[发明专利]基于FPGA的多级复用小波变换器

说明书

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，特别涉及一种基于FPGA的多级复用小波变换器，可用于图像压缩编码中的小波变换。

背景技术

随着现代空间技术的不断发展，遥感图像数据海量增长，给存储和传输带来了极大的困难，因而进行有效实时的数据压缩显得特别迫切和重要。目前较为流行的静态图像压缩标准是联合图像专家小组（Joint Photographic Experts Group）提出的JPEG标准，其采用的变换方法是离散余弦变换DCT，由于DCT是基于图像块进行变换的，所以低码率图像不可避免的会出现明显的马赛克现象。而小波变换理论作为数字图像变换方法的引入，给图像编码技术带来了新的契机。小波变换技术在20世纪90年代受到了各领域学者的高度重视并得到了广泛的应用，其中包括图像压缩领域。小波变换的优点是：可以将图像信号分解成不同的空间分辨率、不同频率和具有方向性的子图像信号，这便于在失真编码中考虑带宽和人的视觉特性，实现渐进式编码；小波变换作用于图像的整体，在有效去除图像的全局相关性的同时，使量化误差分散到整个图像中，可以有效避免JPEG编码方法带来的“马赛克”方块效应。所有这些优势使其成为一种极有前途的编码方法，使其为图像编码技术的发展注入了巨大的活力。

小波变换是对图像数据进行去相关性，常用的小波变换有两种：

一是9/7小波变换，用于有损压缩，需要进行四步提升，公式1）为9/7小波变换的四步提升计算公式：

其中d₀[n]、s₀[n]分别为需要变换的输入数据，d₁[n]、s₁[n]分别为第一步和第二步提升计算的结果，用于进行第三步和第四步的提升计算，d[n]、s[n]分别为一维小波变换得到的高频小波系数和低频小波系数；

二是5/3小波变换，用于无损压缩，需要进行两步提升，公式2）为5/3小波变换两步提升计算公式：

其中d₀[n]、s₀[n]分别为需要变换的输入数据，d[n]、s[n]分别为一维小波变换得到的高频小波系数和低频小波系数。

小波变换的实现过程是：将图像视作由行列向量组成的数据矩阵，第一级小波变换对原始图像的数据矩阵进行二维小波变换；第二级小波变换对第一级变换产生的低频子带LL系数矩阵进行二维小波变换；第三级小波变换对第二级变换产生的低频子带的LL系数矩阵进行二维小波变换；第四级小波变换对第三级变换产生的低频子带的LL系数矩阵进行二维小波变换。其中单级二维小波变换的实现过程是：先对数据矩阵的每行数据根据提升步骤逐行进行行方向的一维小波变换，即行变换，分解为一个水平低频系数矩阵L和一个水平高频系数矩阵H，矩阵的行数和原图像行数相同，列数是原图像列数的一半；然后对行变换生成的系数矩阵的每列数据继续进行一维小波变换，即列变换，得到四个子带的系数矩阵，即低频子带LL系数矩阵、水平子带HL系数矩阵、垂直子带LH系数矩阵和对角子带HH系数矩阵，四个子带系数矩阵的大小均为原图像的四分之一。

现有的小波变换实现方法主要有软件实现方法和硬件实现方法。软件实现时，将设计的软件程序在计算机的软件环境中运行，其优点在于，高级语言的设计结构简单，其缺点在于，软件处理数据所需时间很长，不能满足实时的图像数据处理需求；硬件实现时，将设计的硬件程序借助软件工具生比特文件，并烧写到硬件电路中，形成程序指定的电路结构，这种硬件电路可以并行处理数据，使其能够实现图像数据的高速实时处理。

在现有的小波变换硬件实现中，西安电子科技大学申请的发明专利“基于行的小波变换的VLSI结构”（专利申请号：200510042864.0，公开号：CN1717049）公开了一种基于行的小波变换的超大规模集成电路VLSI结构。这种结构利用了小波变换滤波器的特性，使得每一级小波分解的行变换和列变换并行处理，以及四级的小波变换并行处理，这种结构通过有效管理中间数据的缓存空间，虽说降低了对数据存储空间的要求，但却存在不足：由于每一级小波变换都需要一个行变换器和一个列变换器，多一级变换，就要多一个行变换器和一个列变换器，第二级、第三级和第四级小波变换占用的变换器大部分的时间是空闲的，使资源没有得到充分的利用，造成了资源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种用于实现小波变换的多级复用超大规模集成电路，以在不降低数据处理速度的同时，减少变换器的数量，提高资源的利用率。