图像的二维提升小波变换的FPGA实现

1、    图像的二维提升小波变换的FPGA实现        刘桂华1,2, 冯全源1 时间:2008年11月11日     字 体: 大 中 小        关键词:<"cblue" " target='_blank'>小波变换<"cblue" " target=

2、'_blank'>二维提升小波变换<"cblue" " target='_blank'>图像压缩<"cblue" " target='_blank'>小波<"cblue" " target='_blank'>硬件实现            摘? 要: 研究了图像的5/3提升<&

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39、e="小波变换">小波变换" title="小波变换">小波变换" title="小波变换">小波变换" title="小波变换">小波变换算法原理,根据提升算法的系数分布存在的特点,提出<"cblue" " title="二维提升小波变换">二维提升小波变换<"cblue" " title="硬件实现">硬件实现的简化VLSI硬件结构,并

40、在对系统进行了综合、仿真后,在FPGA芯片上实现。实验证明,系统改进的简化硬件结构,提高了系统运行速度,保证了系统的实时性要求。?关键词: 二维提升小波变换; <"cblue" " title="图像压缩">图像压缩; 现场可编程门阵列(FPGA)?小波分析理论以其良好的时频区域性和多分辨率分析能力,开辟了图像处理的崭新领域。小波变换是一种很好的图像分解方法,非常适合于分析突变信号而用于静止图像边缘的提取和压缩。高阶小波变化还可以用于实时处理视频图像信号,在减少编码时间、提高压缩比和降低失真度方面,都有很好的效果。因此,小波变换在图

41、像处理中具有十分优越的性能。?国际标准化组织和国际电子技术联盟联合推出的新一代静止图像压缩标准JPEG2000采用了基于提升算法的离散小波变换。JPEG2000标准中用到了两种方式来提升小波:一种是可逆的整数型5/3小波变换,主要用于实现无损图像压缩,也可用于有损图像压缩;另一种是浮点型9/7小波变换,用于高质量的有损图像压缩。其中整数5/3小波变换在很多领域有着重要应用,如医学图像、卫星传输图像等。本文将实现基于FPGA的图像二维5/3提升小波变换,采用FPGA芯片实现计算量十分复杂的二维提升小波变换,可以大大提高图像压缩运算速度,保证系统的实时性要求。?1 5/3提升小波变换算法原理?小波

42、提升算法的基本思想是通过基本小波(lazy wavelet)逐步构建出一个具有更加良好性质的新小波,它的实现步骤有三个:分裂(split)、预测(predict)和更新(update)。分裂是将输入数据分为偶数序列和奇数序列二个部分;预测是用分裂的偶数序列预测奇数序列,得到的预测误差为变换的高频分量;更新是由预测误差来更新偶数序列,得到变换的低频分量。典型的单步小波提升结构如图1所示。?在JPEG2000中,5/3提升小波变换的算法为:?相应的原理框图如图2所示。?2 对5/3提升小波变换硬件实现特点的分析?在提升算法的实现中,它的系数分布存在的特点,可以简化设计的实现。?(1)对输入数据的处

43、理,只牵涉到了两两相邻的数据(圆圈中的数字表示执行的时钟序号),数据相关性图如图3所示。对图像数据进行行/列变换时,只需要得到该数据以及同一行(列)的相邻两个数据,就可以进行当前数据的行/列变换,而与其他数据无关,其本质是将奇序列数据与偶序列数据顺次逐一输入。因此,对数据输入部分的处理可以通过构建两个地址生成模块,实现对奇偶地址数据的读取。?(2)提升算法具有原位计算的特点,因此计算的系数可以直接替代原始数据而不需要附加数据存储空间。对于它的行、列变换都可以只使用同一个存储器RAM进行原始数据、中间数据和变换后数据的存储。由图4可以清楚地看到,二维提升小波变换后的系数在存储空间的分布情况。原位

44、存储的特点大大地节省了片上资源,最有效地提高了系统利用率。?(3)行方向与列方向的提升小波变换是一样的,因此可以将一维提升小波变换设计成一个独立的模块,之后对它进行反复调用。这也是简化系统的有效途径之一。?3 图像的二维提升小波变换的总体设计?一维小波变换是二维小波变换的前提,对于它的FPGA实现,由图2可以看出,5/3提升小波变换中主要计算是加、减运算,而除法运算是除以2和除以4,这在硬件实现中可通过“右移”操作实现快速运算。因此在设计中只需将图2中的乘法器模块用相应的移位操作模块代替。而图2中乘以-1/2模块被替代为右移1位模块之后,便少了一个负号,因此再将此乘法器后面的加法器模块改为减法器,同样达到了乘以-1/2的效果。这样的改进还简化了负数在硬件电路中的运算。改进后的硬件实现框图如图5所示。?二维小波变换的硬件原理结构如图6所示,其工作原理如下:采用RAM1功能模块来实现图像数据的存储;通过地址生成模块来实现对存储器中奇偶地址数据的分裂操作,先进行行方向的奇偶序列地址分裂,并做一维小波变换;行方向的操作一结束,立即进行列方向的奇偶序列地址分裂,并做一维小波变换。以上两步反复进行,便可完成图像的多级二维小波变换,最终的小波变换系数将被存储在RAM2中。?4? 二维5/3提升小波变换的FPGA实现?4.1? 主要功能模块的设计?(1)RAM模块。要