[实用新型]二维离散余弦变换/逆离散余弦变换电路

说明书

技术领域

本实用新型涉及图像与视频压缩技术中使用的离散余弦变换(DCT变换)和离散余弦反变换(IDCT变换)的FPGA硬件结构及变换方法，尤其涉及对8×8块的图像数据进行二维DCT变换或二维IDCT变换的电路及其方法。

背景技术

离散余弦变换是数字图像处理和压缩领域的重要变换之一，采用非均量量化的方法来降低图像中的高频分量，消除图像内部的空间冗余信息，同时将图像数据转换成可归一、量化和可变长编码的频域系数。图像信息经过DCT变换后绝大部分的能量集中直流分量和少数低频分量上，广泛应用于静态图像压缩标准JPEG、动态图像压缩标准MPEG和H.26x中。因而如何提高DCT/IDCT性能，并将其应用于集成电路中，已成为重要的课题。此外，作为DCT/IDCT运算功能的电路部分，除了需满足高效率、实时处理数据外，需尽量简化电路，以最少的硬件结构达到最快的运行目的。

二维DCT变换的计算公式如下：

其中v、u、x、y均取0,1,2,…,N-1；x、y是采样域的空间坐标；u、v是变换域的坐标；

 

二维DCT一般都是采用行列分离法来实现，即首先依次对采样域中每行的图像数据做一维DCT变换，这称为行变换；然后再依次对每一列的图像数据做一维DCT变换，这称为列变换。当然也可以先进行列变换再进行行变换，即

其中对于8×8块的DCT变换可转化成16次9点一维DCT变换，如下所示：

此外，由于直接按照公式计算8×8的二维DCT变换，求得每个DCT系数需要64次乘法和63次加法，那么整个二维DCT 变换总共需要4096次乘法和4032次加法。为减少DCT变换乘法的运算次数，人们研究出了多种快速DCT算法，例如：Feig、Chen-Wang、Lee、Hou、Loeffler以及binDCT算法等。其中Loeffler算法已经将DCT变换的乘法计算次数降低到理论极限值，完成一次一维8点DCT变换需要11次乘法和29次加法；Loeffler算法的核心是如图1所示的旋转结构，该结构需要四次乘法和两次加法（，，）。而binDCT算法是在Loeffler算法的基础上改善而来，又称基于如图2所示的提升结构的无乘法DCT算法，是目前最快的一维DCT快速算法，该算法利用三次提升结构消除了乘法，只需加法和移位便可实现DCT变换，算法效率大，便于硬件实现。

binDCT算法实现DCT变换时，虽然只需加法器和移位器，但该算法划分为四个阶段，而且各个阶段顺序执行，变换电路在结构上仍然比较复杂，需要耗费比较多的加法器和移位器，变换速度及精度也受限。

发明内容

为解决现有技术所存在的上述技术问题，本实用新型的首要目的在于提供一种二维离散余弦变换/逆离散余弦变换电路，采用一个加法器和两个移位器代替一个乘法器，通过选择特定的系数，使得硬件电路无需使用耗费资源较多、速度较慢的乘法器，是一种高效的无乘法器的DCT变换电路。该电路只需要很少的加法器和移位器，并可以达到很高的精度。

本实用新型的另一目的在于提供二维离散余弦变换/逆离散余弦变换方法。

本实用新型的首要目的通过以下技术方案实现：二维离散余弦变换/逆离散余弦变换电路，其特征在于：包括输入存储器和输出存储器，用于缓冲需要处理的数据的寄存器表，用于数据转置处理的解复用器、第一复用器、第二复用器，用于控制数据处理流程的控制单元，用于产生时钟信号的时钟模块，以及离散余弦变换/逆离散余弦变换单元，输入存储器、第一复用器、寄存器表、解复用器、离散余弦变换/逆离散余弦变换单元、第二复用器、输出存储器依次连接；所述离散余弦变换/逆离散余弦变换单元包括寄存器、对寄存器的数据进行一次和或差运算的第一和差运算单元、对寄存器的数据进行移位后依次进行两次和或差运算的第二和差运算单元，第一和差运算单元、第二和差运算单元的输入端、输出端均与寄存器相连接，寄存器还分别与解复用器、第二复用器相连接。

所述第一和差运算单元包括4个并行的第一加减法器、4个输入端、4个输出端，所述4个输入端中任一个均被2个第一加减法器所共用，每一个第一加减法器的输出端均作为第一和差运算单元的输出端。

所述第二和差运算单元包括16个移位器、8个第二加减法器、4个第三加减法器、4个输入端、4个输出端；每4个移位器共用一个输入端，每2个移位器后均对应连接一个第二加减法器，每2个第二加减法器后还均对应连接一个第三加减法器，每一个第三加减法器的输出端均作为第二和差运算单元的输出端。