论文题目: 小波序列图像压缩编码VLSI结构研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 光学工程
作者: 王晓东
导师: 刘文耀
关键词: 图像编码,小波变换,提升格式,零树编码,运动估计,变尺寸宏块
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 数字序列图像压缩编码是海量数字图像存储、传输等应用的基础。由于小波变换具有多分辨率特性,因此特别适于图像压缩编码。然而小波变换编码需要大量的数据操作,实时编码必须通过硬件实现。另外使用专用集成电路实现编码系统,编码器将具有面积小和功耗低等优点。研究适合硬件实现的小波图像编码算法,设计小波图像编码专用芯片已经成为小波图像编码应用的关键技术。本文对小波变换图像编码算法和它们的VLSI结构进行了研究。本文的研究包括了小波变换的提升格式和小波系数零树编码的硬件实现,以及序列图像的可变宏块运动估计硬件实现算法。为验证小波图像编码硬件算法,编写了所有硬件结构的VerilogHDL模型,并设计了一种基于FPGA的图像压缩编码实验硬件系统,对算法进行了FPGA验证。以下是本文的三个创新性成果:1)设计了一种并行阵列式二维离散小波变换(DWT)提升格式的硬件结构。小波变换选择了LS9/7双正交小波滤波器,根据这种小波滤波器,设计了分离的小波行变换和列变换的硬件结构。采用行缓冲存储器阵列,实现了图像并行二维小波变换。提升格式的乘法使用了CSD固定系数乘法,设计了树结构定点移位乘法器,显著降低了乘法器消耗的逻辑门资源。提升结构优化使用了多级流水线结构,以便加快变换速度,提高硬件利用率。2)在小波系数编码研究中,提出了一种适于硬件实现的快速无链表SPIHT零树编码算法FNLS,并给出了这种算法的硬件实现。与最初的SPIHT算法相比,这种算法使用两个标志阵列代替了原始算法的三个链表结构,显著降低了对存储器容量的需求,合并了非显著系数扫描过程和精细化过程,简化了扫描过程。本文设计了FNLS算法的硬件结构,实现了从零树分裂出来的待编码系数和零树集合的并行编码,提高了零树编码系统速度。3)小波序列图像运动估计技术研究中,提出了一种可变宏块运动估计方法,并设计了相应的硬件结构。这种运动估计方法,先搜索子宏块的运动矢量,然后对子宏块根据相邻宏块运动矢量的相似性进行合并。运动矢量搜索采用局部全搜索策略,子宏块运动估计采用了并行阵列式硬件结构,同时使用16个处理单元搜索一个宏块内16个子宏块的运动矢量,提高了运动矢量搜索速度。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究的目的和意义
1.2 现有图像压缩标准
1.3 小波图像压缩编码算法
1.3.1 小波静态图像压缩编码算法
1.3.1.1 小波变换算法
1.3.1.2 小波系数量化
1.3.1.3 小波系数编码
1.3.2 小波序列图像编码的研究
1.4 小波图像编码硬件实现
1.5 论文主要工作
1.6 论文主要创新点
1.7 论文章节安排
第二章 图像压缩中的小波基本理论
2.1 引言
2.2 小波变换基本理论
2.2.1 小波的基本思想和定义
2.2.2 小波分析的时频分析特性
2.2.3 正交小波与Mallat 快速算法
2.2.3.1 正交小波
2.2.3.2 多分辨率分析
2.2.3.3 Mallat 算法
2.2.3.4 二维Mallat 算法
2.3 双正交小波及其构造
2.3.1 双正交滤波器组
2.3.2 双正交滤波器组构造
2.4 利用提升方案构造小波
2.4.1 提升格式的基本思想
2.4.2 小波变换分解的基本提升步骤
2.4.3 求解双正交小波提升格式系数
2.5 二维小波提升算法在图像中的应用
2.6 图像编码中的一些评价指标
