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二维离散小波变换的FPGA实现

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  • 日期: 2014-03-05
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标签: 二维离散小波变换的FPGA实现

小波变换是一种新兴的理论,是数学发展史上的重要成果。它无论对数学还是对工程应用都产生了深远的影响。最新的静态图像压缩标准JPEG2000就以离散小波变换(DWT)作为核心变换算法。 本文首先较为详细地分析了小波变换的理论基础,对多分辨率分析、Mallat算法和提升算法做了介绍。然后分析了JPEG2000所采用的小波滤波器,并引入了一个新的LS97小波。该小波系数简单、易于硬件实现,并且与CDF97小波有很好的兼容性,可作为CDF97小波的替代者。使用Matlab对CDF97小波和LS97小波的兼容性做仿真测试,结果表明这两个小波具有几乎相同的性能。在确定所用的小波后,本文设计了二维离散小波变换的硬件结构。设计过程中对标准二维小波变换做了优化,即将行变换和列变换的归一化步骤合并计算,这样可以减少两次乘法操作。另外还使用移位加代替乘法,提取移位加中的公共算子等方式来优化设计。对于边界数据的处理,本文采用了嵌入式对称延拓技术,不需要额外的缓存,节约了硬件资源。为提高硬件利用率,本文将LeGall53小波变换和LS97小波变换统一起来,只要一个控制信号就可实现两者之间的转换。本文所提出的结构采用基于行的变换方式,只需要六行中间数据即可完成全部行数据的小波变换。采用流水线技术提高了整个设计的运行速度。最后也给出了二维离散小波反变换的实现结构。 在完成硬件结构设计的基础上,使用Verilog硬件描述语言对整个设计进行了完全可综合的RTL级描述,采用同步设计,提高了可靠性。在Xilinx公司的FPGA开发软件ISE6.3i中对正反小波变换做了仿真和实现,结果表明,本设计能高速高精度地完成正反可逆和不可逆小波变换,可以满足各种实时性要求。

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