【正文】 kcl rl a t ch 2 _ o u t [ 5 . . 0 ]t [ 4 . . 0 ]t ~[ 4 . . 0 ]5 39。 1 39。e l s i f ( c l k 39。 1 39。i f ( t = 1 5 ) t h e n l a t c h 2 _ o u t = l a t c h 2 _ i n 。e n d i f 。e n d p r o c e s s 。本文在這里只給出了低通濾波器的設(shè)計(jì)，高通濾波器的設(shè)計(jì)只需將所求的濾波系數(shù)進(jìn)行更換，結(jié) 構(gòu)不變。同時(shí)本文也只基于對(duì)圖像進(jìn)行一級(jí)小波變換分解，如果對(duì)壓縮要求更高而對(duì)失真程度要求不嚴(yán)，可以繼續(xù)進(jìn)行二級(jí)和三級(jí)等等分解，步驟就是將上一級(jí)得到的低頻分量繼續(xù)通過(guò)濾波器組進(jìn)行分解。是一種經(jīng)典而有效的編碼方式，在對(duì)信源概率精確統(tǒng)計(jì)的情況下，霍夫曼編碼往往能取得最佳的 壓縮效果。而硬件實(shí)現(xiàn)霍夫曼編碼因?yàn)榇a字長(zhǎng)度不等存在比較大的難度，所以本文將對(duì)此展開研究。當(dāng)平均碼長(zhǎng)大于圖像熵時(shí)，表明該編碼方法效率很低；當(dāng)平均碼長(zhǎng)等于或很接近于 (但不大于 )圖像熵時(shí)，稱此編碼方法為最佳編碼，此時(shí)不會(huì)引起圖像失真。有變長(zhǎng)編碼中，如果碼字長(zhǎng)度嚴(yán)格按照對(duì)應(yīng)符號(hào)出現(xiàn)的概率大小逆序排列，則其平均碼字長(zhǎng)度為最小，這就是變長(zhǎng)最佳編碼定理。 設(shè) D為編碼所使用的數(shù)制，則變長(zhǎng)最佳編碼的平均碼字長(zhǎng)度 R的范圍為 ( 4 1 )1HHRlb D lb D ?? ? ? 霍夫曼編碼基本流程 霍夫曼編碼是以信源概率分布為基礎(chǔ)的，通常采用對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到的近似分布來(lái)代替，霍夫曼編碼的一般流程如下： （ 1） 首先統(tǒng)計(jì)信源中各符號(hào)出現(xiàn)的概率 ，出現(xiàn)的概率從 大到小排序。 （ 3） 對(duì)新的概率集合重新排序，再次把其中最小的兩個(gè)概率相加，組成新的概率集合。 （ 4） 分配碼字。 從霍夫曼編碼的流程看出樹的構(gòu)建在霍夫曼編碼中占有很重要的地位，因?yàn)樵跇?gòu)建樹的過(guò)程中可以獲得整個(gè)樹的節(jié)點(diǎn)全部信息以用于編碼。所以，霍夫曼編碼的最終實(shí)現(xiàn)可以分為兩步： 1樹的構(gòu)造。下面就將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)研究。樹的構(gòu)造過(guò)程中將產(chǎn)生 N— 1個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。設(shè)立指針 i指向 nsv ， t和 m指向 1nv 。用其中權(quán)重最小的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造子二叉樹，并生成新的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)．其編號(hào)等于已生成內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的總數(shù)加 1，以保證 ns中的元素按權(quán)重升序排列．最后，根據(jù)選擇結(jié)果移動(dòng) i,t,m直到 m指向 1Nnv? (即根節(jié)點(diǎn) )．在上述過(guò)程中，子二叉樹的構(gòu)造具有一定的隨機(jī)性．為確保惟一性，作如下規(guī)定： ① 當(dāng) 1knv? 和 knv 權(quán)重相等時(shí) 。 ② 當(dāng) 1isv? 和 isv 權(quán)重相等時(shí)，認(rèn)為 isv 權(quán)重較小。 25 上述規(guī)定使霍夫曼樹可由 ss惟一確定。顯然， s中各節(jié)點(diǎn)的排序代表了它們被選出構(gòu)造子二叉樹的先后次序．故 s代表了霍夫曼樹的構(gòu)造過(guò)程。