应用于JPEG2000的基于二维离散小波逆变换的硬件设计方法技术

应用于JPEG2000的基于二维离散小波逆变换的硬件设计方法，属于图像编解码技术领域。本发明专利技术解决了现有的小波逆变换频率低下，计算资源复用程度低，缓存消耗过大以及控制复杂的问题。本发明专利技术通过对协议中给定公式进行等价变形，打破奇偶数据计算时的相互等待过程，自由地进行分步计算，减少冗余存储。针对变形公式各自的特点，提出了交替扫描和栅栏型扫描两种数据读取方式，并针对并行变换行列一维方向分别设计基于流水的数据流，使硬件结构关键路径仅为一个乘法器，并可时分复用计算单元，减少面积消耗并提高吞吐率。所述方法能够在面积、吞吐率、存储器以及计算单元间寻得较好的折衷。本发明专利技术可应用于JPEG2000图像编解码系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用于JPEG2000的硬件设计方法，尤其涉及一种应用于 JPEG2000的二维离散小波逆变换（IDWT)的硬件设计方法，属于图像编解码

技术介绍
JPEG2000静止图像压缩标准创造性地引入了两种离散小波变换核，结合优化截断 的嵌入式块编码算法，因而使其具有比传统JPEG协议更加优越的性能。 JPEG2000采用了离散小波作为时频域变换算法，并引入了 5/3和9/7两种小波基 分别应用于无损和有损模式。不少开源软件公开了源代码，各大硬件制造公司纷纷推出了 商用级编解码芯片，但并未开放硬件代码。 现有的DWT/IDWT硬件结构由于提升格式算法中向下取整符号的存在，使奇偶数 据的计算需相互等待，既难以分步计算，减少冗余存储和复用并行存储单元，也限制了数据 通路的关键路径分割，导致频率低下，还难以时分复用计算单元，达到面积最优。同时由于 在现有的数据扫描方式下未能对数据流进行合理高效的设计，使行列并行变换时的转置存 储消耗过大且控制复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种应用于JPEG2000的基于二维离散小波逆变换的硬件设 计方法，以解决针对现有的小波逆变换频率低下，计算资源复用程度低，缓存消耗过大以及 控制复杂的问题。 本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是： 本专利技术所述的应用于JPEG2000的基于二维离散小波逆变换的硬件设计方法，是 按照以下步骤实现的：步骤一、对JPEG2000中给定的一维小波提升格式进行等价变形，其 中一维离散小波逆变换的等价变形过程为： 根据JPEG2000中给定的一维小波提升格式，如式（1)和式（2)所示，SJPdi分别 表示输入的偶数位和奇数位数据，#和<为变换后的偶数位和奇数位数据，Y、S、a、运 和k均为JPEG2000协议里的固定定常系数，i-1，i+1表示前一个，后一个数，其余均为中间 变量； 对于5/3小波打开其向下取整符号，如式（3)所示，而对于9/7小波，对等式两边 同时乘以伸缩因子，依据伸缩因子的不同，得到三种不同的变形公式，分别命名为DS、DD、SS 型，如式⑷?（6)所示： 5/3小波一级提升过i LL【主权项】1. 一种应用于JPEG2000的基于二维离散小波逆变换的硬件设计方法，其特征在于所 述方法包括以下步骤： 步骤一、对JPEG2000中给定的一维小波提升格式进行等价变形，其中一维离散小波逆 变换的等价变形过程为： 根据JPEG2000中给定的一维小波提升格式，如式（1)和式（2)所示，SJPd 别表示 输入的偶数位和奇数位数据，#和<为变换后的偶数位和奇数位数据，Υ、δ、α、β和k均 为JPEG2000协议里的固定定常系数，i-1，i+1表示前一个，后一个数，其余均为中间变量；对于5/3小波打开其向下取整符号，如式（3)所示，而对于9/7小波，对等式两边同时 乘以伸缩因子，依据伸缩因子的不同，得到三种不同的变形公式，分别命名为DS、DD、SS型， 如式⑷?