JPEG2000中5／3離散小波多層變換FPGA實(shí)現(xiàn)研究

摘要：基于新一代圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG 2000，介紹一種快速、有效的多層5／3小渡變換的VLSI設(shè)計結(jié)構(gòu)，該方法使用兩組一維變換實(shí)現(xiàn)，用移位-相加代替乘法操作，整體設(shè)計采用了流水線設(shè)計。利用雙端口RAM和地址生成模塊的調(diào)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(jié)構(gòu)的設(shè)計采用Verilog HDL進(jìn)行RTL級描述，已經(jīng)通過了FPGA驗證，并可作為單獨(dú)的IP棱應(yīng)用于圖像編解碼芯片中。
關(guān)鍵詞：JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)；離散小波變換；FPGA；RAM

0 引言
    隨著多媒體應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，新一代靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG 2000己在2000年11月完成了標(biāo)準(zhǔn)的制定。與原有的JPEG標(biāo)準(zhǔn)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(qū)域編碼等。典型的JPEG 2000編碼中的傳統(tǒng)的離散小波變換由卷積完成，因此在實(shí)現(xiàn)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(yùn)算硬件實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)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步驟：分裂(Split)、預(yù)測(Predict)和更新(Update)。分裂是把輸入信號x(n)分成奇偶兩個子信號集，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(yù)測是偶序列信號乘上一個預(yù)測參數(shù)P，來預(yù)測奇信號，原來的奇序列信號與預(yù)測值的差即為高頻系數(shù)d(n)。更新是高頻系數(shù)乘以更新系數(shù)Q與偶序列信號的和，獲得低頻系數(shù)s(n)。
    5／3雙正交小波對應(yīng)的提升方法如圖1所示，用于JPEG 2000中的無損壓縮過程，硬件實(shí)現(xiàn)可分為兩步，如式(1)，式(2)所示：
   

2 5／3小波內(nèi)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)行小波變換時需要進(jìn)行延拓處理，否則無法正確進(jìn)行小波變換，對原始圖像邊界數(shù)據(jù)的處理通常使用對稱周期延拓方式，5／3小波變換的延拓需要在序列前延拓兩個數(shù)據(jù)，在序列后延拓一個數(shù)據(jù)，圖2為5／3小波變換時8點(diǎn)數(shù)據(jù)序列周期對稱延拓示意圖。

    本文是通過雙端口RAM的讀／寫實(shí)現(xiàn)分裂過程，在小波變換過程中通過對讀地址的操作實(shí)現(xiàn)對稱周期性數(shù)據(jù)延拓：用對計數(shù)器的計算操作實(shí)現(xiàn)邊界數(shù)據(jù)延拓和生成讀取地址與寫入地址，從原圖像中讀取，經(jīng)變換后寫入相應(yīng)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(yīng)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(shè)計
3．1 總體結(jié)構(gòu)框圖
    二維DWT實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于先對圖像數(shù)據(jù)做一維行方向小波變換，再對變換后的結(jié)果進(jìn)行一維列方向上的小波變換，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸入的圖像數(shù)據(jù)是在原始RAM上存儲，通過行地址模塊生成的行變換地址讀出圖像數(shù)據(jù)，通過一維行向量的小波變換模塊處理，將中間數(shù)據(jù)放入中間RAM中，再通過列地址模塊生成的列變換地址讀出中間圖像數(shù)據(jù)，通過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(shù)寫入外部存儲器，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，將在上一層小波變換的結(jié)果中取出LL低頻子帶進(jìn)行下一個循環(huán)，每對圖像進(jìn)行一次二維小波變換，產(chǎn)生的結(jié)果同樣存儲在外部存儲器IM—RAM上，即下一級的小波變換結(jié)果覆蓋在上一級的LL子帶上。

3．2 地址生成模塊的設(shè)計
    對于做三層的離散小波變換，每層對RAM的(行／列)讀／寫地址都不相同，所以在地址生成模塊中分別做了三層各自的地址模塊，每個單層地址模塊產(chǎn)生2路讀地址信號、2路寫地址信號和1路寫地址使能信號。首先產(chǎn)生行變換的讀／寫地址，在行變換完成之后產(chǎn)生列變換的讀／寫地址，在列變換完成之后，給出一個EndOfBlock信號返回給圖4中的Control模塊。由Control模塊控制分層地址模塊的使能以及Select模塊選擇有效地址信號輸出，并且通過對讀地址計算算法的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)分裂和邊界延拓功能，不需要另外設(shè)計單獨(dú)的處理模塊，地址生成模塊的總體框圖如圖4所示。

4．功能仿真及FPGA測試驗證
    該設(shè)計采用了流水線技術(shù)即通過插入寄存器，使得一組輸入數(shù)據(jù)的計算分布在同一個時鐘周期中，從而提高資源利用率，增加電路的數(shù)據(jù)處理量，提高了性能，在此用Verilog HDL描述實(shí)現(xiàn)。
4．1 功能仿真
    在ModelSim的測試模塊中設(shè)置時鐘為100 MHz，圖5為部分仿真結(jié)果，輸入數(shù)據(jù)在經(jīng)過3個時鐘周期后計算出LH分量輸出。由此可見，一維小波變換模塊的設(shè)計符合JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，結(jié)果正確。

    二維小波變換結(jié)果就是，在行變換結(jié)束之后對于行方向上面的LH分量再做列方向上的小波變換，得到LL，HL，LH，HH分量，對于多層小波變換就是在前一層變換的結(jié)果上對LL子帶再進(jìn)行二維DWT變換，多層小波變換的示意圖如圖6所示。
4．2 FPGA測試驗證
    該設(shè)計的FPGA驗證采用Altera的DE2開發(fā)板平臺，開發(fā)板采用CycloneⅡEP2C35作為主FPGA芯片，具有豐富的I／O接口與顯示存儲設(shè)備，可以滿足該設(shè)計的驗證工作。
    本次FPGA的驗證中使用Altera的SignalTapⅡ嵌入式邏輯分析儀。SignalTapⅡ嵌入式邏輯分析儀集成到QuartusⅡ設(shè)計軟件中，能夠捕獲和顯示設(shè)計中實(shí)時信號的狀態(tài)，這樣開發(fā)者就可以在整個設(shè)計過程中以系統(tǒng)級速度觀察硬件和軟件的交互作用。它支持多達(dá)1 024個通道，采樣深度達(dá)128 Kb，每個分析儀均有10級觸發(fā)輸入／輸出，使用SignalTapⅡ無需額外的邏輯分析設(shè)備，只需將一根JTAG接口的下載電纜連接到要調(diào)試的FPGA器件即可。
    下載驗證結(jié)果如圖7所示，整個系統(tǒng)時鐘可以達(dá)到156 MHz，速度很快，耗用資源相對較少，運(yùn)算結(jié)果正確。

5 結(jié)語
    本文提出了一種快速、有效的JPEG 2000 5／3小波變換的VLSI設(shè)計結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)的奇偶分裂、邊界延拓嵌入到地址產(chǎn)生單元對雙端口RAM的操作中，不需要額外的計算單元，采用移位-相加操作代替卷積操作，通過Verilog編寫RTL級代碼并進(jìn)行功能仿真，最后完成了在FPGA上的驗證，最高時鐘頻率達(dá)到156 MHz，整體性能優(yōu)越。