一種低功耗二維fdct變換方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低功耗二維FDCT變換方法，適用于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSNs)。本發(fā)明從低功耗的角度出發(fā)，消除傳統(tǒng)DCT變換中的乘法操作，利用余弦因子的周期旋轉(zhuǎn)特性，提出了一種基于共享乘積因子的移位累加單元的低功耗二維FDCT變換方法，該方法通過共享余弦系數(shù)矩陣中的乘積因子，最大限度的降低二維FDCT的運算量，實現(xiàn)功耗降低的目的。本文提出的DCT變換方法最終能在單個時鐘內(nèi)實現(xiàn)八位像素數(shù)據(jù)的編碼操作，同時不要求數(shù)據(jù)同時輸入，采用流水線思想大大提高了電路的性能。本發(fā)明擁有的低功耗及高性能的特點，使其非常適用于WMSNs網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的專用圖像處理器設(shè)計。
【專利說明】一種低功耗二維FDCT變換方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種二維FDCT變換方法，具體涉及一種用于WMSNs等應(yīng)用場景的低功 耗二維FDCT變換方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在最近幾年是一個相對比較新的研究領(lǐng)域，它被認為是21世紀 里最重要的一門技術(shù)，它是無線通信領(lǐng)域的研究焦點。它的應(yīng)用吸引了軍事、工業(yè)以及學(xué)術(shù) 領(lǐng)域的很大的關(guān)注。由于人類感知的信息是通過圖像和聲音來表達的，而市場上又出現(xiàn)了 CMOS攝像頭和麥克風(fēng)等低成本硬件，所以發(fā)展出了無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線多媒體傳 感器網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中加入了音頻和視頻等多媒體信息，能廣泛的用于媒體 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、只能交通、環(huán)境監(jiān)控等安全領(lǐng)域。
[0003] 在無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了保證無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到信息的正確 性、精確性和網(wǎng)絡(luò)的容錯性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署了大量的節(jié)點，系統(tǒng)的功耗會隨著節(jié)點的 增多而增加。同時，無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)對多媒體信息的處理過程要更加復(fù)雜，運算量更 大，消耗的功耗更多，而在多數(shù)情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是采用電池供電，電池的電量是有 限的，所以就要求要盡可能的降低系統(tǒng)的功耗來延長電池供電時間。 低功耗的設(shè)計是一個復(fù)雜的課題，就流程而言，包括功耗建模、評估以及優(yōu)化等，就設(shè) 計抽象層次而言，包括工藝級、RTL級和算法級等所有抽象層次。在工藝級，優(yōu)先考慮的是 減少I/O功耗。電路級的低功耗技術(shù)，主要是針對動態(tài)功耗而言，具體涉及的方面有電源電 壓、物理電容、開關(guān)頻率等方面，其中動態(tài)功耗與電源電壓的平方成正比關(guān)系，通過降低電 源電壓可以大幅降低動態(tài)功耗。在門級電路設(shè)計和綜合階段所采用的功耗優(yōu)化技術(shù)有很多 種，主要包括：時序調(diào)整、公因子提取、工藝映射、門級尺寸優(yōu)化、邏輯分解等。RTL級降低功 耗主要是采用減少寄存器不必要的跳變來完成，這種跳變并不會對電路邏輯功能的輸出產(chǎn) 生影響，也就是輸出值未改變而電路在跳變，從而導(dǎo)致了功耗的增加。常用的低功耗結(jié)構(gòu)有 兩種：并行結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)不僅常用于高速電路中用來提高電路吞吐量，在 保持電路原有的吞吐量不變時，還可以用來作為降低功耗的手段。降低功耗在芯片的整個 設(shè)計流程中考慮得越早越好，這樣可以最有效地降低功耗，避免反復(fù)設(shè)計造成的成本浪費。
