JPEG2000中53離散小波多層變換FPGA實(shí)現研究

摘要：基于新一代圖像壓縮國際標準JPEG 2000，介紹一種快速、有效的多層5／3小渡變換的VLSI設計結構，該方法使用兩組一維變換實(shí)現，用移位-相加代替乘法操作，整體設計采用了流水線(xiàn)設計。利用雙端口RAM和地址生成模塊的調度完成小波變換的分裂、邊界延拓工作，不需另外增加模塊。二維離散小波變換濾波器結構的設計采用Verilog HDL進(jìn)行RTL級描述，已經(jīng)通過(guò)了FPGA驗證，并可作為單獨的IP棱應用于圖像編解碼芯片中。
關(guān)鍵詞：JPEG 2000標準；離散小波變換；FPGA；RAM

0 引言
隨著(zhù)多媒體應用領(lǐng)域的快速發(fā)展，新一代靜止圖像壓縮標準JPEG 2000己在2000年11月完成了標準的制定。與原有的JPEG標準相比，JPEG 2000具有許多優(yōu)勢。例如更高的壓縮性能，支持單分量或者多分量的有損和無(wú)損壓縮，可以提供質(zhì)量和分辨率漸進(jìn)傳輸，以及感興趣區域編碼等。典型的JPEG 2000編碼中的傳統的離散小波變換由卷積完成，因此在實(shí)現中需要巨大的計算和存儲量。I．Daubechies和W．Sweldens等人提出的提升算法解決了這些問(wèn)題，該算法采用采用移位-相加操作代替卷積操作，大大降低了DWT運算硬件實(shí)現的難度，因此JPEG 2000采用基于提升的DWT作為圖像壓縮的第一步。JPEG 2000推薦5／3及9／7小波分別用于無(wú)損和有損壓縮，本文針對5／3濾波器，提出了一種高效高速的二維三層小波變換的硬件平臺，整體結構采用流水操作。

1 離散小波提升算法
離散小波提升算法主要有三個(gè)步驟：分裂(Split)、預測(Predict)和更新(Update)。分裂是把輸入信號x(n)分成奇偶兩個(gè)子信號集，即由其采樣后的偶序列子信號組成xe=x(2n)，奇序列子信號組成x0=x(2n+1)。預測是偶序列信號乘上一個(gè)預測參數P，來(lái)預測奇信號，原來(lái)的奇序列信號與預測值的差即為高頻系數d(n)。更新是高頻系數乘以更新系數Q與偶序列信號的和，獲得低頻系數s(n)。
5／3雙正交小波對應的提升方法如圖1所示，用于JPEG 2000中的無(wú)損壓縮過(guò)程，硬件實(shí)現可分為兩步，如式(1)，式(2)所示：


2 5／3小波內嵌延拓提升算法
由式(1)和式(2)可以看出，在圖像邊界處進(jìn)行小波變換時(shí)需要進(jìn)行延拓處理，否則無(wú)法正確進(jìn)行小波變換，對原始圖像邊界數據的處理通常使用對稱(chēng)周期延拓方式，5／3小波變換的延拓需要在序列前延拓兩個(gè)數據，在序列后延拓一個(gè)數據，圖2為5／3小波變換時(shí)8點(diǎn)數據序列周期對稱(chēng)延拓示意圖。

本文是通過(guò)雙端口RAM的讀／寫(xiě)實(shí)現分裂過(guò)程，在小波變換過(guò)程中通過(guò)對讀地址的操作實(shí)現對稱(chēng)周期性數據延拓：用對計數器的計算操作實(shí)現邊界數據延拓和生成讀取地址與寫(xiě)入地址，從原圖像中讀取，經(jīng)變換后寫(xiě)入相應的地址，以8×8圖像為例，行方向上延拓后的讀取地址順序應該是2，1，0，1，2，3，4，5，6，7，6，10，9，8，9，10，…；列方向上延拓后讀取地址順序是16，8，0，8，16，24，32，40，48，56，48，17，9，…。

3 硬件設計
3．1 總體結構框圖
二維DWT實(shí)質(zhì)上相當于先對圖像數據做一維行方向小波變換，再對變換后的結果進(jìn)行一維列方向上的小波變換，總體結構如圖3所示。輸入的圖像數據是在原始RAM上存儲，通過(guò)行地址模塊生成的行變換地址讀出圖像數據，通過(guò)一維行向量的小波變換模塊處理，將中間數據放入中間RAM中，再通過(guò)列地址模塊生成的列變換地址讀出中間圖像數據，通過(guò)一維列向量的小波變換模塊處理，最后將輸出的小波分解系數寫(xiě)入外部存儲器，然后由控制單元判斷是否進(jìn)行下一級小波分解，如果需要做下一層分解的話(huà)，將在上一層小波變換的結果中取出LL低頻子帶進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，每對圖像進(jìn)行一次二維小波變換，產(chǎn)生的結果同樣存儲在外部存儲器IM—RAM上，即下一級的小波變換結果覆蓋在上一級的LL子帶上。