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华中科技大学
博士学位论文
高速图像压缩编码器的VLSI结构设计研究
姓名:熊承义
申请学位级别:博士
专业:控制科学与工程
指导教师:田金文
20060501
华中科技大学博士学位论文

摘要
随着航天遥感器空间分辨率的提高、以及波段数和幅宽的大幅增加,高分辨率的
星载遥感图像的原始数据变得非常大。由于卫星通信信道容量的有限,为了能有效地
将所得到的海量数据下传,遥感卫星在数据下传之前必须采用数据压缩技术。作为最
新的静止图像压缩国际标准,JPEG2000 在遥感图像等海量数据压缩方面提供了很好
的技术支持和具有优秀的压缩性能。但是,JPEG2000 框架推荐的算法多具有较高的
实现复杂度,为了满足星载海量数据实时处理的需要,基于 JPEG2000 框架的高速数
据压缩编码系统的硬件实现具有十分重要的意义。
本文以基于 JPEG2000 的高速星载数据压缩编码系统的超大规模集成电路(VLSI)
设计为目标,主要进行了两个方面的研究工作:(a)离散小波变换的并行性研究与高速
/低功耗 VLSI 结构设计;(b)嵌入式优化截断块编码(EBCOT)算法的并行性研究与高速
VLSI 结构设计。采用 Verilog HDL 对所有设计进行了建模,并在 Altera 的 QuartusII
集成环境下完成了对相应设计的逻辑综合和时序仿真。
本文首先进行了关于高速/低功耗小波变换的结构设计研究。通过采用提升的第
二代小波变换,有限长序列的边界数据处理变得比较简单。设计了一种实现嵌入式对
称边界数据处理的结构,消除了用于扩展边界数据的缓冲器,有效减少了对外部存储
器的访问和系统功耗。尽管提升型小波变换比较传统的卷积型小波变换具有许多的优
点,但是,基于前者的硬件实现比较基于后者的实现将会具有较长的关键路径延时。
提出了一种实现并行处理的小波变换提升方案,给出了一种一维小波变换结构的速度
与面积的优化设计。并行的提升方案大大缩短了硬件系统的关键路径延时,有效提高
了系统的最高工作频率。在不采用流水线技术的条件下,实现 CDF(9,7)提升小波变换
的关键路径延时可以减少到 1 个乘法运算的延时加上 4 个加法运算的延时。提升型小
波变换通过实现两通道滤波的资源共享,有效减少了系统算术运算单元的数量,从而
减少了系统的硬件复杂度和计算复杂度。提出了一种两阶提升运算共享一组算术运算
单元的技术,同一组算术运算单元分时复用分别完成不同的提升运算(同一提升步中
的预测提升和更新提升分时完成),给出了一种基于嵌入式下采样技术以减少算术运
算单元的一维小波变换结构设计,有效降低了系统的硬件复杂度。在具体的实现
CDF(9,7)小波一维结构时,只需 3 个乘法器和 4 个加法器。新的低复杂度一维结构为
设计一种快速的直接二维结构提供了一种新的有效方法,可实现在单时钟周期完成对
2 个输入数据的变换,以及在实现 CDF(9,7)小波的二维一级分解变换时,所需的中间
数据缓冲器规模仅为 倍行宽。
影响二维小波变换硬件复杂度的主要因素在于系统的片内中间数据缓冲存储器
I
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规模,基于线扫描输入格式的直接二维小波变换的实现具有有效减少片内中间缓冲存
储器的优点。通过深入研究提升型二维可分离小波变换的特点,探查了提升型二维变
换的四个子带变换之间存在的内在并行性,提出了一种具有高速数据吞吐能力以及具
有较高速度比面积成本性能的一级直接二维小波变换结构,可实现在单时钟周期完成
4 个输入数据的变换,同时产生 4 个相应的子带系数。在此基础上,结合多级二维小
波变换递归金字塔实现的思想,提出了一种具有高速/低功耗性能的实现多级二维小
波变换的流水线并行结构,可实现在 N*N/4 时钟周期完成一帧 N*N 图像的任意级二
维小波分解。新的并行流水线结构不仅具有高速的数据吞吐能力,满足高速系统应用
的需求,而且可以通过降低工作频率以满足低功耗系统应用的需要。新的结构也具有
较高的硬件利用率。通过扩展该高速直接二维小波变换的结构,提出了一种有效的可
分离三维/高维小波变换的高速结构。比较传统的基于卷积型小波变换的三维/高维结
构,新的基于提升小波变换的高维结构能够极大地减少其实现的硬件复杂度。
EBCOT 编码算法为 JPEG2000 标准的另一核心模块。EBCOT 采用的多通道分数
位平面编码和自适应二元算术编码技术为基于位级的运算,因此,EBCOT 编码算法
在 JPEG2000 系统的实现中消耗了大部分的时间,成为基于 JPEG2000 框架图像压缩
系统高速实时运行的主要瓶颈。提出了一种