JPEG decoder implementation on FPGA using dynamic partial reconfiguration

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e telecomunicações

Using dynamic reconfiguration to reduce the area of a JPEG decoder on FPGA

Partial dynamic reconfiguration of FPGAs can be used to implement complex applications using the concept of virtual hardware. In this work we have used partial dynamic reconfiguration to implement a JPEG decoder with reduced area. The image decoding process was adapted to be implemented on the FPGA fabric using this technique. The architecture was tested in a low cost ZYNQ-7020 FPGA that supports dynamic reconfiguration. The results show that the proposed solution needs only 40% of the resources utilized by a static implementation. The performance of the dynamic solution is about 9X slower than the static solution by trading-off internal resources of the FPGA. A throughput of 7 images per second is achievable with the proposed partial dynamic reconfiguration solution.

Codificador JPEG baseado em FPGA

O presente trabalho consiste na implementação em hardware de unidades funcionais dedicadas e optimizadas, para a realização das operações de codificação e descodificação, definidas na norma de codificação com perda Joint Photographic Experts Group (JPEG), ITU-T T.81 ISO/IEC 10918-1. Realiza-se um estudo sobre esta norma de forma a caracterizar os seus principais blocos funcionais. A finalidade deste estudo foca-se na pesquisa e na proposta de optimizações, de forma a minimizar o hardware necessário para a realização de cada bloco, de modo a que o sistema realizado obtenha taxas de compressão elevadas, minimizando a distorção obtida. A redução de hardware de cada sistema, codificador e descodificador, é conseguida à custa da manipulação das equações dos blocos Forward Discrete Cosine Transform (FDCT) e Quantificação (Q) e dos blocos Forward Discrete Cosine Transform (IDCT) e Quantificação Inversa (IQ). Com as conclusões retiradas do estudo e através da análise de estruturas conhecidas, descreveu-se cada bloco em Very-High-Speed Integrated Circuits (VHSIC) Hardware Description Language (VHDL) e fez-se a sua síntese em Field Programmable Gate Array (FPGA). Cada sistema implementado recorre à execução de cada bloco em paralelo de forma a optimizar a codificação/descodificação. Assim, para o sistema codificador, será realizada a operação da FDCT e Quantificação sobre duas matrizes diferentes e em simultâneo. O mesmo sucede para o sistema descodificador, composto pelos blocos Quantificação Inversa e IDCT. A validação de cada bloco sintetizado é executada com recurso a vectores de teste obtidos através do estudo efectuado. Após a integração de cada bloco, verificou-se que, para imagens greyscale de referência com resolução de 256 linhas por 256 colunas, é necessário 820,5 μs para a codificação de uma imagem e 830,5 μs para a descodificação da mesma. Considerando uma frequência de trabalho de 100 MHz, processam-se aproximadamente 1200 imagens por segundo.

BOI 2.0: disseny d'una implementació de JPEG 2000

JPEG 2000 és un estàndard de compressió d'imatges que utilitza tècniques estat de l’art basades en la transformada wavelet. Els principals avantatges són la millor compressió, la possibilitat d’operar amb dades comprimides i que es pot comprimir amb i sense pèrdua amb el mateix mètode. BOI és la implementació de JPEG 2000 del Grup de Compressió Interactiva d’Imatges del departament d’Enginyeria de la Informació i les Comunicacions, pensada per entendre, criticar i millorar les tecnologies de JPEG 2000. La nova versió intenta arribar a tots els extrems de l’estàndard on la versió anterior no va arribar.

Implementació d'un sistema per al control de la qualitat d'imatges JPEG (III)

Aquest TFC vol desenvolupar una aplicació gràfica per a treballar amb imatges i convertir-les al format JPEG.

