基于FPGA 的多用途提升小波變換核
出處：王麗榮，申鉉國，王芳榮，王延杰 發(fā)布于：2007-09-24 14:57:45
摘 要：根據(jù)小波變換的框架式結(jié)構(gòu)，提出了一種在FPGA 上完全依靠重構(gòu)來實現(xiàn)不同提升小波變換核的方法。根據(jù)變換特性和重構(gòu)要求，采用了由下至上的結(jié)構(gòu)體設(shè)計方法，將每個提升步驟用可編程的參數(shù)來表示，以保證每個提升步驟均可重構(gòu)。給出了提升小波變換核在FPGA 上的結(jié)構(gòu)體，在邏輯綜合時按不同小波的要求，改變參數(shù)可得到不同的結(jié)果。仿真實驗表明，提升小波變換核的結(jié)構(gòu)體在處理能力和功耗方面都取得了很好的效果，尤其在處理速度上，能滿足圖像處理實時性要求。
關(guān)鍵詞：圖像處理；提升框架；FPGA ；重構(gòu)；綜合
引 言
基于提升框架的小波變換方法，利用FPGA 可編程特性可實現(xiàn)多種小波變換。提升框架(LS ：Lifting Scheme) 是由Sweldens 等人在近幾年提出的一種小波變換方法，用它的框架結(jié)構(gòu)能有效地計算DWT。對于較長的濾波器，LS 的操作次數(shù)比濾波器組的操作方式減少將近一半，更適合硬件實現(xiàn)。作者根據(jù)提升小波變換的框架式結(jié)構(gòu)，利用FPGA 可完全重構(gòu)的特點構(gòu)造不同的小波變換核，以滿足不同應(yīng)用場合的要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用由下至上的設(shè)計方法，每個提升步驟都由一些可編程的參數(shù)來表示，保證了每個步驟均可重構(gòu)。這些參數(shù)包括用于表示數(shù)據(jù)的位數(shù)和每個內(nèi)部數(shù)學(xué)模塊的通道深度。在邏輯綜合時按不同小波的要求，改變參數(shù)可得到不同的結(jié)果。以圖像處理中常用的(5 ，3)濾波器為例說明依靠FPGA 的重組特性實現(xiàn)濾波器的小波變換核方法。實驗結(jié)果表明，利用FPGA 設(shè)計的提升小波變換核能滿足不同場合和不同運(yùn)行的要求。
LS 小波變換理論
LS 變換過程如圖1 所示，逆變換與正變換相同，只是順序相反。時間離散的濾波器可由它的多項矩陣來表示，多項矩陣由脈沖響應(yīng)的奇偶采樣序列的Z 變換得到。LS 小波變換的實質(zhì)是對經(jīng)典小波濾波器采用Euclidean 算法的多項式進(jìn)行分解。
圖1 正向LS 變換
一個時間離散的濾波器H( z ) 用多項式表示如下：
He ( z ) 和Ho ( z ) 各自從
奇偶系數(shù)得到。分析濾波器H ( z ) 和G( z ) 分別表示低通和高通，表示成多相矩陣為
P( z ) 可被模擬為分析濾波器。根據(jù)Euclidean算法可將P( z ) 和P( z ) 分解成：
上面的分解不是的，可有幾對{ si ( z ) } 和{ t i ( z ) } 濾波器，但對于計算DWT 所有的選擇是等同的。
FPGA 及提升核的實現(xiàn)
FPGA 及重構(gòu)特性
FPGA(Field Programmable Gate Array ，現(xiàn)場可編程門陣列) 是超大規(guī)模集成電路(VL、SI) 技術(shù)和計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD) 技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。FPGA 器件集成度高、體積小、具有通過用戶編程實現(xiàn)專門應(yīng)用的功能。FPGA 一般由3 種可編程電路和1 個用于存放編程數(shù)據(jù)的SRAM 組成。這3 種可編程電路是：可編程邏輯塊CLB (Configurable Logic Block) 、輸入/輸出模塊IOB ( I/O Block) 和互連資源IR( Interconnect Resource) 。