高速圖像壓縮編碼器的VLSI結(jié)構(gòu)設(shè)計研究.pdf

1、隨著航天遙感器空間分辨率的提高、以及波段數(shù)和幅寬的大幅增加，高分辨率的星載遙感圖像的原始數(shù)據(jù)變得非常大。由于衛(wèi)星通信信道容量的有限，為了能有效地將所得到的海量數(shù)據(jù)下傳，遙感衛(wèi)星在數(shù)據(jù)下傳之前必須采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。作為最新的靜止圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)，JPEG2000 在遙感圖像等海量數(shù)據(jù)壓縮方面提供了很好的技術(shù)支持和具有優(yōu)秀的壓縮性能。但是，JPEG2000 框架推薦的算法多具有較高的實現(xiàn)復(fù)雜度，為了滿足星載海量數(shù)據(jù)實時處理的需要，基于JPE

2、G2000 框架的高速數(shù)據(jù)壓縮編碼系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)具有十分重要的意義。 本文以基于JPEG2000 的高速星載數(shù)據(jù)壓縮編碼系統(tǒng)的超大規(guī)模集成電路(VLSI)設(shè)計為目標(biāo)，主要進行了兩個方面的研究工作：(a)離散小波變換的并行性研究與高速/低功耗VLSI 結(jié)構(gòu)設(shè)計；(b)嵌入式優(yōu)化截斷塊編碼(EBCOT)算法的并行性研究與高速VLSI 結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用Verilog HDL 對所有設(shè)計進行了建模，并在Altera 的QuartusII集

3、成環(huán)境下完成了對相應(yīng)設(shè)計的邏輯綜合和時序仿真。 本文首先進行了關(guān)于高速/低功耗小波變換的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。通過采用提升的第二代小波變換，有限長序列的邊界數(shù)據(jù)處理變得比較簡單。設(shè)計了一種實現(xiàn)嵌入式對稱邊界數(shù)據(jù)處理的結(jié)構(gòu)，消除了用于擴展邊界數(shù)據(jù)的緩沖器，有效減少了對外部存儲器的訪問和系統(tǒng)功耗。盡管提升型小波變換比較傳統(tǒng)的卷積型小波變換具有許多的優(yōu)點，但是，基于前者的硬件實現(xiàn)比較基于后者的實現(xiàn)將會具有較長的關(guān)鍵路徑延時。 提出了一

4、種實現(xiàn)并行處理的小波變換提升方案，給出了一種一維小波變換結(jié)構(gòu)的速度與面積的優(yōu)化設(shè)計。并行的提升方案大大縮短了硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵路徑延時，有效提高了系統(tǒng)的最高工作頻率。在不采用流水線技術(shù)的條件下，實現(xiàn)CDF(9,7)提升小波變換的關(guān)鍵路徑延時可以減少到1 個乘法運算的延時加上4 個加法運算的延時。提升型小波變換通過實現(xiàn)兩通道濾波的資源共享，有效減少了系統(tǒng)算術(shù)運算單元的數(shù)量，從而減少了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度和計算復(fù)雜度。提出了一種兩階提升運算共享一組

5、算術(shù)運算單元的技術(shù)，同一組算術(shù)運算單元分時復(fù)用分別完成不同的提升運算（同一提升步中的預(yù)測提升和更新提升分時完成），給出了一種基于嵌入式下采樣技術(shù)以減少算術(shù)運算單元的一維小波變換結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效降低了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度。在具體的實現(xiàn)CDF(9,7)小波一維結(jié)構(gòu)時，只需3 個乘法器和4 個加法器。新的低復(fù)雜度一維結(jié)構(gòu)為設(shè)計一種快速的直接二維結(jié)構(gòu)提供了一種新的有效方法，可實現(xiàn)在單時鐘周期完成對2 個輸入數(shù)據(jù)的變換，以及在實現(xiàn)CDF(9,7)小波的

6、二維一級分解變換時，所需的中間數(shù)據(jù)緩沖器規(guī)模僅為5.5 倍行寬。 影響二維小波變換硬件復(fù)雜度的主要因素在于系統(tǒng)的片內(nèi)中間數(shù)據(jù)緩沖存儲器規(guī)模，基于線掃描輸入格式的直接二維小波變換的實現(xiàn)具有有效減少片內(nèi)中間緩沖存儲器的優(yōu)點。通過深入研究提升型二維可分離小波變換的特點，探查了提升型二維變換的四個子帶變換之間存在的內(nèi)在并行性，提出了一種具有高速數(shù)據(jù)吞吐能力以及具有較高速度比面積成本性能的一級直接二維小波變換結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)在單時鐘周期完成4

7、 個輸入數(shù)據(jù)的變換，同時產(chǎn)生4 個相應(yīng)的子帶系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合多級二維小波變換遞歸金字塔實現(xiàn)的思想，提出了一種具有高速/低功耗性能的實現(xiàn)多級二維小波變換的流水線并行結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)在N*N/4 時鐘周期完成一幀N*N 圖像的任意級二維小波分解。新的并行流水線結(jié)構(gòu)不僅具有高速的數(shù)據(jù)吞吐能力，滿足高速系統(tǒng)應(yīng)用的需求，而且可以通過降低工作頻率以滿足低功耗系統(tǒng)應(yīng)用的需要。新的結(jié)構(gòu)也具有較高的硬件利用率。通過擴展該高速直接二維小波變換的結(jié)構(gòu)，提出

8、了一種有效的可分離三維/高維小波變換的高速結(jié)構(gòu)。比較傳統(tǒng)的基于卷積型小波變換的三維/高維結(jié)構(gòu)，新的基于提升小波變換的高維結(jié)構(gòu)能夠極大地減少其實現(xiàn)的硬件復(fù)雜度。 EBCOT 編碼算法為JPEG2000 標(biāo)準(zhǔn)的另一核心模塊。EBCOT 采用的多通道分?jǐn)?shù)位平面編碼和自適應(yīng)二元算術(shù)編碼技術(shù)為基于位級的運算，因此，EBCOT 編碼算法在JPEG2000 系統(tǒng)的實現(xiàn)中消耗了大部分的時間，成為基于JPEG2000 框架圖像壓縮系統(tǒng)高速實時運行

9、的主要瓶頸。提出了一種字級并行、順序編碼的位平面編碼算法與高速的硬件結(jié)構(gòu)。新的編碼方案實現(xiàn)了多通道編碼的一次掃描順序完成，以及所有位平面編碼的字級并行完成。新的高速結(jié)構(gòu)能夠在1 個時鐘周期完成4 個系數(shù)位樣本的上下文形成。深入探討了自適應(yīng)二元算術(shù)編碼算法，給出了兩種改進的MQ 編碼器結(jié)構(gòu)，新的結(jié)構(gòu)具有較高的數(shù)據(jù)處理能力。 本文對JPEG2000 核心算法的高速VLSI 結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了較深入的研究，對如何提高各算法模塊結(jié)構(gòu)的并行處