应用于图像处理的DCT的算法设计及硬件实现

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近几年来,随着多媒体系统在众多领域中的广泛应用和Internet的快速发展,需要存储,传输和处理的信息的数量成指数级的增加。作为次最优正交变换的DCT具有计算复杂度适中,可分离特性,及快速算法等特点,在数字信号处理,特别在图像视频数据压缩/解压缩编码领域应用广泛,在许多相关的标准中均采用DCT,如:JPEG, H.261, H.263, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4和数字电视等。 本文首先介绍了DCT在图像处理中的作用和原理,详细说明了DCT变换实现图像压缩的过程,并与其它变换比较说明了用DCT变换实现图像压缩的优势。接着,对不同的DCT算法和不同的电路实现结构做了简单的介绍,在每一种类型中,对一些代表性的论文做了简短的描述和比较,个别部分做了深入分析。根据图像处理的特点,结合DCT快速算法和硬件实现的设计方法,以提高速度,减少设计面积为目标,本文给出了一种DCT的硬件设计方案。该方案利用DCT的行列分离特性,采用流水线设计技术,将二维DCT实现转化为两个一维DCT实现。利用了DCT余弦因子预先知道和其具有的旋转特性,采用查表,移位和加法逻辑来实现乘法运算,从而避免了采用乘法器设计所造成的资源和面积的浪费,同时提高了运算速度。在一维DCT设计中,本文提出了一种DCT的新的无乘法的硬件实现结构,用基于DA分布式算法的CORDIC旋转算法来实现DCT变换,它利用CORDIC旋转算法的架构,改变了DA分布式算法的寻址机制,大大减小了查找表的规模,使查找表读出的时间大大减少;查找表的引入能够避免CORDIC旋转算法使用深的流水线,从而节约芯片面积,它们一起实现速度和面积的共同优化。 此设计遵循现代IC设计自顶向下的设计方法,它从系统总体要求出发,由上至下分层次分模块地逐步将设计内容细化,最后完成系统的整体电路设计,得到了一个不需要乘法器,只需存储器,加法器和寄存器的高性能的电路设计。综合实现结果表明,该设计结构简单,层次清晰,具有高度的规则性和模块性。
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