基于Altera Cyclone V SoC的JPEG编码分析

Bazinga

H.264等视频压缩算法在视频会议中是核心的视频处理算法，它要求在规定的短时间内，编解码大量的视频数据，目前主要都是在DSP上运行。未来在添加4k*2k、H.265编解码等功能，并要求控制一定成本的情况下，面临DSP性能瓶颈的问题，所以希望部分算法可以下放到FPGA来实现,借助FPGA并行处理的优势，来加速整个系统。
基于Altera Cyclone V SoC平台的试验可行性分析

1.JPEG图像压缩算法与H.264等视频压缩算法，有一定的相似性，并要简单很多，有一定的借鉴意义，故本次短期试验使用JPEG算法来验证该SOC平台；

2.JPEG压缩算法如果完全在FPGA上用Verilog HDL语言实现，有一定难度，并且开发周期很长，而C语言源码，已经比较成熟，移植到ARM比较简单；

3. 经考察，Altera Cyclone V SoC平台，拥有两颗速度高达800MHz的Cortex A9内核，并有大容量的逻辑单元，和高速收发模块。FPGA与ARM之间的AXI标准总线，速度更是高达100Gbit，对传输高清视频数据，即使 4K*2K也是绰绰有余。
试验过程

JPEG是Joint Photographic Experts Group的缩写，即ISO和IEC联合图像专家组，负责静态图像压缩标准的制定，这个专家组开发的算法就被称为JPEG算法，并且已经成为了大家通用的 标准，即JPEG标准。JPEG压缩是有损压缩，但这个损失的部分是人的视觉不容易察觉到的部分，它充分利用了人眼对计算机色彩中的高频信息部分不敏感的 特点，来大大节省了需要处理的数据信息。

JPEG编码中主要涉及到的内容主要包括：

1. Color Model Conversion(色彩模型)

2. DCT(Discrete Cosine Transform离散余弦变换

3. 重排列DCT结果

4. 量化

5. RLE编码

6. 范式Huffman编码

7. DC的编码




本次试验ARM侧运行LINUX操作系统，并将Color Model Conversion部分，下发给FPGA侧来实现，如上图，黄色区域标记。其中ARM核与FPGA的数据交互运用了HPS-to-FPGA x64 Bridge，该总线的读写操作都是在MMAP（将底层地址空间映射到用户层）后，通过使用HWlib库函数来实现。在FPGA侧，运用Qsys工具，添 加Application_logic用户逻辑模块，来实现Color Model Conversion功能，如下图黄色区域标记。



试验结果

1. 整个编码过程正常，以下左侧为编码前的真彩.bmp格式图片，右侧为编码后的.jpg格式图片。




2. 通过调用LINUX操作系统时钟函数gettimeofday(&tv,&tz)的方式，统计Color Model Conversion部分在ARM侧运行，和在FPGA侧运行消耗的时间：




从表中可以看出，FPGA在大数据量的处理时，能发挥并行的优势，使运算速度得到提升。因试验开发程度有限，所以速度提升不是很明显。相信在将更多数据处理任务交给FPGA完成后，能获得更高的系统性能。
试验结论

1. Cyclone V SOC有ARM核的存在，可以运用成熟的C语言代码，缩短开发时间；

2. Cyclone V SOC有大量逻辑单元，可以协助处理大量数据，提高系统性能；

3. Cyclone V SOC成本低廉，满足成本控制要求。