行十几分钟；

仿真完后可以看到仿真了8张图片，产生了8个sof；

仿真的输入和输出：
共准备了9张.pgm 格式的未压缩图像作为输入源，路径如下：
在这里插入图片描述
经过十几分钟的漫长仿真后，输出8张压缩后的.jls图片，路径如下：

输入输出的对比：
输入的.pgm 格式的未压缩图像我在Win10系统中可以直接打开；
输出的压缩后的.jls图片我在Win10系统中不能打开，可以使用下面某网站打开：
某网站：点击前往
在这里插入图片描述
最后查看原图和压缩后的图比较：

另外，你还可以修改一些仿真参数来进行别的玩儿法：
修改 tb_helai_jpeg_jls_EC.sv 里的宏名 NEAR 来改变压缩率。
修改 tb_helai_jpeg_jls_EC.sv 里的宏名 BUBBLE_CONTROL 来决定输入相邻的像素间插入多少个气泡：
BUBBLE_CONTROL=0 时，不插入任何气泡；
BUBBLE_CONTROL>0 时，插入 **BUBBLE_CONTROL **个气泡；
BUBBLE_CONTROL<0 时，每次插入随机的 0~(-BUBBLE_CONTROL) 个气泡；
在不同 NEAR 值和 BUBBLE_CONTROL 值下，本库已经经过了几百张照片的结果对比验证，充分保证无bug；