關鍵字：JPEG2000 FPGA 離散小波
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現，用移位-相加代替乘法操作，整體設計采用了流水線設計。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進行RTL級描述，已經通過了FPGA驗證，并可作為單獨的IP棱應用于圖像編解碼芯片中。
關鍵詞：JPEG 2000標準；離散小波變換；FPGA；RAM
0 引言
隨著多媒體應用領域的快速發展，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，可以提供質量和分辨率漸進傳輸，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預測參數P，來預測奇信號，原來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中的無損壓縮過程，硬件實現可分為兩步，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，在圖像邊界處進行小波變換時需要進行延拓處理，否則無法正確進行小波變換，對原始圖像邊界數據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據，在序列后延拓一個數據，圖2為5／3小波變換時8點數據序列周期對稱延拓示意圖。
本文是通過雙端口RAM的讀／寫實現分裂過程，在小波變換過程中通過對讀地址的操作實現對稱周期性數據延拓：用對計數器的計算操作實現邊界數據延拓和生成讀取地址與寫入地址，從原圖像中讀取，經變換后寫入相應的地址，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實質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，通過行地址模塊生成的行變換地址讀出圖像數據，通過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，再通過列地址模塊生成的列變換地址讀出中間圖像數據，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寫入外部存儲器，然后由控制單元判斷是否進行下一級小波分解，如果需要做下一層分解的話，將在上一層小波變換的結果中取出LL低頻子帶進行下一個循環，每對圖像進行一次二維小波變換，產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。
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。首先產生行變換的讀／寫地址，在行變換完成之后產生列變換的讀／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度，實現分裂和邊界延拓功能，不需要另外設計單獨的處理模塊，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
該設計采用了流水線技術即通過插入寄存器，使得一組輸入數據的計算分布在同一個時鐘周期中，從而提高資源利用率，增加電路的數據處理量，提高了性能，在此用Verilog HDL描述實現。
4．1 功能仿真
在ModelSim的測試模塊中設置時鐘為100 MHz，圖5為部分仿真結果，輸入數據在經過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計符合JPEG 2000標準規定，結果正確。
二維小波變換結果就是，在行變換結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果上對LL子帶再進行二維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
該設計的FPGA驗證采用Altera的DE2開發板平臺，開發板采用CycloneⅡEP2C35作為主FPGA芯片，具有豐富的I／O接口與顯示存儲設備，可以滿足該設計的驗證工作。
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設計軟件中，能夠捕獲和顯示設計中實時信號的狀態，這樣開發者就可以在整個設計過程中以系統級速度觀察硬件和軟件的交互作用。它支持多達1 024個通道，采樣深度達128 Kb，每個分析儀均有10級觸發輸入／輸出，使用SignalTapⅡ無需額外的邏輯分析設備，只需將一根JTAG接口的下載電纜連接到要調試的FPGA器件即可。
下載驗證結果如圖7所示，整個系統時鐘可以達到156 MHz，速度很快，耗用資源相對較少，運算結果正確。
5 結語
本文提出了一種快速、有效的JPEG 2000 5／3小波變換的VLSI設計結構，該結構將數據的奇偶分裂、邊界延拓嵌入到地址產生單元對雙端口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級代碼并進行功能仿真，最后完成了在FPGA上的驗證，最高時鐘頻率達到156 MHz，整體性能優越。