假設(shè)輸入處理 8bit數(shù)據(jù)，設(shè)置 3個(gè)整形的數(shù)組如下： type array_ss is array (8 downto 0) of integer range 0 to 101 。 type array_s is array (15 downto 0) of integer range 0 to 100。 signal ns:array_ns。 為計(jì)算方便， ss數(shù)組中多設(shè)置一位，令其等于 101。令 i,t,m， n分別指向數(shù)組 ss， ns， s。初始時(shí)， i＝ 0， t＝ 6， m＝ 6， n＝ 0， 在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，選出ss(i),ss(i+1),ns(t),ns(t+1)四個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較取較小的兩個(gè)數(shù)相加，相加值存入 ns（ m），而相加的兩個(gè)數(shù)，按大小順序存入 s（ n）和 s(n+1)中。例如，子節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)等， 26 整個(gè)霍夫曼樹的所有節(jié)點(diǎn)的信息將以串行的形式儲(chǔ)存在一個(gè)數(shù)組 a中。在分配編碼時(shí)，不可避免的葉節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)可能值會(huì)相等，從而造成分配編碼出現(xiàn)錯(cuò)誤，基于此再設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)組 f 作為指示 a中所存節(jié)點(diǎn)為葉節(jié)點(diǎn)或者為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。 設(shè)立一個(gè)指針 z 指向 a， o 指向 f， e 指向 d。 ，同時(shí)分配編碼。 2. 對(duì)找到的葉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷，如果 y 代表的節(jié)點(diǎn)是左子節(jié)點(diǎn)，則賦 0，反之賦 1。當(dāng)當(dāng)前遍歷節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)為 100 時(shí)，停止遍歷，同時(shí)指針 a,o 清零， j,e 同時(shí)加一。 1， 2 步驟進(jìn)行運(yùn)算，直到 j=7。 總結(jié) 本章對(duì)霍夫曼編碼的硬件實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，其基本思想是首先構(gòu)建霍夫曼樹，同時(shí)得到霍夫曼樹節(jié)點(diǎn)的基本信息，構(gòu)建出霍夫曼表，最后依據(jù)霍夫曼表進(jìn)行分配碼字。本文設(shè)計(jì)的霍夫曼編碼結(jié)構(gòu)采用的是一種比較傳統(tǒng)的串行編碼結(jié)構(gòu)，可以從綜合圖 中看出，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，是典型的以資源換取速度，功耗的消耗也不能保證，如果系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理量不大，分辨率要求不高可以使用，如果系統(tǒng)要求很高，則不能滿足其要求。 27 第五章 設(shè)計(jì)驗(yàn)證 小波變換設(shè)計(jì)驗(yàn)證 DA算法結(jié)構(gòu)驗(yàn)證 本文設(shè)計(jì)的濾波模塊采用的 DA算法是輸出是基于 FIR濾波器的輸出表達(dá)式改進(jìn)來(lái)的，最終采用 DA算法設(shè)計(jì)得到的濾波器輸出為()yn =[ 00( 0 ) ( 0 ) (1) (1)h x h x? ? ? 00.. . ( ) ( 1)] 2h n x n? ? ? ?+[ 1(0) (0)hx? h?111(1 ) (1 ) ... ( 1 ) ( 1 ) ] 2x h n x n? ? ? ? ? ?+ 11[ ( 0) ( 0) (1 ) (1 ) .. .bbh x h x??? ? ? ( 1)hn?? 11( 1)] 2bbxn ?? ??。 1 1 1 1( 0) ( 0) ( 1 ) ( 1 ) ... ( 1 ) ( 1 )a h x h x h n x n? ? ? ? ? ? ? ?。