JPEG standard uniform quantization error modeling with applications to sequential and progressive operation modes

In this paper we propose a method for computing JPEG quantization matrices for a given mean square error or PSNR. Then, we employ our method to compute JPEG standard progressive operation mode definition scripts using a quantization approach. Therefore, it is no longer necessary to use a trial and error procedure to obtain a desired PSNR and/or definition script, reducing cost. Firstly, we establish a relationship between a Laplacian source and its uniform quantization error. We apply this model to the coefficients obtained in the discrete cosine transform stage of the JPEG standard. Then, an image may be compressed using the JPEG standard under a global MSE (or PSNR) constraint and a set of local constraints determined by the JPEG standard and visual criteria. Secondly, we study the JPEG standard progressive operation mode from a quantization based approach. A relationship between the measured image quality at a given stage of the coding process and a quantization matrix is found. Thus, the definition script construction problem can be reduced to a quantization problem. Simulations show that our method generates better quantization matrices than the classical method based on scaling the JPEG default quantization matrix. The estimation of PSNR has usually an error smaller than 1 dB. This figure decreases for high PSNR values. Definition scripts may be generated avoiding an excessive number of stages and removing small stages that do not contribute during the decoding process with a noticeable image quality improvement.

Um Mecanismo de realimentação de relevâncias para recuperação de informações visuais utilizando feições a partir de imagens JPEG

Esta dissertação propõe e discute um mecanismo de realimentação de relevâncias (i. e. “Relevance Feedback”). A técnica de realimentação de relevâncias foi introduzida inicialmente em meados dos anos 60, como uma estratégia para refinamento de consultas para a recuperação de informações. Como uma técnica de refinamento de consultas, foi aplicada inicialmente em sistemas de recuperação de informações textuais. Neste caso, os termos ou expressões consideradas importantes, são utilizados na formulação de uma nova consulta. Ao surgirem os sistemas de recuperação de informação visual baseada em conteúdo (CBVIR), houve a necessidade de serem introduzidos novos elementos associados a esse processo de reformulação de consultas, de tal forma que fossem utilizados não apenas as informações de alto nível, como os termos e expressões. Esses novos elementos passaram a considerar também a subjetividade de percepção humana em relação ao conteúdo visual. Neste trabalho, apresenta-se um processo de extração e representação desse conteúdo, através da utilização de feições (conteúdo) de cor e textura, extraídos de imagens JPEG, uma vez que no processo de compressão de imagens nesse formato, utiliza-se coeficientes da Transformada Discreta do Cosseno (DCT), sendo, portanto esses coeficientes utilizados como elementos que possuem as informações associadas a cor e textura na imagem. Além da DCTé utilizada a Transformação Mandala [YSH 83] no processo de agrupamento de somente 10 coeficientes, com o objetivo de produzir 10 imagens com resoluça menor que a imagem original, mas que representam cada uma, o conteúdo de uma frequência particular da imagem original. A escolha por uma representação como essa,é a garantia de uma redução significativa na quantidade de dados a serem processados. Entretanto, a representação obtida nesse formato para as imagens,é com base em conteúdo global de cor e textura, o que pode produzir resultados insatisfatórios. A introdução de um mecanismo de realimentação de relevâncias, associado à representação utilizada, permite contornar a dificuldade apontada acima, através da obtenção de consultas subsequentes, selecionando os objetos mais relevantes, assim como menos objetos não relevantes, utilizando o conhecimento do usuário de forma interativa no refinamento de consultas para recuperação de informações visuais.

Skopos Theory La figura del traduttore come decoder e re-encoder

La Skopos Theory è una teoria introdotta nel mondo della traduzione dal linguista tedesco Hans Joseph Vermeer. Skopos è una parola di derivazione greca che significa “fine” o “scopo”. La teoria elaborata da Vermeer si basa sull’idea che ogni testo abbia uno skopos che determina i metodi e le strategie secondo le quali esso debba essere tradotto. Oltre alla Skopos Theory, che sarà la base della tesi, i testi a seguire verranno analizzati seguendo altri autori, quali Mona Baker e Laurence Venuti, che si rifanno all’idea di skopos e analizzano molto dettagliatamente la figura del traduttore come de-coder e re-encoder del testo.

Lossy Raid Storage Architecture for JPEG 2000 Images

Arquitectura de almacenamiento para imágenes JPEG2000 basado en la fragmentación del fichero para poder almacenar los datos en diferentes discos para optimizar el almacenamiento en función de la calidad de los datos y posibilitar el aumento de transferencia.