[0004] 算法級上的功耗對整個系統(tǒng)的功耗有重要的影響，采用的方式是使用低功耗的壓 縮算法。在壓縮算法中，JPEG編解碼是最常用的壓縮算法，而JPEG編解碼電路中，功耗占 用比例最高的是DCT模塊，所以如何改進DCT算法決定了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于提供一種用于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的低功耗二維FDCT變換 方法，其在有效降低電路所需功耗的同時還具有高速率和高吞吐量的優(yōu)點，只需一個周期 就能夠完成和7個余弦系數(shù)的乘法運算，等同于把一個串行運算轉(zhuǎn)換成7個并行運行，節(jié)省 了大量的運算時間，實現(xiàn)功耗的明顯降低。非常適用于WMSNs的應(yīng)用場合。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是： 一種低功耗二維FDCT變換方法，該方法包括以下步驟： (1) 將輸入的像素數(shù)據(jù)先進行位數(shù)擴展操作，之后送入由寄存器和復(fù)選MUX構(gòu)成的零 值旁路邏輯，避免對零值進行復(fù)雜的乘法運算； (2) 若輸入值非零，則將該值送入七個乘積因子的移位累加單元，乘積因子的選擇由狀 態(tài)機控制； (3) 將像素數(shù)據(jù)與固定余弦因子的乘積結(jié)果，通過交叉選擇邏輯，送入八個不同的累加 器； (4) 由控制信號控制累加寄存器累加的中間結(jié)果，在完成累加后，將最終的累加結(jié)果賦 給移位寄存器；8個移位寄存器從8個累加寄存器獲取累加結(jié)果，然后在八個時鐘周期內(nèi)分 別移位輸出到轉(zhuǎn)置RAM中； (5) 在第一維變換按行/列方向結(jié)束后，對其結(jié)果再按列/行方向做第二維的變換；按 行掃描的地址順序存入行變換后的數(shù)據(jù)，當(dāng)寫指針加到56時，開始按列掃描順序讀取數(shù)據(jù) 進行列變換，實現(xiàn)將一維FDCT的變換結(jié)果進行轉(zhuǎn)置的功能； (6) 控制模塊產(chǎn)生邏輯控制信號，協(xié)調(diào)整個變換過程中各模塊的工作，保證模塊的流水 線操作；在變換數(shù)據(jù)開始輸出的前一個時鐘周期，將ready信號保持一個時鐘的高電平，提 示二維FDC變換結(jié)果的有效輸出。
[0007] 優(yōu)選的，采用基于共享乘積因子的移位累加單元實現(xiàn)FDCT變換中的乘法操作。
[0008] 優(yōu)選的，優(yōu)化出滿足計算精度要求的最少共享乘積因子集合。
[0009] 優(yōu)選的，用帶符號的二進制小數(shù)對固定余弦系數(shù)進行截斷，在截斷操作前去除矩 陣中的計算冗余。
[0010] 優(yōu)選的，設(shè)計交叉選擇邏輯，對輸入像素數(shù)據(jù)與固定余弦系數(shù)的機械相乘結(jié)果進 行調(diào)整排序，將每個時鐘送入的像素數(shù)據(jù)與八個相應(yīng)矩陣余弦因子的乘積結(jié)果分別送入正 確的累加器。
[0011] 優(yōu)選的，用狀態(tài)機控制每級流水線中，共享乘積因子在系數(shù)矩陣中每行所對應(yīng)的 符號。
[0012] 優(yōu)選的，平衡各個變換結(jié)果的計算路徑，每個共享乘積因子通過2-3級加法器，實 現(xiàn)與固定余弦系數(shù)的乘法操作。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)效果有： 本發(fā)明提供的基于共享乘積因子的移位累加單元實現(xiàn)FDCT變換中的乘法操作，避免 了傳統(tǒng)FDCT變換中使用ROM形成的復(fù)雜查找表和直接使用占用面積很大的乘法器，有效降 低功耗的同時節(jié)省了所需的硬件資源。共享乘積因子的移位累加單元由預(yù)乘積單元和移 位累加單元構(gòu)成。優(yōu)化出滿足計算精度要求的最小數(shù)目的共享乘積因子，通過預(yù)乘積單元 實現(xiàn)和像素數(shù)據(jù)的乘法操作。移位累加單元通過數(shù)據(jù)選擇單元選擇需要進行累加的數(shù)值， 經(jīng)過8個時鐘周期就能得到一維FDCT的變換結(jié)果，最后通過流水線寄存器將并行輸出的 8個變換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行輸出，存儲到轉(zhuǎn)置RAM中。通過控制單元產(chǎn)生轉(zhuǎn)置RAM的讀地址 信號，以及乘累加單元和數(shù)據(jù)選擇單元的控制信號。最后通過PTPX工具對低功耗二維DCT 變換器進行功耗測試，測試結(jié)果表明本專利提出的低功耗二維DCT變換器的整體功耗僅有 16. 639mW，占用的邏輯門數(shù)約為72583。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明實施例中低功耗二維FDCT變換器的離散余弦變換單元的結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明實施例中低功耗二維FDCT變換器的整體架構(gòu)； 圖3為本發(fā)明實施例中共享乘積因子陣列的實現(xiàn)方法示意圖； 圖4為本發(fā)明實施例中累加單元結(jié)構(gòu)圖； 圖5為本發(fā)明實施例中控制單元的結(jié)構(gòu)圖； 圖6為本發(fā)明實施例中雙端口 RAM行變換寫地址memh的具體實現(xiàn)過程； 圖7為本發(fā)明實施例中雙端口 RAM列變換讀地址memv的具體實現(xiàn)過程。

【具體實施方式】
[0015] 以下結(jié)合具體實施例對上述方案做進一步說明。應(yīng)理解，這些實施例是用于說明 本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實施例中采用的實施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做 進一步調(diào)整，未注明的實施條件通常為常規(guī)實驗中的條件。
