1、    圖像的二維提升小波變換的FPGA實現(xiàn)        劉桂華1,2, 馮全源1 時間:2008年11月11日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>小波變換<"cblue" " target=

2、'_blank'>二維提升小波變換<"cblue" " target='_blank'>圖像壓縮<"cblue" " target='_blank'>小波<"cblue" " target='_blank'>硬件實現(xiàn)            摘? 要: 研究了圖像的5/3提升<&

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39、e="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換" title="小波變換">小波變換算法原理,根據(jù)提升算法的系數(shù)分布存在的特點,提出<"cblue" " title="二維提升小波變換">二維提升小波變換<"cblue" " title="硬件實現(xiàn)">硬件實現(xiàn)的簡化VLSI硬件結(jié)構(gòu),并

40、在對系統(tǒng)進(jìn)行了綜合、仿真后,在FPGA芯片上實現(xiàn)。實驗證明,系統(tǒng)改進(jìn)的簡化硬件結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)運行速度,保證了系統(tǒng)的實時性要求。?關(guān)鍵詞: 二維提升小波變換; <"cblue" " title="圖像壓縮">圖像壓縮; 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)?小波分析理論以其良好的時頻區(qū)域性和多分辨率分析能力,開辟了圖像處理的嶄新領(lǐng)域。小波變換是一種很好的圖像分解方法,非常適合于分析突變信號而用于靜止圖像邊緣的提取和壓縮。高階小波變化還可以用于實時處理視頻圖像信號,在減少編碼時間、提高壓縮比和降低失真度方面,都有很好的效果。因此,小波變換在圖

41、像處理中具有十分優(yōu)越的性能。?國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電子技術(shù)聯(lián)盟聯(lián)合推出的新一代靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000采用了基于提升算法的離散小波變換。JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中用到了兩種方式來提升小波:一種是可逆的整數(shù)型5/3小波變換,主要用于實現(xiàn)無損圖像壓縮,也可用于有損圖像壓縮;另一種是浮點型9/7小波變換,用于高質(zhì)量的有損圖像壓縮。其中整數(shù)5/3小波變換在很多領(lǐng)域有著重要應(yīng)用,如醫(yī)學(xué)圖像、衛(wèi)星傳輸圖像等。本文將實現(xiàn)基于FPGA的圖像二維5/3提升小波變換,采用FPGA芯片實現(xiàn)計算量十分復(fù)雜的二維提升小波變換,可以大大提高圖像壓縮運算速度,保證系統(tǒng)的實時性要求。?1 5/3提升小波變換算法原理?小波

42、提升算法的基本思想是通過基本小波(lazy wavelet)逐步構(gòu)建出一個具有更加良好性質(zhì)的新小波,它的實現(xiàn)步驟有三個:分裂(split)、預(yù)測(predict)和更新(update)。分裂是將輸入數(shù)據(jù)分為偶數(shù)序列和奇數(shù)序列二個部分;預(yù)測是用分裂的偶數(shù)序列預(yù)測奇數(shù)序列,得到的預(yù)測誤差為變換的高頻分量;更新是由預(yù)測誤差來更新偶數(shù)序列,得到變換的低頻分量。典型的單步小波提升結(jié)構(gòu)如圖1所示。?在JPEG2000中,5/3提升小波變換的算法為:?相應(yīng)的原理框圖如圖2所示。?2 對5/3提升小波變換硬件實現(xiàn)特點的分析?在提升算法的實現(xiàn)中,它的系數(shù)分布存在的特點,可以簡化設(shè)計的實現(xiàn)。?(1)對輸入數(shù)據(jù)的處

43、理,只牽涉到了兩兩相鄰的數(shù)據(jù)(圓圈中的數(shù)字表示執(zhí)行的時鐘序號),數(shù)據(jù)相關(guān)性圖如圖3所示。對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行行/列變換時,只需要得到該數(shù)據(jù)以及同一行(列)的相鄰兩個數(shù)據(jù),就可以進(jìn)行當(dāng)前數(shù)據(jù)的行/列變換,而與其他數(shù)據(jù)無關(guān),其本質(zhì)是將奇序列數(shù)據(jù)與偶序列數(shù)據(jù)順次逐一輸入。因此,對數(shù)據(jù)輸入部分的處理可以通過構(gòu)建兩個地址生成模塊,實現(xiàn)對奇偶地址數(shù)據(jù)的讀取。?(2)提升算法具有原位計算的特點,因此計算的系數(shù)可以直接替代原始數(shù)據(jù)而不需要附加數(shù)據(jù)存儲空間。對于它的行、列變換都可以只使用同一個存儲器RAM進(jìn)行原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和變換后數(shù)據(jù)的存儲。由圖4可以清楚地看到,二維提升小波變換后的系數(shù)在存儲空間的分布情況。原位

44、存儲的特點大大地節(jié)省了片上資源,最有效地提高了系統(tǒng)利用率。?(3)行方向與列方向的提升小波變換是一樣的,因此可以將一維提升小波變換設(shè)計成一個獨立的模塊,之后對它進(jìn)行反復(fù)調(diào)用。這也是簡化系統(tǒng)的有效途徑之一。?3 圖像的二維提升小波變換的總體設(shè)計?一維小波變換是二維小波變換的前提,對于它的FPGA實現(xiàn),由圖2可以看出,5/3提升小波變換中主要計算是加、減運算,而除法運算是除以2和除以4,這在硬件實現(xiàn)中可通過“右移”操作實現(xiàn)快速運算。因此在設(shè)計中只需將圖2中的乘法器模塊用相應(yīng)的移位操作模塊代替。而圖2中乘以-1/2模塊被替代為右移1位模塊之后,便少了一個負(fù)號,因此再將此乘法器后面的加法器模塊改為減法器,同樣達(dá)到了乘以-1/2的效果。這樣的改進(jìn)還簡化了負(fù)數(shù)在硬件電路中的運算。改進(jìn)后的硬件實現(xiàn)框圖如圖5所示。?二維小波變換的硬件原理結(jié)構(gòu)如圖6所示,其工作原理如下:采用RAM1功能模塊來實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的存儲;通過地址生成模塊來實現(xiàn)對存儲器中奇偶地址數(shù)據(jù)的分裂操作,先進(jìn)行行方向的奇偶序列地址分裂,并做一維小波變換;行方向的操作一結(jié)束,立即進(jìn)行列方向的奇偶序列地址分裂,并做一維小波變換。以上兩步反復(fù)進(jìn)行,便可完成圖像的多級二維小波變換,最終的小波變換系數(shù)將被存儲在RAM2中。?4? 二維5/3提升小波變換的FPGA實現(xiàn)?4.1? 主要功能模塊的設(shè)計?(1)RAM模塊。要