矢量量化编码算法及其VLSI结构设计的研究

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1、摘要数字静止摄像机以及数字文件系统的广泛应用使图像压缩技术变得越来越重要在数字图像压缩领域里矢量量化算法简单有效是一种比较有吸引力的方法矢量量化通常使用两种距离测度绝对误差测度和平方误差测度多年来对基于平方误差测度的矢量量化的研究大多集中于以软件实现的快速编码算法基于平方误差距离测度的矢量量化基本算法――全搜索算法虽然解码简单编码质量高但是需要计算输入矢量和每个码字之间的平方误差其计算复杂度和编码时间随着码书尺寸的增加而迅速增加这限制了它的实际应用因为高效的矢量量化编码系统往往采用大尺寸的码书基于绝对误差测度的矢量量化主要用于矢量量化编码处理器因为绝对误差测度计算简单方便比较适合硬件实现但是

2、基于绝对误差测度的编码算法较基于平方误差测度的编码算法的重构图像质量有所下降并行距离计算占用较多的硬件资源本文研究了基于平方误差测度的矢量量化快速编码算法及其VLSI结构本文首先以LBG码书设计算法设计了码书然后提出了适于硬件实现的保持全搜索算法编码精度的基于平方误差测度的矢量量化快速编码算法同时提出了删除不可能匹配码字的删除准则有效的候选码字搜索方式减少计算存储量的的索引空间的处理方式进一步提高了编码速度最后给出了该快速编码算法的VLSI体系结构并对设计的结构成功地进行了功能仿真和验证本文的创新点主要集中于以下几方面首先提出了一种新的图像金字塔数据结构该结构符合图像金字塔结构的定义金字塔较

3、低层的数据是相邻较高层对应4个数据的L2-范数的一半金字塔内所有数据刚好都在0~255灰度等级范围内减少了存储量开销适于硬件实现在提出的金字塔结构的基础上推出了实现快速编码的多级不等式条件当利用该不等式进行码字匹配时如果码字金字塔和输入矢量金字塔较低层之间的距离大于或等于当前最小距离则结束该码字的匹配减少了金字塔其它高层之间的距离计算量为了进一步提高编码速度提出了有效的候选码字搜索方式强有力的码字删除准则和有效地节I省存储空间的索引空间的概念由于码字金字塔和输入矢量金字塔顶层之间距离的特殊性选择范数距离输入矢量范数最近的码字作为候选码字的搜索方式可以使相对于其它所有未被排除的码字该候选码字金

4、字塔和输入矢量金字塔顶层之间距离最小以尽快地找到最佳匹配码字减少编码时间根据提出的不等式及搜索方式一旦判断有码字满足提出的删除准则则立即删除其它所有不可能匹配的码字结束当前输入矢量的编码因而可省去大量的不必要的码字匹配按照算法的要求输入矢量编码期间需要不断地从码书中删除已经比较过的码字直到码书空为止该码书与预处理码书相同所占空间较大当码书空间由码字索引组成的索引空间代替后显著降低了存储量需求进一步提高了编码速度其次研究了矢量量化快速编码算法的VLSI体系结构该结构的运算处理单元与影响编码质量的码书尺寸无关很容易扩展到任意数目的码字而不增加额外的运算硬件在改善编码质量增加码书大小方面具有一定的

5、优越性流水线处理并发操作和分时复用技术的使用既提高了系统的处理速度又充分利用了现有硬件资源与先前的基于绝对误差测度的编码处理器不同本文设计的结构基于平方误差测度既保证了较高的图像质量实现了快速编码又具有较小的硬件体积最后对设计的结构成功地进行了功能仿真和验证设计了矢量量化静止图像编码系统针对VLSI结构设计中的各个模块分别以可综合的VerilogHDL建模完成了VLSI电路设计成功地通过了功能仿真并用可编程逻辑器件(CPLD)进行了验证结果表明设计的VLSI结构是可行的具有可实现性因此本文提出的矢量量化编码算法及其VLSI结构是正确的有效的关键词矢量量化快速编码算法VLSI结构Verilog

6、HDL仿真和验证IIAbstractImagecompressionhasbecomemoreandmoreimportantinconsequenceofspreadingdigitalstillcameraanddigitaldocumentationsystemapplications.Vectorquantizationisanattractivetechniqueindigitalimagecompressionfieldduetoitssimpleandeffectivefeature.Twomeasuresareoftenusedforvectorquantization:ab

7、soluteerrormeasureandsquarederrormeasure.Formanyyears,mostoftheresearcheffortsintovectorquantizationbasedonsquarederrormeasurehaveconcentratedonfastencodingalgorithmsinsoftware.Thebasicvectorquantizationbas