Coder/decoder with an optical programmable logic cell

A major research area is the representation of knowledge for a given application in a compact manner such that desired information relating to this knowledge is easily recoverable. A complicated procedure may be required to recover the information from the stored representation and convert it back to usable form. Coder/decoder are the devices dedicated to that task. In this paper the capabilities that an Optical Programmable Logic Cell offers as a basic building block for coding and decoding are analyzed. We have previously published an Optically Programmable Logic Cells (OPLC), for applications as a chaotic generator or as basic element for optical computing. In optical computing previous studies these cells have been analyzed as full-adder units, being this element a basic component for the arithmetic logic structure in computing. Another application of this unit is reported in this paper. Coder and decoder are basic elements in computers, for example, in connections between processors and memory addressing. Moreover, another main application is the generation of signals for machine controlling from a certain instruction. In this paper we describe the way to obtain a coder/decoder with the OPLC and which type of applications may be the best suitable for this type of cell.

AVALIAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE DE PONTOS CEFALOMÉTRICOS NAS TELERRADIOGRAFIAS DIGITAIS EM NORMA LATERAL NOS FORMATOS DICOM, TIFF E JPEG

A imagem radiográfica digital adquirida pelo sistema de placa de fósforo foto ativada é normalmente visualizada no monitor do computador no formato DICOM, caracterizado pela alta resolução das imagens. Como este formato ocupa muito espaço para armazenamento, as imagens digitais são submetidas a uma compressão, que otimiza a capacidade de espaço dos computadores e reduz o tempo de transmissão pela Internet. O objetivo desse estudo foi avaliar a influência da compressão TIFF e JPEG na reprodutibilidade intra e interexaminador da marcação de pontos cefalométricos em imagens de telerradiografias em norma lateral comparadas com o formato DICOM. A amostra consistiu de 90 imagens de telerradiografias obtidas a partir de 30 indivíduos, dos quais se obteve uma radiografia digital exibida no formato DICOM. Estas imagens foram convertidas para os formatos JPEG, com Fator de Qualidade 80 e TIFF. Após o cegamento e randomização da amostra, três ortodontistas calibrados marcaram a localização de 15 pontos cefalométricos em cada imagem utilizando o sistema de coordenadas x e y. Os resultados mostraram que as marcações dos pontos cefalométricos apresentaram concordância de reprodutibilidade tanto intra como interexaminador, exceto para os pontos Go, Po, Or, B e Pog . Os diferentes formatos de arquivo mostraram resultados estatisticamente semelhantes para cada ponto e eixo aferido. As compressões JPEG e TIFF estudadas não tiveram efeito, em imagens de telerradiografias em norma lateral, na reprodutibilidade intra e interexaminadores da marcação dos pontos cefalométricos testados.(AU)

AVALIAÇÃO DA REPRODUTIBILIDADE DE PONTOS CEFALOMÉTRICOS NAS TELERRADIOGRAFIAS DIGITAIS EM NORMA LATERAL NOS FORMATOS DICOM, TIFF E JPEG

A imagem radiográfica digital adquirida pelo sistema de placa de fósforo foto ativada é normalmente visualizada no monitor do computador no formato DICOM, caracterizado pela alta resolução das imagens. Como este formato ocupa muito espaço para armazenamento, as imagens digitais são submetidas a uma compressão, que otimiza a capacidade de espaço dos computadores e reduz o tempo de transmissão pela Internet. O objetivo desse estudo foi avaliar a influência da compressão TIFF e JPEG na reprodutibilidade intra e interexaminador da marcação de pontos cefalométricos em imagens de telerradiografias em norma lateral comparadas com o formato DICOM. A amostra consistiu de 90 imagens de telerradiografias obtidas a partir de 30 indivíduos, dos quais se obteve uma radiografia digital exibida no formato DICOM. Estas imagens foram convertidas para os formatos JPEG, com Fator de Qualidade 80 e TIFF. Após o cegamento e randomização da amostra, três ortodontistas calibrados marcaram a localização de 15 pontos cefalométricos em cada imagem utilizando o sistema de coordenadas x e y. Os resultados mostraram que as marcações dos pontos cefalométricos apresentaram concordância de reprodutibilidade tanto intra como interexaminador, exceto para os pontos Go, Po, Or, B e Pog . Os diferentes formatos de arquivo mostraram resultados estatisticamente semelhantes para cada ponto e eixo aferido. As compressões JPEG e TIFF estudadas não tiveram efeito, em imagens de telerradiografias em norma lateral, na reprodutibilidade intra e interexaminadores da marcação dos pontos cefalométricos testados.(AU)

