无分裂结构的二维小波变换图片处理芯片设计与验证

摘要：5／3小波变换硬件实现常用结构是先完成分裂，再依照分裂后的数据完成预测部分和更新部分的变换，这需要复杂的控制结构。在此采用JPEG2000推荐的5／3小波变换公式，在基于行的列变换基础上提出了一种全新的无数据分裂的结构。该结构放弃地址寻址的数据读取模式，采用读取一维数据流节点的输入方式，从时应的寄存器中读取在多个寄存器中依次流动的数据，省略了数据输入的地址控制模块。由于减少了数据分裂步骤，并且无需控制预测及更新步骤的交替进行，因此简化了小波变换控制系统的结构。在此运用软硬件协同的验证方法，利用计算机软件和FPGA结合，完成图片从计算机端输入，在FPGA中完成小波变换，并输出到计算机显示器上显示的步骤。
关键词：小波变换；软硬件协同验证；FPGA；JPEG 2000

0 引言
小波分析是当前应用数学和工程学科中一个迅速发展的新领域，而近年来基于小波变换的图像压缩技术以硬件方式推向市场，图片压缩已成为小波变换极其重要的应用领域。而在原有的小波变换的理论基础上发展的基于小波变换的更新算法，不采用Fourier变换作为主要的分析工具，这与经典小波变换相比具有小波构造简单、反变换容易实现、运算速度快和节省存储空间等优点。但其在硬件应用开发上，对中间数据量要求较大，占用较多寄存器，因而通过硬件结构的探索来减小寄存器的开销，成为小波变换图片处理的一个重要分支。
本文提出了无分裂步骤的5／3小波变换结构，完成了该结构的FPGA硬件实现，并结合计算机端Matlab软件，正确完成图片变换验证。

1 硬件结构
1．1 算法实现结构
本文采用JPEG2000推荐的5／3小波变换算法，算法公式如下：

常见的小波变化实现结构如图1所示，先完成分裂，再进行预测，最后完成更新步骤。分裂步骤是指通过对数据地址n的奇偶进行判断，将数据分裂为奇地址部分和偶地址部分。输入奇地址部分数据，进行预测部分运算，并输出细节数据；输入偶地址部分数据，完成更新部分运算，输出平滑数据。因此需要根据输入数据的地址，对数据进行分裂，或控制预测部分和更新部分交替工作。

本文提出一种全新的运算结构，以一维数据流输入数据，无需数据分裂步骤，并且不需要控制预测部分和更新部分的运行和停止，通过对数据流固定节点取值，分别完成预测和更新步骤，并根据数据地址的变换，利用数据选择器从2个端口交替读取数据即能控制预测和更新步骤的运行。
1．2 数据存取结构
本文采用基于行的列变化和流水线结构，完成二维小波变化数据处理。输入数据以一维数据流形式逐一输入，变化模块读取数据流中的数据进行数据计算，产生变化结果。