由于基于小波的應(yīng)用越來越廣泛，所以利用FPGA 的靈活結(jié)構(gòu)實現(xiàn)可重構(gòu)的提升框架小波變換核具有很高的應(yīng)用價值和研究價值。設(shè)計從基本的數(shù)學(xué)模塊和邏輯模塊開始，采用由下至上的設(shè)計方法，所有的庫模塊用VHDL 語言描述，允許根據(jù)設(shè)計要求選擇每個單元的數(shù)據(jù)通道大小。為了滿足不同環(huán)境的需要，既要求可以改變單獨模塊的通道層深度，又要求考慮與其他設(shè)備的相容性。將提升方法與FPGA 的特性結(jié)合起來，使不同的提升小波變換在FPGA 上可滿足不同應(yīng)用場合的需要。
圖2 提升核結(jié)構(gòu)體
提升小波變換核的實現(xiàn)
如圖1 所示，LS 變換是連續(xù)的獨立的簡單濾波操作過程，這個過程就是提升步驟。由圖1 可導(dǎo)出優(yōu)化了的提升核結(jié)構(gòu)體。近幾年，采用JPEG2000 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖像傳輸成為熱點，很多文獻(xiàn)中均提出了不同的提升小波變換結(jié)構(gòu)體。
但是這些提升結(jié)構(gòu)體大都只考慮可操作性，而忽略了功耗和靈活性。作者提出的提升核結(jié)構(gòu)體(圖2) 采用與以往不同的由下至上的設(shè)計方法。主要特點是指定了1 個單獨的流水式的乘法單元和2個加法單元。乘法單元主要用于處理濾波器系數(shù)的對稱問題，加法單元用于實現(xiàn)分析或綜合的變換。
值得注意的是所有的通道層都可用所設(shè)計的庫模塊來排列，因此為了保證內(nèi)部IP 核數(shù)據(jù)流的同步性，必須考慮前后交叉問題。例如，在加法輸出時，已經(jīng)放置了一個乘法器，允許對提升步驟的結(jié)果進(jìn)行歸一化。采用這種設(shè)計方法，能獲得的數(shù)據(jù)和快的運(yùn)行速度。此外，整數(shù)的數(shù)學(xué)單元更容易進(jìn)行深層的流水操作，獲得很高的數(shù)據(jù)吞吐量。圖2 所提出的結(jié)構(gòu)既考慮了可操作性又考慮了應(yīng)用的靈活性，由于提高了運(yùn)行速度，所以降低了功耗。
邏輯綜合結(jié)果
首先采用VHDL 語言來描述由基本的可重構(gòu)的數(shù)學(xué)模塊和邏輯模塊設(shè)計的變換核結(jié)構(gòu)體，然后在MAX+PLUSⅡ集成環(huán)境下進(jìn)行功能仿真，實現(xiàn)所需變換核，進(jìn)行FPGA 邏輯綜合。在Altera1 公司的FLEX10K上設(shè)計的結(jié)構(gòu)體，經(jīng)過邏輯綜合得到很滿意的結(jié)果，見表1 。表1 的結(jié)果直接由邏輯綜合得到，沒有考慮各種客觀因素引起的延時。在設(shè)計流程步驟之后的安放運(yùn)行過程中，可進(jìn)行更的時序分析。另外，為了獲得完整的分析結(jié)果，需參考FPGA 廠家提供的指標(biāo)估計功率消耗，使用時應(yīng)選擇功耗小的可編程器件，更好地滿足不同使用環(huán)境的要求。以(5 ，3) 濾波器為例，計算(5 ，3) 小波需要4個提升核的疊加，所提出的結(jié)構(gòu)體計算正向或逆向(5 ，3)DWT ，對每幀像素1400×1400 采用15位采樣數(shù)和12位合成濾波器系數(shù)，以全時鐘頻率運(yùn)行，進(jìn)行5 層分解、重構(gòu)，每秒鐘能處理25 幀圖像，功耗為267.6 mW。
表1 提升核綜合結(jié)果
結(jié)束語
提出的可重構(gòu)的提升核結(jié)構(gòu)體，采用特殊的即從下至上的設(shè)計方法，保證了限度地重復(fù)利用性和重構(gòu)特性。仿真結(jié)果說明，提升小波變換核的結(jié)構(gòu)體無論在處理能力和功耗方面都取得了很好的結(jié)果，尤其在處理速度上，能滿足圖像處理實時性要求。將來的進(jìn)一步發(fā)展是將更多的自由參數(shù)加入基本的算術(shù)模塊中，保證結(jié)構(gòu)體具有更好的操作性，并且使功率消耗減少，能滿足不同應(yīng)用場合的需要，對降低設(shè)備成本，提高使用效率有實際意義。
