高性能二维离散小波变换的VLSI结构设计研究

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1、中南民族大学硕士学位论文摘要小波变换良好的时频分析特性，使其在语音和图像处理等领域中得到了广泛的应用。新一代的图像压缩标准JPEG2000采用了离散小波变换及其后续的嵌入式块编码技术，具有许多优于传统JPEG的优异性能，因此在未来的图像压缩领域具有更广泛的应用。由于小波变换算法的复杂性，为了满足系统实时性的要求，小波变换的硬件实现是一种有效的解决方案。在JPEG2000的诸多应用中，如数码相机、高清晰度电视等，考虑到速度、面积和功耗的需求，研究高性能的二维离散小波变换硬件实现具有十分重要的意义。本文围绕JPEG2000标准推荐使用的(5,3)小波变换的高性能硬件结构设计与基于FPGA的

2、实现进行了较深入的研究。提出了几种一维、二维(5,3)小波变换的VLSI结构，完成了基于FPGA的几种二维(5,3)小波变换的设计与仿真，并对各种设计的性能进行了分析和比较，为进一步的具体实现提供了有效的依据。论文首先对(5,3)小波变换进行了详细的理论分析和讨论，在此基础上用MATLAB实现了小波分解和重构的软件仿真，并讨论了硬件设计过程中的位宽问题。在详细介绍了VLSI设计所需考虑的各种性能指标(速度，功耗，面积)的基础上，提出了几种新型的一维、二维离散小波变换的硬件结构。在设计过程中采用了许多的优化技术来提高系统性能，使用移位加法代替乘法运算，采用嵌入式对称延拓技术实现边界数据处

3、理，有效减少了片内缓存器的大小，节约了硬件资源和降低了系统功耗。采用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，在ALTERA公司的FPGA开发软件QUARTUSⅡ中实现了综合和功能仿真。功能仿真的结果与MATLAB得到的结果完全一样，验证了所设计硬件的正确性和可实现性。关键词:离散小波变换;提升算法;VLSI;FPGAI高性能二维离散小波变换的VLSI结构设计研究AbstractBecauseofexcellentTime-Frequencyanalysischaracteristics,thewavelettransformiswidelyusedinman

4、yfieldssuchasimagecompressionandspeechprocessing.ThelateststillimagecompressionstandardJPEG2000adoptsDiscreteWaveletTransform(DWT)andEmbeddedBlockCodingwithOptimizedTruncation(EBCOT),whichachievesmuchbetterthanthetraditionalJPEGstandard.Withitsexcellentperformanceandprominentfeatures,JPEG200will

5、haveabrightfutureintheimagecompressionfield.Duetothecomplexityofthealgorithm,hardwareimplementationofwavelettransformisausefulsolutiontosatisfythereal-timerequirement.Inconsiderationofspeed,area,power,hardwareimplementationofahighperformance2Ddiscretewavelettransformisneededandsignificantinmanyr

6、ealsystemsusingJPEG2000,suchasdigitalcamera,highdefinitiontelevisionandsoon.ThisthesisstudiedindetailonthehighperformancehardwarearchitecturedesignandtheFPGArealizationof(5,3)wavelettransforminJPEG2000.Inthisthesis,the1Dand2DVLSIarchitecturesof(5,3)wavelettransformareproposed,andthedesignandsimu

7、lationforthe2D(5,3)wavelettransformbasedonFPGAareaccomplished,withthecomparisonsandanalysisfortheperformanceoftheabovedesignsbeinggivenindetail,whichthusprovidesomeeffectiveguidanceforfurtherdesign.Firstly,thetheoryof(5,3)wa