{V}erifikation der diskreten - Embedded Systems Group

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Fano-Kodierung. Diese Kodierungsverfahren sind in der Lage, Daten durch eine Kodierung ineine Darstellung zu überführen, die weniger Speicherplatz benötigt. Aus dieser Darstellunglassen sich die Originaldaten immer noch exakt rekonstruieren. Bei der Bildkompression kannman sich ferner den Umstand zu Nutze machen, daß das menschliche Auge nur eine begrenzteZahl von Farben wahrnehmen kann, so daß eine exakte Rekonstruktion gar nicht notwendigist. Für die Bildkompression benötigt man Kompressionsverfahren, die in der Lage sind,Farbabstufungen so anzugleichen, daß für das menschliche Auge kein sichtbarerQualitätsverlust zum Original besteht, aber trotzdem mehr Speicherplatz eingespart wird als z.B. bei einer Huffman-Kodierung. Eines der gängigsten Kodierverfahren zur Bildkompressionist JPEG.Im Jahre 1982 wurde bei der ISO eine Expertengruppe zusammengerufen, um einenBildkompressionsstandard zu entwickeln. Das Ziel war ein progressivesDatenkompressionsverfahren zu entwickeln, das in der Lage ist, mit der Datenrate von ISDN(64 Kbits/sec.) standzuhalten. Das komprimierte Bild sollte bereits nach einer Sekundeerkennbar sein und die Bildqualität sollte sich danach kontinuierlich verbessern, bis ein Bildohne erkennbaren Qualitätsverlust entstanden ist. 1986 schloß sich die Expertengruppe derISO mit einer weiteren Expertengruppe der CCITT zusammen. Nach dem Zusammenschlußwurde die Gruppe dann JPEG (Joint Photographic Experts Group) genannt.Der JPEG-Kompressionsstandard sollte eine große Zahl an Funktionen enthalten. Dies warensequentielle Kodierung, progressive Kodierung, Kodierung mit Verlust, verlustfreie Kodierungund die Möglichkeit der Hardware-Implementierung mit 64Kbit/s. Im Juni 1987 standen danndrei mögliche Techniken zur Kompression zur Auswahl, von denen dann schließlich 1988 dieadaptive diskrete Cosinus-Transformation aufgrund der besten Bildqualität ausgewählt wurde.Es wurden weiterhin die funktionalen Anforderungen an die Bildkompression festgehalten. ImJahre 1992 war die Arbeit an der JPEG-Kompression dann beendet.Ein genauer Überblick über die Geschichte von JPEG findet sich in Kapitel 19 von [3].1.3 Ziel der ArbeitZiel dieser Arbeit ist es zu ermitteln in wie weit man heutzutage in der Lage ist, Schaltungenund Systeme mit komplexen Datenpfaden mit Hilfe bestehender Modellprüfungsverfahren zuverifizieren.Hierzu werden zwei verschiedene Versionen der diskreten Cosinus-Transformation mittelsModellprüfung gegeneinander verifiziert. Die diskrete Cosinus-Transformation ist einwichtiger Bestandteil der JPEG-Kompression und wird daher in nahezu jedembildverarbeitenden System eingesetzt. Es soll herausgefunden werden, bis zu welchenEingangsbitbreiten und Schaltungsgrößen der unterschiedlichen Implementierungen eineVerifikation noch mit vertretbarem Aufwand möglich ist.Es soll weiterhin herausgefunden werden, ob die beiden verwendeten Versionen der diskretenCosinus-Transformation an allen Ausgängen die gleichen Ergebnisse liefern oder ob dieErgebnisse an den Ausgängen möglicherweise voneinander abweichen. DerartigeAbweichungen kommen dadurch zustande, daß die mathematische Definition der DCT auf5
eellen Zahlen beruht während Schaltungsrealisierungen Zahldarstellung begrenzterGenauigkeit verwenden. Durch verschiedene Berechnungen können sich somitRechenungenauigkeiten ergeben. Sollten die Ergebnisse an einigen der Ausgänge voneinanderabweichen, so soll herausgefunden werden, ob man mittels Modellprüfung zeigen kann, daßdiese Differenz immer kleiner als eine zu ermittelnde obere Schranke ist.Zur Durchführung der Modellprüfungsexperimente wurde auf den Modellprüfer SMV derCarnegie Mellon Universität (Pittsburg, USA) zurückgegriffen.1.4 Gliederung der ArbeitIm folgenden Abschnitt wird die Notwendigkeit der Hardware-Verifikation erläutert. Danachwird die temporale Logik CTL vorgestellt, die zur Spezifikation von Systemen dient. Systemewerden hierbei durch endliche Transitionssysteme (Kripke Strukturen) modelliert. CTL erlaubtnun eine effiziente Modellprüfung [8], welche auf der effizienten Speicherung vonZustandsmengen durch binäre Entscheidungsdiagramme [2] beruht. Daher befaßt sichAbschnitt 4 mit binären Entscheidungsdiagrammen. Der Abschnitt nach den binärenEntscheidungsdiagrammen erläutert die mathematische Definition der diskretenCosinus-Transformation sowie einige Optimierungen. Der letzte Abschnitt befaßt sich dannmit der praktischen Durchführung der Verifikation der beiden gewählten diskretenCosinus-Transformationen sowie mit den experimentell ermittelten Ergebnissen.6
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