將濾波器的輸出化簡(jiǎn)為 ()yn = 02 0a + 12 1a +…… 12b? 1ba? 。 表 3 累加器和 latch1的輸出結(jié)果 latch1最終輸出()yn = 152? 0a + 142? 1a + 132? 2a + 02 15a = 152? ( 0a +12 1a + 2 2a +…… 152 15a 。 28 移位寄存器仿真驗(yàn)證 本文設(shè)計(jì)的移位寄存器的功能是在時(shí)鐘上跳沿到來(lái)后，如果控制信號(hào) k =‘ 1’則數(shù)據(jù)寫入寄存器，當(dāng)輸出使能信號(hào) ready =‘ 1’時(shí)，輸出當(dāng)前移位寄存器的第一位，同時(shí)移位寄存器整體向右移一位。 latch1和 latch2仿真驗(yàn)證 latch1在每個(gè)時(shí)鐘下跳沿到來(lái)后，儲(chǔ)存累加器的輸出結(jié)果并輸出，latch2當(dāng)?shù)?16個(gè) ready高電平到來(lái)后，輸出 latch1的輸出結(jié)果，此即為最終濾波完成的數(shù)據(jù)。 DA濾波器的 性能分析 使用 DA 算法實(shí)現(xiàn)濾波器的核心是將濾波器的乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為查找表運(yùn)算，從而大大的減少了乘法器和累加器的使用。濾波器功能驗(yàn)證時(shí)設(shè)定波形圖中時(shí)鐘周期 clk為 10ns，通過(guò)分析其仿真波形圖可以發(fā)現(xiàn)，每隔 180 ns 左右的時(shí)間就可以得到一個(gè)輸出，證明 DA 算法的運(yùn)算速度僅僅只與輸入數(shù)據(jù)序列的位寬有關(guān)。濾波器仿真波形如下： 圖 20 濾波器的仿真波形圖 可以看出經(jīng)歷 18 個(gè)時(shí)鐘周期后，濾波器得到輸出結(jié)果，與設(shè)計(jì)相符。 以上節(jié)輸入葉節(jié)點(diǎn)為例，依據(jù)第四章的構(gòu)建霍夫曼樹的規(guī)則，我們可以得到一個(gè)如下圖的霍夫曼樹： 32 0 22 57 1 01 74 11 0 02 341 1 1 36 75 9 圖 23 構(gòu)建的霍夫曼樹 從上至下，從右至左的將節(jié)點(diǎn)記下，得 到的正是上節(jié)仿真得到的序列 s。對(duì)所有的葉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相同的遍歷后得到最后的霍夫曼編碼 (b 代表霍夫曼編碼的輸出 )，如下圖所示： 圖 25 所有葉節(jié)點(diǎn)的霍夫曼編碼 跟據(jù)圖 23 所示的霍夫曼樹，可以求得 每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)（左節(jié)點(diǎn)賦 0，反之賦 1）的編碼如下表： 葉節(jié)點(diǎn)值 霍夫曼編碼 0 00000 2 00001 5 0001 6 0110 7 0111 10 001 11 010 59 1 表 5 每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)的霍夫曼編碼 所有葉節(jié)點(diǎn)的編碼為 10100010111011000010000100000 跟圖 25所示的仿真值相等，所以霍夫曼編碼算法完全正確。本文輸入 8Bit 數(shù)據(jù)，構(gòu)建出一個(gè)霍夫曼樹需 要 7 個(gè)時(shí)鐘周期。同時(shí)有的節(jié)點(diǎn)需要幾個(gè)時(shí)鐘周期才能遍歷到，所以每生一個(gè)編碼所需的時(shí)間是不確定的。 35 第六章 總結(jié)與展望 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象是基于 SOPC 的指紋識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮模塊，經(jīng)過(guò)查閱資料，本文主要對(duì)小波變換 +壓縮編碼形式的壓縮算法進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。同時(shí)對(duì)世界上較為通用的幾個(gè)算法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。