關(guān)鍵詞：圖像處理；提升框架；FPGA ；重構(gòu)；綜合
引 言
基于提升框架的小波變換方法，利用FPGA 可編程特性可實現(xiàn)多種小波變換。提升框架(LS ：Lifting Scheme) 是由Sweldens 等人在近幾年提出的一種小波變換方法，用它的框架結(jié)構(gòu)能有效地計算DWT。對于較長的濾波器，LS 的操作次數(shù)比濾波器組的操作方式減少將近一半，更適合硬件實現(xiàn)。作者根據(jù)提升小波變換的框架式結(jié)構(gòu)，利用FPGA 可完全重構(gòu)的特點構(gòu)造不同的小波變換核，以滿足不同應(yīng)用場合的要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用由下至上的設(shè)計方法，每個提升步驟都由一些可編程的參數(shù)來表示，保證了每個步驟均可重構(gòu)。這些參數(shù)包括用于表示數(shù)據(jù)的位數(shù)和每個內(nèi)部數(shù)學(xué)模塊的通道深度。在邏輯綜合時按不同小波的要求，改變參數(shù)可得到不同的結(jié)果。以圖像處理中常用的(5 ，3)濾波器為例說明依靠FPGA 的重組特性實現(xiàn)濾波器的小波變換核方法。實驗結(jié)果表明，利用FPGA 設(shè)計的提升小波變換核能滿足不同場合和不同運(yùn)行的要求。
LS 小波變換理論
LS 變換過程如圖1 所示，逆變換與正變換相同，只是順序相反。時間離散的濾波器可由它的多項矩陣來表示，多項矩陣由脈沖響應(yīng)的奇偶采樣序列的Z 變換得到。LS 小波變換的實質(zhì)是對經(jīng)典小波濾波器采用Euclidean 算法的多項式進(jìn)行分解。
圖1 正向LS 變換
一個時間離散的濾波器H( z ) 用多項式表示如下：
奇偶系數(shù)得到。分析濾波器H ( z ) 和G( z ) 分別表示低通和高通，表示成多相矩陣為
P( z ) 可被模擬為分析濾波器。根據(jù)Euclidean算法可將P( z ) 和P( z ) 分解成：
上面的分解不是的，可有幾對{ si ( z ) } 和{ t i ( z ) } 濾波器，但對于計算DWT 所有的選擇是等同的。
FPGA 及提升核的實現(xiàn)
FPGA 及重構(gòu)特性
FPGA(Field Programmable Gate Array ，現(xiàn)場可編程門陣列) 是超大規(guī)模集成電路(VL、SI) 技術(shù)和計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD) 技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。FPGA 器件集成度高、體積小、具有通過用戶編程實現(xiàn)專門應(yīng)用的功能。FPGA 一般由3 種可編程電路和1 個用于存放編程數(shù)據(jù)的SRAM 組成。這3 種可編程電路是：可編程邏輯塊CLB (Configurable Logic Block) 、輸入/輸出模塊IOB ( I/O Block) 和互連資源IR( Interconnect Resource) 。由于基于小波的應(yīng)用越來越廣泛，所以利用FPGA 的靈活結(jié)構(gòu)實現(xiàn)可重構(gòu)的提升框架小波變換核具有很高的應(yīng)用價值和研究價值。設(shè)計從基本的數(shù)學(xué)模塊和邏輯模塊開始，采用由下至上的設(shè)計方法，所有的庫模塊用VHDL 語言描述，允許根據(jù)設(shè)計要求選擇每個單元的數(shù)據(jù)通道大小。為了滿足不同環(huán)境的需要，既要求可以改變單獨模塊的通道層深度，又要求考慮與其他設(shè)備的相容性。將提升方法與FPGA 的特性結(jié)合起來，使不同的提升小波變換在FPGA 上可滿足不同應(yīng)用場合的需要。