（6)所示： 5/3小波一级提升过程 ） 9/7小波伸缩过程9/7小波一级提升过程 9/7小波二级提升过程 5/3小波一级提升过程 DS型： 9/7小波一级提升过程 9/7小波二级提升过程步骤二、根据步骤一的变形公式，通过交替扫描方式或栅栏扫描方式读取小波逆变换 所需的输入数据，交替扫描方式对上述三种变形公式均适用，而栅栏扫描方式仅适用于DD 型和SS型； 步骤三、将步骤一中变换后的数据写回，其中对于栅栏扫描方式按照栅栏扫描方式写 回，对于交替扫描方式按"z字形"方式写回； 步骤四、对于栅栏扫描方式，用栅栏扫描硬件结构实现二维小波逆变换，所述栅栏扫描 硬件结构包括： 用于在行方向进行一维小波逆变换的行逆变换模块、用于在列方向进行一维小波逆变 换的列逆变换模块，所述行逆变换模块、列逆变换模块均包含用于完成一级提升过程的一 级提升子模块、用于完成二级提升过程的二级提升子模块和用于完成伸缩过程的伸缩子模 块； 对于交替扫描方式，用交替扫描硬件结构实现二维小波逆变换，所述交替扫描硬件结 构除栅栏扫描硬件结构所包括的模块外，还包括用于将列逆变换模块的输出数据重排，并 将重排后的数据作为行逆变换模块的输入数据的单寄存器重排模块； 步骤五、基于步骤一所述的变形公式、步骤四所述的模块并依据步骤二和步骤三所述 的数据读取和写回方式，采用硬件设计原则分别设计行逆变换和列逆变换的数据流图； 步骤六、根据步骤五所述的数据流图设计得到列逆变换模块的硬件结构，其中DS型公 式在交替扫描方式下所对应的列逆变换硬件结构为： 一级提升子模块和二级提升子模块均包含5个二路选择器M1、M2、M3、M4、M5, 2个加法 器AU A2,1个乘法器、2个开关SI、S2, 3个单寄存器RU R4、R5, 3个乒乓寄存器R2、R3和 R6 ； 单寄存器Rl的数据输入端为提升子模块的数据输入端，数据输出端移出的数据同时 输入至二路选择器Ml的1数据输入端和开关Sl的输入端，开关Sl的输出端接至乒乓寄存 器R6的输入端，乒乓寄存器R6的输出端同时接在二路选择器Ml的O数据输入端和加法器 Al的输入端，二路选择器Ml的输出端与乘法器的一个输入端相连，乘法器的另一输入端与 二路选择器M2的输出端相连，定常系数输入至二路选择器M2的两个输入端； 其中，一级提升子模块中，定常系数f输入至M2的1数据输入端，定常系数$输入至 M2的O数据输入端，二级提升子模块中，定常系数输入至M2的1数据输入端，定常系数 输入至M2的O数据输入端； 乘法器的输出端接入乒乓寄存器R2的输入端，R2的输出端同时接入二路选择器M3的 〇数据输入端和二路选择器M4的1数据输入端，M3的数据输出端接入加法器Al的一个输 入端，加法器Al的输出端接入乒乓寄存器R3的输入端，R3的输出端同时接入M3的1数据 输入端和开关S2的输入端，S2的输出端接在单寄存器R4的输入端，R4的输出端同时接在 加法器A2的一个输入端和二路选择器M5的1数据输入端，A2的另一输入端接在M4的输 出端，A2的输出端接在单寄存器R5的输入端，R5的输出端同时接在M4的O数据输入端和 M5的O数据输入端，M5的输出端即为提升子模块的数据输出端； 伸缩子模块包含一个乘法器和一个二路选择器，乘法器的一个输入端和输出端分别为 伸缩子模块的输入端和输出端，伸缩子模块的输入端与二级提升子模块的输出端相连，伸 缩子模块的输出端即为列逆变换模块的输出端，乘法器的另一个输入端为二路选择器的输 出端，定常系数分别输入至二路选择器的1数据输入端和〇数据输入端； 步骤七、根据步骤五所述的数据流图设计得到行逆变换模块的硬件结构，其中DS型公 式在交替扫描方式下所对应的行逆变换硬件结构为： 一级提升子模块和二级提升子模块均包含5个二路选择器Ml、M2、M3、M4、M5, 2个加 法器AU