[发明专利]运行时可重构的嵌入式安全实时图像压缩系统

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种运行时可重构的嵌入式安全实时图像压缩系统。

背景技术

随着多媒体技术和网络通信技术的飞速发展，特别是近年来物联网的发展，极大地促进了人们对实时图像和视频信息的需求。传统实时图像及视频的传输主要采用有线的方式，这大大降低了实时图像视频采集设备的移动性和易用性。为解决这个问题，可改用目前正处于快速发展阶段的无线网络，但是无线网络带宽非常有限、安全性较低底，因此必须先解决这些问题，才能使无线网络传输成为可能。对原始图像进行压缩，减少图像大小，无疑是解决带宽问题的一个有效办法。在目前众多图像压缩算法中，又以JPEG最为常用。所谓JPEG，是联合图象专家组(Joint Picture Expert Group)的英文缩写，是一个在国际标准组织(ISO)下从事静态影像压缩标准制定的委员会。该标准具有较高的压缩效率和较低的图像失真，已成为图像压缩领域国际通用的标准之一，与JPEG2000相比，实现复杂度较低，更适合用于资源有限的嵌入式设备中。

从技术实现的角度看，目前嵌入式领域主要采用三种方式来实现图像采集压缩。第一种，采用单独的微控制器（MCU），这种实现方式成本较低，但是MCU运算能力有限，远远无法达到实时要求。第二种采用微控制器+数字信号处理器（DSP）的方式，这种实现一定程度上克服了MCU运算能力不足的缺陷，但成本大大提高，而且不利于系统的集成。第三种也是最主流的一种，采用专用图像压缩处理芯片（ASIC），但是专用图像处理芯片灵活性较差，编码方式固定，且传输中采用的是标准JPEG文件交换格式（JFIF），不仅不安全，而且每幅图像都包含大量相同的文件头信息，占用了宝贵的带宽资源。

发明内容

本发明的目的就是为弥补现有技术的不足，本发明提出了一种运行时可重构的嵌入式安全实时图像压缩系统，它适用于采用无线传输的实时图像采集处理的应用环境中，例如无线监控。整套系统基于ARM和FPGA平台，ARM作为核心控制单元，提供与无线模块的通信接口，负责与上位机通信，接收从上位机传输的加密的部分可重构配置文件并发送压缩好的图像数据到上位机；另外管理重构过程，解密部分可重构配置文件并控制进行FPGA的重构。FPGA作为JPEG图像压缩加速器，通过并行处理、流水线技术来加速图像压缩过程。并且通过运行时可重构技术，动态改变量化模块和Huffman 编码模块，增强了安全性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种运行时可重构的嵌入式安全实时图像压缩系统，它包括图像采集模块、数据处理模块、无线通信模块和供电模块；其中，图像采集模块负责采集原始图像并暂存图像；数据处理模块从图像采集模块中获得原始图像数据并进行压缩编码，控制压缩后的码流输出到无线通信模块；无线通信模块负责数据的收发；供电模块则负责为各相应模块提供所需电源。

所述图像采集模块主要包含两部分：第一是图像传感芯片及镜头，图像传感芯片输出格式为RAW RGB、RGB、YUV或者YCrCb；第二是图像存储缓冲设备，为FIFO、SRAM或SDRAM存储设备。

所述的无线通信模块主要用来接收上位机加密的可重构量化模块和熵编码模块的配置文件，并发送压缩好的图像数据；采用3G模块、433MHz无线模块或2.4GHz无线模块。

所述数据处理模块主要包含微控制器和FPGA两部分，采用微控制器芯片和FPGA芯片，其中微控制器芯片通过GPIO口与FPGA芯片相连，其中部分端口连接到FPGA芯片的JTAG编程接口；FPGA芯片与图像存储缓冲设备的数据输出端口及控制端口相连；微控制器芯片运行用于控制的协议栈，FPGA芯片则是图像压缩的核心，其上是可重构的JPEG编码模块，用来加速图像压缩过程。

所述的协议栈包括四层，抽象层、控制层、状态描述层和应用层。

    所述的抽象层主要是为在不同平台间移植而设计，主要包含两部分：第一部分，传统的硬件抽象层，即微控制器芯片、无线通信模块及图像采集模块；第二部分，可重构硬件抽象层，其主要由3部分构成：

1）部分可重构系统的架构及FPGA描述，包括FPGA芯片供应商、芯片型号、可提供的资源；

2）可重构配置文件库，主要包含初始化和采用默认图像压缩方式时所需的部分重构配置文件及全局配置文件；

3）FPGA编程器，主要用来控制对FPGA芯片进行编程。

所述的控制层主要是根据已知条件控制重构、数据收发，它负责决定是否可以重构，在不适合重构或重构失败时采取的措施；其主要包含四部分内容：