在第三章本文介紹了 Mallet 算法實(shí)現(xiàn)小波變換。本文設(shè)計(jì)的濾波器得到輸出結(jié)果只需要 18 個(gè)時(shí)鐘周期，這說(shuō)明采用 DA 算法的濾波器的運(yùn)算速度只與輸入數(shù)據(jù)序列位寬 有關(guān)。其后就對(duì)二抽值模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。因?yàn)楸疚牡难芯繉?duì)象并不需要很高的分辨率，在實(shí)現(xiàn)其基本功能基礎(chǔ)上采用串行的結(jié)構(gòu)是能夠滿足設(shè)計(jì)條件的。 總結(jié)本次設(shè)計(jì)，工作還不是很完善，還有很多地方需要改進(jìn)：1 設(shè)計(jì)的小波變換和壓縮編碼并沒 有下載到試驗(yàn)板進(jìn)行調(diào)試。 3 由于 FPGA 很難計(jì)算浮點(diǎn)數(shù)，所以本文將所有浮點(diǎn)數(shù)四舍五入化整進(jìn)行運(yùn)算。 滿足其功能，結(jié)構(gòu)還是比較復(fù)雜，速度較慢，并沒有優(yōu)化。 36 參 考 文 獻(xiàn) 【 1】 王亞娟 倪奎 曠捷 王安文 。 【 4】林建英，伍勇，李建華，全偉偉 . 一種易于硬件實(shí)現(xiàn)的快速自適應(yīng)哈夫曼編碼算法 . 大連理工大學(xué)電子與信息工程學(xué) 院．遼寧大連，．清華大學(xué)電子工程系，北京 【 5】晏金成 . 基于 DA 算法的 FI R 濾波器的 FPGA 實(shí)現(xiàn)， (廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 ， 【 6】 李明緯 黃世震 ， 應(yīng)用分布式算法在 FPGA 平臺(tái)實(shí)現(xiàn) FIR 低通濾波器 . 福州大學(xué) 福建省微電子集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室福州 【 7】杭小慶，張素文，王天珍 一種基于小波變換圖像壓縮編碼方法 . (武投稿繪科技大學(xué) (武漢汽車工業(yè)大學(xué) ) 37 致 謝 值此論文完成之際，謹(jǐn)向給予過(guò)我指導(dǎo)、關(guān)心和幫助的人表示最衷心的感謝。教員一直以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和淵博的知識(shí)對(duì)我嚴(yán)格要求和諄諄教誨。本論文從選題、研究到最后完成，都是在李老師的悉心指導(dǎo)下完成的。 38 項(xiàng) 目 經(jīng) 理項(xiàng) 目 副 經(jīng) 理 項(xiàng) 目 總 工 質(zhì) 安 總 監(jiān)工程管理部物資管理部技術(shù)管理部檢測(cè)試驗(yàn)室質(zhì)安管理部監(jiān) 督 工 程 管 理部 、 物 資 管 理部 、 檢 測(cè) 試 驗(yàn) 室現(xiàn) 場(chǎng) 質(zhì) 檢 員 、 施 工 員施 工 班 組 3N7N承 承 承 承 承 承 承承 承3S7S承 承 承 承 承 承承 承 承3N7N承 承 承 承 承 承 承承 承 承 承3S7S承 承 承 承 承 承承 承 承 承 承3N7N承 承 承 承 承 承 承承 承3S7S承 承 承 承 承 承承 承 承3N7N承 承 承 承 承 承 3S7S承 承 承 承 承 承3N7N承 承 承 承 承 承 承承 承 承 承3S7S承 承 承 承 承 承承 承 承 承 承3N7N承 承 承 承 承 承 承承 承 承3S7S承 承 承 承 承 承承 承 承 承3N7N承 3S7S承 承 承承 承 承3N7N承 承 承 承 承 承 3S7S承 承 承 承 承 承e39。A（萬(wàn)kWh）shg1Pshg1PshfPb b39。ae39。6a*CZ7H$dq8Kqqf HVZFedswSyXTyamp。UE9aQGn8xp$Ramp。qYpEh5pDx2zVkum amp。k sv*3t nGK8! z89AmYWpazadNuKNamp。qYpEh5pDx2zVkum amp。ksv*3tnGK8!z89Am YWpazadNuKNamp。qYpEh5pDx2zVkum amp。ksv*3t nGK8! z89AmYWpazadNuKNamp。qYpEh5pDx2zVkum amp。ksv*3tnGK8!z89Am UE9aQGn8xp$Ramp。qYpEh5pDx2zVkum amp。ksv*3t nGK8!z89Am YWpazadNuKNamp