A2，l个乘法器、两个开关SI、S2,4个单寄存器RU R2、R3、R4,两个存储器MemU Mem2 ； 单寄存器Rl的输入端为提升子模块的数据输入端，Rl的输出端同时接在二路选择器 Ml的1数据输入端和开关Sl的输入端，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于JPEG2000的基于二维离散小波逆变换的硬件设计方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：步骤一、对JPEG2000中给定的一维小波提升格式进行等价变形，其中一维离散小波逆变换的等价变形过程为：根据JPEG2000中给定的一维小波提升格式，如式(1)和式(2)所示，Si和di分别表示输入的偶数位和奇数位数据，和为变换后的偶数位和奇数位数据，γ、δ、α、β和k均为JPEG2000协议里的固定定常系数，i‑1，i+1表示前一个，后一个数，其余均为中间变量；对于5/3小波打开其向下取整符号，如式(3)所示，而对于9/7小波，对等式两边同时乘以伸缩因子，依据伸缩因子的不同，得到三种不同的变形公式，分别命名为DS、DD、SS型，如式(4)～(6)所示：5/3小波一级提升过程9/7小波伸缩过程Si(2)=kSidi(2)=1kdi]]>9/7小波一级提升过程Si(1)=Si(2)-δ×(di-1(2)+di(2))di(1)=di(2)-γ(Si(1)+Si+1(1))---(2)]]>9/7小波二级提升过程Si(0)=Si(1)-β&times;(di-1(1)+di(1))di(0)=di(1)-α(Si(0)+Si+1(0))]]>5/3小波一级提升过程DS型：9/7小波一级提升过程kδ×Si(1)=k2δSi-(di-1+di)kγδdi(1)=1γδdi-(kδSi(1)+kδSi+1(1))]]>9/7小波二级提升过程kβγδ×Si(0)=1βγ×(kδ×Si(1))-(kγδ×di-1(1)+kγδ×di(1))kαβγδ×di(0)=1αβ(kγδdi(1))-(kβγδSi(0)+kβγδSi+1(0))---(4)]]>9/7小波伸缩过程Si(0)=βγδk×(kβγδSi(0))di(0)=αβγδk×(kαβγδdi(0))]]>SS型：9/7小波一级提升过程1k×Si(1)=Si-δk2×(di-1+di)1γk×di(1)=1γδ×(δk2di)-(1kSi(1)+1kSi+1(1))]]>9/7小波二级提升过程1k×Si(0)=1kSi(1)-βγ×(1γk×di-1(1)+1γk×di(1))1αk×di(0)=1αβ×(βkdi(1))-(1kSi(0)+1kSi+1(0))---(5)]]>9/7小波伸缩过程Si(0)=k×(1kSi(0))di(0)=αk×(1αkdi(0))]]>DD型：9/7小波一级提升过程kδ×Si(1)=k2δSi-(di-1+di)kdi(1)=di-γδ×(kδSi(1)+kδSi+1(1))]]>9/7小波二级提升过程kβ×Si(0)=1βγ×(γkSi(1))-(k×di-1(1)+k×di(1))k×di(0)=k×di(1)-αβ(kβSi(0)+kβSi+1(0))---(6)]]>9/7小波伸缩过程Si(0)=βk×(kβSi(0))di(0)=1k×(kdi(0));]]>步骤二、根据步骤一的变形公式，通过交替扫描方式或栅栏扫描方式读取小波逆变换所需的输入数据，交替扫描方式对上述三种变形公式均适用，而栅栏扫描方式仅适用于DD型和SS型；步骤三、将步骤一中变换后的...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王进祥，韩谨恒，陆嵩，付方发，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23