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一种新的基于行实时提升小波变换实现结构

A Novel VLSI Architecture for Real-Time Line-Based Wavelet Transform Using Lifting Scheme

  • 摘要: 论文的研究工作结合国家自然科学基金项目“深空通信中若干关键技术研究”(60532060)和“干涉多光谱图像压缩技术研究”(60507012),主要针对高速实时图像编码器中小波变换器的硬件结构展开深入研究。论文首先分析了现有小波变换器的实现结构,如基于行的小波变换结构、提升的小波变换结构等,给出了这些结构的一些特征(资源、速度等)。然后以实时处理为主要目标提出了新的基于行的提升小波变换硬件结构,该结构同时处理行变换和列变换,并且在图像边界采用对称扩展输出边界数据,使得图像小波变换时间与传统的小波变换相比提高了将近2.6倍,提高了硬件系统的实时性。该结构还合理地利用和调度内部缓冲器,不需要外部缓冲器,大大降低了硬件系统对存储器的要求。接着论文相信描述了构成该变换结构的主要组成部分:行变换器、列变换和中间缓存实现结构、小波系数输出缓冲及控制结构。针对提升系数整数化表示方法,论文结合大量的实验数据得到了采用定点数表示的位宽,这样既节省了相应的硬件运算器资源又尽可能减少由此带来的性能损失。对于尺度加权操作,论文通过实验表明了最后一级小波变换进行加权运算可以避免误差的累积,并给出了对应的实际加权系数。论文着重对实时处理进行了必要分析,分别对行边界扩展、列边界扩展以及对应各频带的输出速率进行了详细说明,并给出了具体的数据。最后,论文分析了所提出结构存储器使用情况,并和典型的结构进行了对比,从实验数据看论文采用的结构没有外部缓存,内部缓存量相对较少,并且能够高速实时处理。同时针对具体FPGA系统,给出了该结构硬件实现的具体参数。该论文的研究成果已经成功应用于实际的图像压缩编码系统中。为我国的卫星图像压缩处理做出了一定的贡献。同时,由于图像压缩应用的广泛性,该结构也可以应用在诸如数码相机等消费电子领域。

     

    Abstract: In this paper, we propose a VLSI architecture thatperforms the line-based discrete wavelet transform (DWT) using alifting scheme. The architecture consists of row processors, columnprocessors, an intermediate buffer and a control module. Row processorand Column processor work as the horizontal and vertical filtersrespectively. Intermediate buffer is composed of five FIFOs to storetemporary results of horizontal filter. Control module schedules theoutput order to external memory. Compared with existing ones, thepresented architecture parallelizes all levels of wavelet transform tocompute multilevel DWT within one image transmission time, and uses noexternal but one intermediate buffer to store several line results ofhorizontal filtering, which decreases resource required significantlyand reduces memory efficiently. This architecture is suitable forvarious real-time image/video applications.

     

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