[0016] 實施例： 下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。本發(fā)明目的在于提供一種用于無線多 媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的低功耗二維FDCT變換方法。該方法的具體實現(xiàn)如圖2所示。圖2為 二維FDCT的整體架構(gòu)，從中可以看出，該方法由離散余弦變換單元、控制單元和轉(zhuǎn)置RAM這 三部分構(gòu)成。
[0017] 圖1顯示了離散余弦變換單元的結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，首先經(jīng)過預(yù)處理單元通過 零值旁路邏輯避免對零值進行復(fù)雜的乘法運算，并將輸入的圖像數(shù)據(jù)減去128，使輸入數(shù)據(jù) 的取值范圍滿足離散余弦變換的取值要求。對于8點的DCT變換，由于余弦因子具有的周期 旋轉(zhuǎn)特性，除去符號的不同，這些余弦因子只有7個固定的值。因此可將預(yù)處理單元的輸出 數(shù)據(jù)與系數(shù)矩陣中的7個固定系數(shù)相乘。對于乘法操作，本發(fā)明不是使用ROM形成的復(fù)雜 查找表或直接使用占用面積很大的乘法器，而是使用基于共享乘積因子的移位累加實現(xiàn)乘 法運算。因此本發(fā)明的離散余弦變換核由共享乘積因子陣列和累加器構(gòu)成。在本發(fā)明中， 將這7個固定余弦系數(shù)都采用二進制表示的近似值，如下表1所示。
[0018] 表1固定余弦系數(shù)值的表示

【權(quán)利要求】
1. 一種低功耗二維FDCT變換方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： (1) 將輸入的像素數(shù)據(jù)先進行位數(shù)擴展操作，之后送入由寄存器和復(fù)選MUX構(gòu)成的零 值旁路邏輯，避免對零值進行復(fù)雜的乘法運算； (2) 若輸入值非零，則將該值送入七個乘積因子的移位累加單元，乘積因子的選擇由狀 態(tài)機控制； (3) 將像素數(shù)據(jù)與固定余弦因子的乘積結(jié)果，通過交叉選擇邏輯，送入八個不同的累加 器； (4) 由控制信號控制累加寄存器累加的中間結(jié)果，在完成累加后，將最終的累加結(jié)果賦 給移位寄存器；8個移位寄存器從8個累加寄存器獲取累加結(jié)果，然后在八個時鐘周期內(nèi)分 別移位輸出到轉(zhuǎn)置RAM中； (5) 在第一維變換按行/列方向結(jié)束后，對其結(jié)果再按列/行方向做第二維的變換；按 行掃描的地址順序存入行變換后的數(shù)據(jù)，當(dāng)寫指針加到56時，開始按列掃描順序讀取數(shù)據(jù) 進行列變換，實現(xiàn)將一維FDCT的變換結(jié)果進行轉(zhuǎn)置的功能； (6) 控制模塊產(chǎn)生邏輯控制信號，協(xié)調(diào)整個變換過程中各模塊的工作，保證模塊的流水 線操作；在變換數(shù)據(jù)開始輸出的前一個時鐘周期，將ready信號保持一個時鐘的高電平，提 示二維FDC變換結(jié)果的有效輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗二維FDCT變換方法，其特征在于，采用基于共享乘積 因子的移位累加單元實現(xiàn)FDCT變換中的乘法操作。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗二維FDCT變換方法，其特征在于，優(yōu)化出滿足計算精 度要求的最少共享乘積因子集合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗二維FDCT變換方法，其特征在于，用帶符號的二進制 小數(shù)對固定余弦系數(shù)進行截斷，在截斷操作前去除矩陣中的計算冗余。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗二維FDCT變換方法，其特征在于，設(shè)計交叉選擇邏輯， 對輸入像素數(shù)據(jù)與固定余弦系數(shù)的機械相乘結(jié)果進行調(diào)整排序，將每個時鐘送入的像素數(shù) 據(jù)與八個相應(yīng)矩陣余弦因子的乘積結(jié)果分別送入正確的累加器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗二維FDCT變換方法，其特征在于，用狀態(tài)機控制每級 流水線中，共享乘積因子在系數(shù)矩陣中每行所對應(yīng)的符號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗二維FDCT變換方法，其特征在于，平衡各個變換結(jié)果 的計算路徑，每個共享乘積因子通過2-3級加法器，實現(xiàn)與固定余弦系數(shù)的乘法操作。
【文檔編號】H04N19/625GK104093032SQ201410338890
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】周曉明, 王薇, 歸成希, 張燕, 陳玲 申請人:蘇州博聯(lián)科技有限公司