南台科技大学
电子工程研究所 硕士学位论文
上提式离散小波硬体设计
The VLSI Design of Lifting-Based Discrete Wavelet Transform
研 究 生:张宜恒 指导教授:陈培殷 中华民国九十二年六月
IV
摘
要
近年来,离散小波转换(Discrete Wavelet Transform,简称 DWT)普遍受到工 程研究人员的重视,目前已成功地应用在各种领域,包括数值分析,信号分析, 影像编码,统计学与生物医学等.由於离散小波转换具有极佳能量集中的特质和 与生俱来可阶式的特性,它也在影像及视讯压缩编码系统中受到极高的重视.
为了将离散小波转换应用於即时信号(如影像与声音)处理,必须考量 ASIC 硬体实现.近年来,有许多 1-D(one-dimension)及 2-D(two-dimension)离散小 波转换的硬体架构被提出.虽然有许多学者提出关於离散小波转换的架构,但基 於先天上的限制,它所耗费的计算量仍然过大.在 1996 年时,一种新的小波转换 架构-上提式(lifting-based)离散小波转换,开始受到大家的重视.这种类似於 预测编码的小波架构,所转换出来的小波系数与传统滤波器方式相同,但是所使 用的硬体资源是原来滤波器架构的一半,而且有较高的硬体使用率,较少的储存 单元及更规则的架构.上提式离散小波因为具备优异的特性,也成为影像压缩标 准 JPEG -2000 的主要核心.
在本论文中,主要是设计一,二维的高效能离散小波转换,第一部分设计多 阶的离散小波转换架构,以提高其硬体使用率及减少转换过程中所需要的暂存器 数目,并降低转换所需的硬体成本.第二部分是将使用 9/7 滤波器系数的离散小波 以符合 JPEG2000 的方式来实现,并且针对它的边界效应加以处理达到完整的影像 重建效果.整个硬体架构使用 TSMC (0.35um)标准元件库来合成其电路,离散小波
2 所需的闸数(gate counts)约为 3794,面积是 1210 × 1211 m ,处理速率为 76.9MHz.
最后,更将离散小波转换硬体电路实现於 Altera APEX EP20K400EBC652-1x 的 FPGA 晶片上,成为一个完整的验证系统.
V
Abstract
In the last decade, discrete wavelet transform (DWT) has proven to be a useful technique for a wide range of applications including signal analysis, signal compression, pattern recognition, biomedicine, and numerical analysis. Since DWT has excellent features of energy compaction and inherent scalability, it has been applied extensively in the field of image and video compression.
Because the traditional DWT is composed of filters, the VLSI implementation complexity is very high. In 1996, a new technique, lifting-based discrete wavelet transform, is proposed. The advantages of the lifting-based DWT are lower implementation complexity and less hardware resources. The lifting-based DWT is also used in the newest image standard JPEG2000.
In this thesis, the 1-D and 2-D DWT architectures are proposed. In the first part, we propose multi-level DWT architectures to achieve higher hardware utilization. In the second part, we use 9/7 filters and implement the lifting discrete wavelet transform processing used in JPEG2000 image compression standard. Also, a special design is adopted to process the boundary distortion problem.

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