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1、华中科技大学 硕士学位论文 离散余弦变换VLSI设计 姓名：来蒲军 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：陈朝阳 20060510 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 离散余弦变换(DCT)是许多图像编码国际标准的核心。由于其计算量较大，软 件实现往往难以满足实时处理的要求，因而在很多实际应用中需要采用硬件设计的 DCT 处理电路来满足我们对实时处理的要求。 本文所研究的内容就是针对图像处理 应用的 88 二维 DCT 处理核的硬件实现。 本文首先介绍了DCT的基本原理以及在图像压缩编码中的作用，分析研究了 DCT的各种快速算法
2、和硬件实现结构，给出了两个非常有代表性的快速算法，对现 有的DCT的VLSI实现结构进行了分类，总结和比较了各个结构的优缺点。然后，针 对VLSI设计中的同步问题，从异步输入、时钟电路、静态冒险和竞争四个方面对同 步逻辑电路和异步逻辑电路的优缺点做了比较和分析，给出了为使电路具有稳定 性，避免竞争和冒险的方法。最后，本文给出了 2-D DCT处理核的硬件设计方案。 该方案采用基于查找ROM表的快速算法实现，整体结构采用全并行技术，并且在计 算单元里采用流水线结构设计，从而提高处理核的运算性能，选用中芯国际 0.18um 工艺库对所设计的DCT处理核进行了综合和仿真验证，结果表明所设计的DCT处
3、理 核能够在 125M时钟频率下工作，面积为 1403819.625000 um2。 关键词：关键词：离散余弦变换 图像压缩 现场可编程门阵列 流水线 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract Discrete cosine transform (DCT) is the core of most international image compressing standards. Owing to its heavy quantity of computing, its difficult to satisfy the real-time r
4、equirement by software. Therefore, it often makes use of hardware to satisfy requirement for speed in many practical applications. The purpose of the thesis is to implement 88 2-D DCT for image processing by hardware. The thesis introduces principle and function of DCT in image compression encoding
5、at first, analyzes and studies various fast algorithms of DCT, summarizes the DCT fast algorithms and its VLSI implementation which have been done by previous researchers. Based on characteristics of image process, combining DCT fast algorithms and hardware implementation, the thesis presents a way
6、of DCT hardware implementation. To overcome the synchronization problem in VLSIs design, the paper analyzes and compares the designs of asynchronous inputs, clock circuits, static hazards and race conditions. With the analytic results, we have given effective methods to ensure that the design is sta
7、ble. Lastly, the thesis introduces the design of 2D-DCT hardware implementation particularly, based on the fast algorithm of using Looking up ROM tables. In order to improve the speed, the whole structure uses the parallel and pipeline in the computation cell. At last, synthesis and verification for
8、 design have been done. The result shows that the design could perform the function of 8 8DCT under 125MHz clock frequency. Total area is about 1403819.625000 um2 with 0.18 technology library of SMIC. Key words: Discrete Cosine Transform Image compression FPGA Pipeline II 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导
