基于双FPGA+ARM架构的图像压缩系统

　　对于图像经过FPGA压缩后的码流，系统采用ARM芯片进行管理，该芯片为Cirrus Logic公司的工业级嵌入式处理器EP9315[8]。该处理器具有ARM920T核，最高主频达200 MHz，并具有丰富的外围接口，包括网络、USB、音频等。FPGA和ARM之间通信由I2C总线完成，当FPGA完成一帧图像压缩后，通过FPGA的GPIO发送一个终端信号给ARM，并准备好一帧码流长度等信息。ARM中断服务程序响应该中断，通过I2C接口读走码流长度，通过映射SRAM的方式从FPGA读取压缩码流到ARM内存，然后以文件的形式存储码流到本地硬盘，或者通过网络发送到远端服务器。

　　2 实验结果与性能

　　2.1 算法性能验证

　　系统设计初期，用软件对算法的性能进行了验证。在PC上对一组Lena等标准图像进行压缩，得到不同的重建图像，对重建图像求解PSNR值，式(2)为PSNR计算公式。其中Mean Square Error(MSE)表示原始图像和重建图像对应像素的均方误差值。

　　表1为本系统采用算法与JPEG及JPEG2000对标准图像压缩后重建图像的PSNR比较。从表中可以看出，本系统采用算法远优于JPEG，接近JPEG2000。PSNR值的比较以压缩比(对应表中Bitrate)为基准，即在相同压缩比的情况下对比PSNR值。

　　2.2 硬件实现和硬件压缩

　　硬件系统电路板采用10层板制作工艺，电路板面积为30.8 cm×16.7 cm，在100 MHz工作频率下对系统测试，结果表明系统工作稳定。表2为系统对1 600×1 200、1 280×1 024和1 024×768三种常见分辨率的计算机屏幕进行的记录，记录的图像源采用了各类计算机屏幕常见图像，如Word文档、PPT文件、动态雷达图像和一段视频。其中，PPT的平均翻页速度为60 s。由表2可以看出，系统对于Word文档、PPT文档等只有局部变化的图像能够达到非常高的压缩比，压缩帧率约为60帧/s。

　　本文结合应用提出图像压缩算，以FPGA为核心计算平台，设计了一套计算机屏幕图像记录系统。系统实现了对1 280×1 024×24 bit图像每秒记录27帧，对1 600×1 200×24 bit图像每秒记录17帧，对PPT、Word文档等只有局部变化的屏幕图像每秒可记录60帧，且压缩后重建图像质量优于JPEG，与JPEG2000接近。同时，对于压缩后的码流，系统采用ARM以文件的方式管理，有利于码流本地存储以及通过网络传输等灵活的应用。另外，系统支持多种输入接口，提高了硬件系统的灵活性，具有广阔的应用前景。