圖像稀疏變換的低復(fù)雜度結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、稀疏表示實(shí)現(xiàn)了信號(hào)和圖像信息的一個(gè)更加簡(jiǎn)潔的表達(dá)，并揭示了其內(nèi)在稀疏性，目前在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，尤其伴隨空間技術(shù)的突飛猛進(jìn)，在空間應(yīng)用的星載圖像處理領(lǐng)域。其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)稀疏變換得到圖像的稀疏形式，以便圖像更好地處理。然而，由于星載圖像數(shù)據(jù)巨大，稀疏變換的計(jì)算復(fù)雜度高，不得不面臨提高其實(shí)時(shí)處理能力的問(wèn)題，而針對(duì)空間應(yīng)用的硬件平臺(tái)加速是未來(lái)實(shí)時(shí)性應(yīng)用發(fā)展的要求。因此，研究圖像稀疏變換低復(fù)雜度的硬件實(shí)現(xiàn)是一個(gè)非常具有使用價(jià)值且深遠(yuǎn)的研

2、究課題。為了提高面向空間應(yīng)用的星載圖像稀疏變換的實(shí)時(shí)性能，本文從硬件設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分別對(duì)奇異值分解和雙正交重疊變換展開(kāi)了深入研究，面向現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），利用器件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及開(kāi)發(fā)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，提出了稀疏變換的低復(fù)雜度結(jié)構(gòu)，特別其低時(shí)間復(fù)雜度的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對(duì)脈動(dòng)陣列頂層結(jié)構(gòu)，提出了一種快速小矩陣奇異值分解結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮將奇異向量

3、矩陣計(jì)算引入頂層結(jié)構(gòu)，消除了每次迭代處理單元的閑置時(shí)間，大大提高了算法的計(jì)算效率，從而加快了整個(gè)算法計(jì)算速度；然后，針對(duì)脈動(dòng)陣列的底層結(jié)構(gòu)，提出了一種快速的小矩陣特征值分解實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在計(jì)算底層結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變換時(shí)，利用了類坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算（Coordinate Rotation Digital Computer-like，CORDIC-like）算法，同時(shí)底層處理單元通過(guò)傳遞符號(hào)集通信，替代了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角度通信，即簡(jiǎn)化的CORIDIC

4、-like算法。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得特征值分解算法計(jì)算時(shí)間減半。⑵針對(duì)大矩陣奇異值分解，利用小矩陣奇異值分解快速實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，提出一種基于Block-Jacobi奇異值分解算法的快速實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。由于硬件平臺(tái)資源的限制，大矩陣需存儲(chǔ)于外部存儲(chǔ)器中，因而，為了減少了訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的遍歷次數(shù)，采用收斂速度更快的Block-Jacobi算法計(jì)算奇異值分解，因此，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的時(shí)間復(fù)雜度得到了顯著降低。⑶針對(duì)圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG XR的核心變換雙正交重疊變換，

5、提出了一種統(tǒng)一的前向核心變換算法，并映射得到了高效的蝶形硬件結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一結(jié)構(gòu)使得前向核心變換實(shí)現(xiàn)在資源消耗和關(guān)鍵路徑都顯著降低，同時(shí)衍生的混合并行結(jié)構(gòu)提高了變換的計(jì)算速度。該算法通過(guò)調(diào)整前向核心變換三個(gè)基本操作系數(shù)，得到它們的運(yùn)算相似性，進(jìn)而可以統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)。為了改善統(tǒng)一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)計(jì)算復(fù)雜度，對(duì)統(tǒng)一系數(shù)矩陣進(jìn)行優(yōu)化，使得在硬件實(shí)現(xiàn)中相關(guān)運(yùn)算可以復(fù)用，同時(shí)也減少了關(guān)鍵路徑延時(shí)。⑷針對(duì)雙正交重疊變換結(jié)構(gòu)對(duì)于不同輸入帶寬的需求，首先提出了一種高效的二