無分裂結(jié)構(gòu)的二維小波變換圖片處理芯片設(shè)計與驗證

摘要：5／3小波變換硬件實現(xiàn)常用結(jié)構(gòu)是先完成分裂，再依照分裂后的數(shù)據(jù)完成預(yù)測部分和更新部分的變換，這需要復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)。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(chǔ)上提出了一種全新的無數(shù)據(jù)分裂的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)放棄地址尋址的數(shù)據(jù)讀取模式，采用讀取一維數(shù)據(jù)流節(jié)點的輸入方式，從時應(yīng)的寄存器中讀取在多個寄存器中依次流動的數(shù)據(jù)，省略了數(shù)據(jù)輸入的地址控制模塊。由于減少了數(shù)據(jù)分裂步驟，并且無需控制預(yù)測及更新步驟的交替進(jìn)行，因此簡化了小波變換控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。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(jié)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(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程學(xué)科中一個迅速發(fā)展的新領(lǐng)域，而近年來基于小波變換的圖像壓縮技術(shù)以硬件方式推向市場，圖片壓縮已成為小波變換極其重要的應(yīng)用領(lǐng)域。而在原有的小波變換的理論基礎(chǔ)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(gòu)造簡單、反變換容易實現(xiàn)、運算速度快和節(jié)省存儲空間等優(yōu)點。但其在硬件應(yīng)用開發(fā)上，對中間數(shù)據(jù)量要求較大，占用較多寄存器，因而通過硬件結(jié)構(gòu)的探索來減小寄存器的開銷，成為小波變換圖片處理的一個重要分支。
本文提出了無分裂步驟的5／3小波變換結(jié)構(gòu)，完成了該結(jié)構(gòu)的FPGA硬件實現(xiàn)，并結(jié)合計算機端Matlab軟件，正確完成圖片變換驗證。

1 硬件結(jié)構(gòu)
1．1 算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)
本文采用JPEG2000推薦的5／3小波變換算法，算法公式如下：

常見的小波變化實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，先完成分裂，再進(jìn)行預(yù)測，最后完成更新步驟。分裂步驟是指通過對數(shù)據(jù)地址n的奇偶進(jìn)行判斷，將數(shù)據(jù)分裂為奇地址部分和偶地址部分。輸入奇地址部分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)測部分運算，并輸出細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)；輸入偶地址部分?jǐn)?shù)據(jù)，完成更新部分運算，輸出平滑數(shù)據(jù)。因此需要根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的地址，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分裂，或控制預(yù)測部分和更新部分交替工作。

本文提出一種全新的運算結(jié)構(gòu)，以一維數(shù)據(jù)流輸入數(shù)據(jù)，無需數(shù)據(jù)分裂步驟，并且不需要控制預(yù)測部分和更新部分的運行和停止，通過對數(shù)據(jù)流固定節(jié)點取值，分別完成預(yù)測和更新步驟，并根據(jù)數(shù)據(jù)地址的變換，利用數(shù)據(jù)選擇器從2個端口交替讀取數(shù)據(jù)即能控制預(yù)測和更新步驟的運行。
1．2 數(shù)據(jù)存取結(jié)構(gòu)
本文采用基于行的列變化和流水線結(jié)構(gòu)，完成二維小波變化數(shù)據(jù)處理。輸入數(shù)據(jù)以一維數(shù)據(jù)流形式逐一輸入，變化模塊讀取數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，產(chǎn)生變化結(jié)果。