無(wú)分裂結構的二維小波變換圖片處理芯片設計與驗證

摘要：5／3小波變換硬件實(shí)現常用結構是先完成分裂，再依照分裂后的數據完成預測部分和更新部分的變換，這需要復雜的控制結構。在此采用JPEG2000推薦的5／3小波變換公式，在基于行的列變換基礎上提出了一種全新的無(wú)數據分裂的結構。該結構放棄地址尋址的數據讀取模式，采用讀取一維數據流節點(diǎn)的輸入方式，從時(shí)應的寄存器中讀取在多個(gè)寄存器中依次流動(dòng)的數據，省略了數據輸入的地址控制模塊。由于減少了數據分裂步驟，并且無(wú)需控制預測及更新步驟的交替進(jìn)行，因此簡(jiǎn)化了小波變換控制系統的結構。在此運用軟硬件協(xié)同的驗證方法，利用計算機軟件和FPGA結合，完成圖片從計算機端輸入，在FPGA中完成小波變換，并輸出到計算機顯示器上顯示的步驟。
關(guān)鍵詞：小波變換；軟硬件協(xié)同驗證；FPGA；JPEG 2000

0 引言
小波分析是當前應用數學(xué)和工程學(xué)科中一個(gè)迅速發(fā)展的新領(lǐng)域，而近年來(lái)基于小波變換的圖像壓縮技術(shù)以硬件方式推向市場(chǎng)，圖片壓縮已成為小波變換極其重要的應用領(lǐng)域。而在原有的小波變換的理論基礎上發(fā)展的基于小波變換的更新算法，不采用Fourier變換作為主要的分析工具，這與經(jīng)典小波變換相比具有小波構造簡(jiǎn)單、反變換容易實(shí)現、運算速度快和節省存儲空間等優(yōu)點(diǎn)。但其在硬件應用開(kāi)發(fā)上，對中間數據量要求較大，占用較多寄存器，因而通過(guò)硬件結構的探索來(lái)減小寄存器的開(kāi)銷(xiāo)，成為小波變換圖片處理的一個(gè)重要分支。
本文提出了無(wú)分裂步驟的5／3小波變換結構，完成了該結構的FPGA硬件實(shí)現，并結合計算機端Matlab軟件，正確完成圖片變換驗證。

1 硬件結構
1．1 算法實(shí)現結構
本文采用JPEG2000推薦的5／3小波變換算法，算法公式如下：

常見(jiàn)的小波變化實(shí)現結構如圖1所示，先完成分裂，再進(jìn)行預測，最后完成更新步驟。分裂步驟是指通過(guò)對數據地址n的奇偶進(jìn)行判斷，將數據分裂為奇地址部分和偶地址部分。輸入奇地址部分數據，進(jìn)行預測部分運算，并輸出細節數據；輸入偶地址部分數據，完成更新部分運算，輸出平滑數據。因此需要根據輸入數據的地址，對數據進(jìn)行分裂，或控制預測部分和更新部分交替工作。

本文提出一種全新的運算結構，以一維數據流輸入數據，無(wú)需數據分裂步驟，并且不需要控制預測部分和更新部分的運行和停止，通過(guò)對數據流固定節點(diǎn)取值，分別完成預測和更新步驟，并根據數據地址的變換，利用數據選擇器從2個(gè)端口交替讀取數據即能控制預測和更新步驟的運行。
1．2 數據存取結構
本文采用基于行的列變化和流水線(xiàn)結構，完成二維小波變化數據處理。輸入數據以一維數據流形式逐一輸入，變化模塊讀取數據流中的數據進(jìn)行數據計算，產(chǎn)生變化結果。