圖2 提升核結(jié)構(gòu)體
提升小波變換核的實現(xiàn)
如圖1 所示，LS 變換是連續(xù)的獨立的簡單濾波操作過程，這個過程就是提升步驟。由圖1 可導(dǎo)出優(yōu)化了的提升核結(jié)構(gòu)體。近幾年，采用JPEG2000 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖像傳輸成為熱點，很多文獻(xiàn)中均提出了不同的提升小波變換結(jié)構(gòu)體。
但是這些提升結(jié)構(gòu)體大都只考慮可操作性，而忽略了功耗和靈活性。作者提出的提升核結(jié)構(gòu)體(圖2) 采用與以往不同的由下至上的設(shè)計方法。主要特點是指定了1 個單獨的流水式的乘法單元和2個加法單元。乘法單元主要用于處理濾波器系數(shù)的對稱問題，加法單元用于實現(xiàn)分析或綜合的變換。
值得注意的是所有的通道層都可用所設(shè)計的庫模塊來排列，因此為了保證內(nèi)部IP 核數(shù)據(jù)流的同步性，必須考慮前后交叉問題。例如，在加法輸出時，已經(jīng)放置了一個乘法器，允許對提升步驟的結(jié)果進(jìn)行歸一化。采用這種設(shè)計方法，能獲得的數(shù)據(jù)和快的運(yùn)行速度。此外，整數(shù)的數(shù)學(xué)單元更容易進(jìn)行深層的流水操作，獲得很高的數(shù)據(jù)吞吐量。圖2 所提出的結(jié)構(gòu)既考慮了可操作性又考慮了應(yīng)用的靈活性，由于提高了運(yùn)行速度，所以降低了功耗。
邏輯綜合結(jié)果
首先采用VHDL 語言來描述由基本的可重構(gòu)的數(shù)學(xué)模塊和邏輯模塊設(shè)計的變換核結(jié)構(gòu)體，然后在MAX+PLUSⅡ集成環(huán)境下進(jìn)行功能仿真，實現(xiàn)所需變換核，進(jìn)行FPGA 邏輯綜合。在Altera1 公司的FLEX10K上設(shè)計的結(jié)構(gòu)體，經(jīng)過邏輯綜合得到很滿意的結(jié)果，見表1 。表1 的結(jié)果直接由邏輯綜合得到，沒有考慮各種客觀因素引起的延時。在設(shè)計流程步驟之后的安放運(yùn)行過程中，可進(jìn)行更的時序分析。另外，為了獲得完整的分析結(jié)果，需參考FPGA 廠家提供的指標(biāo)估計功率消耗，使用時應(yīng)選擇功耗小的可編程器件，更好地滿足不同使用環(huán)境的要求。以(5 ，3) 濾波器為例，計算(5 ，3) 小波需要4個提升核的疊加，所提出的結(jié)構(gòu)體計算正向或逆向(5 ，3)DWT ，對每幀像素1400×1400 采用15位采樣數(shù)和12位合成濾波器系數(shù)，以全時鐘頻率運(yùn)行，進(jìn)行5 層分解、重構(gòu)，每秒鐘能處理25 幀圖像，功耗為267.6 mW。
表1 提升核綜合結(jié)果
結(jié)束語
提出的可重構(gòu)的提升核結(jié)構(gòu)體，采用特殊的即從下至上的設(shè)計方法，保證了限度地重復(fù)利用性和重構(gòu)特性。仿真結(jié)果說明，提升小波變換核的結(jié)構(gòu)體無論在處理能力和功耗方面都取得了很好的結(jié)果，尤其在處理速度上，能滿足圖像處理實時性要求。將來的進(jìn)一步發(fā)展是將更多的自由參數(shù)加入基本的算術(shù)模塊中，保證結(jié)構(gòu)體具有更好的操作性，并且使功率消耗減少，能滿足不同應(yīng)用場合的需要，對降低設(shè)備成本，提高使用效率有實際意義。
參考文獻(xiàn):
[1]. FLEX10K datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/FLEX10K_328755.html.
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