9、下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律效果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 在_年解
10、密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 研究背景以及意义研究背景以及意义 近几年来，对以数字形式处理图像的需求显著增加。由于图像扫描器性能的改 善以及成本大大降低，相片、印刷文本和其它介质现在可以很容易地转换成数字形 式(图像数字化)。 数字图像(景象数字化)的直接获取也像传感器以及相关的电子学发 展一样更加普遍；在地球遥感技术中如LAND5AT卫星拍照的利用，以及消费市场 中电子静物摄像机的出现就是很
11、好的例证。此外，医学中很多不同的摄像方式，诸 如计算层析x射线摄影法(CT)或滋共振摄像(MRI)，直接以数字形式产生图像。计算 机生成图像(合成图像)也成为数字数据的主要来源。在广告和文娱活动中广泛应用 计算机制图，并且它在科学显像以及工程应用中也在迅速增长。对数字图像如此感 兴趣的原因十分明显：用数字形式表示图像可使可视信息以有效、新颖方式灵活地 加以控制。在过去的十年中，随着计算能力按指数规律增长的事实，致使数字图像 系统在以下各个领域中广泛应用，如天文学、遥感、医学、摄影报道、图形艺术、 法律实施、广告和制造业等1。 尽管数字图像存在很多优点，但有一潜在的问题，就是要表示它们则需要大量
12、 比特数。根据计算, 在不进行编码压缩处理的情况下, 一张 600M 的光盘仅能存放 20s 左右的 640480 像素的图像信息,这就使得在对图像的存储和处理中所遇到的 困难和所需成本是非常高的2。幸而，在数字图像的标准表示中，通常含有大量冗 余度。 图像压缩是图像数据有效编码的技术和科学， 其目的在于获得这种冗余优点， 从而减少表示图像所需的比特数。这样就使存贮图像所需的存贮器，或者传输图像 所需的通道容量大大节省34。 自从离散余弦变换（DCT）被提出以来，由于它能有效的消除图像的空域冗余， 因而已被广泛应用在数字信号处理中，特别是语音及图像数据压缩、自适应滤波以 及通信系统等领域，至今
13、已被JPEG、MPEG1、MPEG2、 MPEG4和H26x等国际标准 所采用56。在选取均方差准则下，Karhunen-Loeve变换（KLT）是信号处理中的最 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 佳变换，但是KLT没有快速算法，且计算十分困难，所以不具有实用价值，但是可以 用它来做为衡量其他变换的标准。在有快速算法的次最佳变换中，DCT基向量最接近 KLT，因而发展很快7。但由于其运算量较大，为了满足实时要求，常常采用硬件来 实现其功能。而DCT所具有的快速算法也为DCT的硬件实现提供了便利。尽管DCT 快速算法很早就被提出，并已被研究和应用了几十年
14、，但二维88DCT快速算法， 仍然还未十分成熟，现在的算法所要求的乘法次数还远高于理论值。目前，还在不 断的有新的快速算法被提出和应用，对DCT算法的研究仍然是当今图像压缩编码研 究的重点之一。在考虑DCT的VLSI实现时，根据不同的应用目的，结合不同的算法， 有不同的实现方式。 1.2 国内外研究情况国内外研究情况 自从N.Ahmed等人于 1974 年提出DCT以后8 ， DCT的许多快速算法被提出。 一 般DCT算法分为两种：间接算法与直接算法，两种算法都是集中在蝶型结构上，且 目的都是为了减少乘法及加法运算量。1977 年，W.H.Chen等人根据变换矩阵具有 对称性，第一次用稀疏矩阵
15、分解法得到DCT-快速算法9。1984 年B.G.Lee提出一 种使用余割因子的DCT矩阵分解算法10，得到Cooley-Tukey式的简单结构，受到广 泛重视。 1983 年日本学者森川等人利用切比雪夫多项式的逐级分解和多项式同余的 概念，得到一种DCT算法。这种算法不仅结构简单，且使用余弦做乘子，因而比前 述各算法均优越，但其实现结构复杂。1987 年，几乎同时有三篇论文11 12 13论述 了DCT的递归算法，其中H.S.Hou的快速算法较具有代表性。近几年出现的新算法 大多是这几种算法的改进。 九十年代以来，随着JPEG、MPEG、HDTV的发展，DCT的VLSI实现也有了很大 进展，
16、各种快速算法的提出及工艺的改进也为DCT结构的发展创造了条件。现在，DCT 的VLSI实现主要还是基于行列分解法，因为此方法有较简单的数据传递结构。目前 DCT中的乘法器多采用DA算法实现，因其精度高，结构规则，占用面积相对较少。但 随着工艺的改进，特别是在深亚微米级，同一硅片将集成较以往更多的晶体管，因此晶 体管数这一芯片性能参数的重要性有所降低，脉动阵列结构有了一定的发展。总之，目 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 前DCT新算法正在被不断的提出，相应的新的VLSI实现方法也在不断产生。 1.3 IC 设计流程设计流程 典型的数字IC开发流程如图 1-2 所示14。从图中可知：我们可以把一个完整的 IC设计流程分为如下五个阶段。 第一阶段：项目策划 形成项目任务书（项目进度，周期管理等） 。流程：市场需求-调研-可行性研 究-论证-决策-
