無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的輸入方式，從時應的寄存器中讀取在多個寄存器中依次流動的數據，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，并且無需控制預測及更新步驟的交替進行，因此簡化了小波變換控制系統的結構。在此運用軟硬件協同的驗證方法，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。
關鍵詞：小波變換；軟硬件協同驗證；FPGA；JPEG 2000

0 引言
小波分析是當前應用數學和工程學科中一個迅速發展的新領域，而近年來基于小波變換的圖像壓縮技術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用領域。而在原有的小波變換的理論基礎上發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，這與經典小波變換相比具有小波構造簡單、反變換容易實現、運算速度快和節省存儲空間等優點。但其在硬件應用開發上，對中間數據量要求較大，占用較多寄存器，因而通過硬件結構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小波變換結構，完成了該結構的FPGA硬件實現，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：

常見的小波變化實現結構如圖1所示，先完成分裂，再進行預測，最后完成更新步驟。分裂步驟是指通過對數據地址n的奇偶進行判斷，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，通過對數據流固定節點取值，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行數據計算，產生變化結果。