Avaliação da influência dos formatos DICOM e JPEG na reprodutibilidade de pontos cefalométricos em Telerradiografia digital em Norma Frontal

A imagem digital no formato DICOM requer grande espaço para armazenamento, dificultando o arquivamento e transmissão da imagem via internet, sendo necessária, muitas vezes, a compressão das imagens por meio de formatos de arquivo como o JPEG. O objetivo neste estudo foi avaliar a influência dos formatos DICOM e JPEG, nos Fatores de Qualidade 100, 80 e 60, na reprodutibilidade intra e interexaminador na marcação de pontos cefalométricos em Telerradiografias digitais em Norma Frontal. A amostra consistiu de 120 imagens digitais de Telerradiografias em Norma Frontal, obtidas de 30 indivíduos. As 30 imagens originais, em formato DICOM, posteriormente, foram convertidas para o formato JPEG, nos Fatores de Qualidade 100, 80 e 60. Após cegar e randomizar a amostra, três ortodontistas calibrados marcaram os 18 pontos cefalométricos em cada imagem utilizando um programa de cefalometria computadorizada, que registra as medidas dos pontos cefalométricos em um sistema de coordenadas cartesianas X e Y. Nos resultados, os testes estatísticos de correlações intraclasses e análise de variância (ANOVA) apresentaram concordância de reprodutibilidade dos pontos cefalométricos em Telerradiografias digitais em Norma Frontal, tanto intra como interexaminador, com exceção dos pontos ZL, ZR, AZ, JR, NC, CN na coordenada Y e A6 na coordenada X, independentemente dos formatos de arquivo. Em conclusão, os formatos de arquivo DICOM e JPEG, nos Fatores de Qualidade 100, 80 e 60, não afetaram a reprodutibilidade intra e interexaminador na marcação dos pontos cefalométricos.(AU)

Avaliação da influência dos formatos DICOM e JPEG na reprodutibilidade de pontos cefalométricos em Telerradiografia digital em Norma Frontal

A imagem digital no formato DICOM requer grande espaço para armazenamento, dificultando o arquivamento e transmissão da imagem via internet, sendo necessária, muitas vezes, a compressão das imagens por meio de formatos de arquivo como o JPEG. O objetivo neste estudo foi avaliar a influência dos formatos DICOM e JPEG, nos Fatores de Qualidade 100, 80 e 60, na reprodutibilidade intra e interexaminador na marcação de pontos cefalométricos em Telerradiografias digitais em Norma Frontal. A amostra consistiu de 120 imagens digitais de Telerradiografias em Norma Frontal, obtidas de 30 indivíduos. As 30 imagens originais, em formato DICOM, posteriormente, foram convertidas para o formato JPEG, nos Fatores de Qualidade 100, 80 e 60. Após cegar e randomizar a amostra, três ortodontistas calibrados marcaram os 18 pontos cefalométricos em cada imagem utilizando um programa de cefalometria computadorizada, que registra as medidas dos pontos cefalométricos em um sistema de coordenadas cartesianas X e Y. Nos resultados, os testes estatísticos de correlações intraclasses e análise de variância (ANOVA) apresentaram concordância de reprodutibilidade dos pontos cefalométricos em Telerradiografias digitais em Norma Frontal, tanto intra como interexaminador, com exceção dos pontos ZL, ZR, AZ, JR, NC, CN na coordenada Y e A6 na coordenada X, independentemente dos formatos de arquivo. Em conclusão, os formatos de arquivo DICOM e JPEG, nos Fatores de Qualidade 100, 80 e 60, não afetaram a reprodutibilidade intra e interexaminador na marcação dos pontos cefalométricos.(AU)