2.7 小结
第三章 小波静止图像编码硬件实现算法研究
3.1 引言
3.2 小波提升系数选择和分解算法
3.3 提升结构的边界延拓算法
3.3.1 边界延拓的基本方法
3.3.2 提升格式的边界延拓
3.4 提升格式的硬件实现中的若干关键问题
3.4.1 提升过程中的浮点变定点运算
3.4.2 乘法器设计
3.4.3 流水线设计
3.5 快速SPIHT 零树编码算法
3.5.1 SPIHT 编码算法
3.5.2 无链表SPIHT 编码算法
3.5.3 适合硬件的快速无链表SPIHT 编码算法
3.5.3.1 小波系数的线性索引
3.5.3.2 SPIHT 编码块划分
3.5.3.3 小波系数快速零树编码算法
3.6 实验结果和分析
3.7 小结
第四章 二维小波变换的 VLSI实现算法研究
4.1 引言
4.2 二维离散小波变换VLSI 结构
4.2.1 小波系数存储器及数据选择器
4.2.2 水平扩展模块
4.2.3 行变换模块
4.2.3.1 行滤波器模块结构
4.2.3.2 行变换提升单元乘法器选择
4.2.3.3 行变换模块仿真实验结果
4.2.4 列变换模块
4.2.5 行缓存阵列及控制模块
4.2.6 小波系数存储
4.3 小波变换的多级分解
4.4 试验结果分析
4.5 节小结
第五章 零树编码的 VLSI 实现
5.1 引言
5.2 零树编码的VLSI 总体结构
5.3 RAM 模块
5.4 全局控制模块
5.5 Childmax 模块
5.6 Init 模块
5.7 IPP 模块
5.7.1 IPP 模块的接口信号
5.7.2 IPP 模块控制器
5.7.3 IPP 模块的输出
5.7.4 IPP 模块的时序仿真实验
5.8 ISP 模块设计
5.8.1 ISPController 模块设计
5.8.2 Child_Code 模块设计
5.8.3 其他几个模块
5.9 Code_out 模块
5.10 快速零树编码硬件结构的VerilogHDL 设计与验证
5.11 小结
第六章 序列图像变尺寸块运动估计及其 VLSI结构研究
6.1 引言
6.2 序列图像编码/解码的原理
6.2.1 编码器工作原理
6.2.2 解码器工作原理
6.3 小波序列图像运动估计概述
6.4 变尺寸块运动估计
6.4.1 变尺寸块运动估计概述
6.4.2 变尺寸宏块划分和运动补偿
6.4.3 宏块模式决策
6.4.3.1 决策判据
6.4.3.2 硬件决策算法
6.5 运动矢量搜索算法
6.5.1 运动矢量搜索算法概述
6.5.2 初始搜索点确定
6.5.2.1 空间预测确定初始搜索点
6.5.2.2 时间预测确定初始搜索点
6.5.2.3 多参考帧时间预测初始搜索点
6.5.3 运动矢量的局部全搜索
6.6 运动估计硬件结构设计
6.6.1 宏块和搜索窗坐标确定
6.6.2 变尺寸运动估计硬件总体结构设计
6.6.3 运动匹配PE 阵列设计
6.6.3.1 子宏块PE 单元设计
6.6.3.2 子宏块运动矢量搜索阵列设计
6.7 变尺寸宏块运动估计性能验证
6.8 变尺寸宏块运动估计模块的VerilogHDL 设计验证
6.9 小结
第七章 基于 FPGA 和 DSP 的图像实验硬件系统
7.1 引言
7.2 小波图像硬件压缩实验系统组成
7.3 小波序列图像编码硬件的总体设计
7.4 图像采集模块的SCCB控制总线电路设计
7.5 外部图像缓存器设计
7.6 USB 接口设计
7.7 实验电路板
7.8 小结
第八章 全文工作总结与研究展望
8.1 全文的工作总结
8.2 研究展望
参考文献
攻读博士期间发表的论文和参与课题
致谢
发布时间: 2006-05-24
参考文献
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