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出版者:第1版 (2006年6月1日)

作者:刘文耀

出品人:

页数:256

译者:

出版时间:2006-6

价格:29.00元

装帧:平装

isbn号码:9787121026928

丛书系列:

图书标签:

• 小波编码
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小波图像编码与专用VLSI设计 引言：数字化浪潮下的图像压缩与高性能硬件需求 随着信息技术的飞速发展，数字图像已成为我们生活中不可或缺的一部分，从高清视频、医学影像到卫星遥感，图像数据的爆炸式增长对存储、传输和处理提出了前所未有的挑战。高效的图像压缩技术是应对这一挑战的关键，它能够显著减小图像文件的大小，从而节省宝贵的存储空间，加速数据传输速度，并降低网络带宽的消耗。在众多图像压缩算法中，小波变换以其优异的时频局部化特性，成为新一代图像编码标准的核心技术，为实现高压缩率和高质量的图像重建提供了强大的理论基础。 与此同时，为了满足日益增长的图像处理性能需求，尤其是在实时处理、低功耗和高效率的关键应用领域，传统的通用处理器已经显得力不从心。为此，专用集成电路（VLSI）设计应运而生，通过高度定制化的硬件架构，能够实现针对特定算法的高效加速。在图像编码领域，将小波变换等核心算法映射到专用的VLSI芯片上，可以极大地提升编码速度，降低功耗，并满足嵌入式系统、移动设备、高性能计算等领域对计算性能的严苛要求。 本书《小波图像编码与专用VLSI设计》正是聚焦于这一前沿领域，深入探讨了小波图像编码的技术原理与实际应用，并将其与高效的专用VLSI设计紧密结合，旨在为读者提供一套完整的理论框架和实践指导。本书的目标读者包括但不限于： 图像处理与计算机视觉领域的学生和研究人员： 深入理解小波变换在图像压缩中的原理，掌握先进的图像编码技术。 集成电路设计工程师： 学习如何将复杂的算法高效地映射到硬件，进行高性能、低功耗的VLSI设计。 通信与嵌入式系统开发者： 了解如何在资源受限的环境下实现高效的图像处理和压缩。 对数字信号处理和硬件加速感兴趣的从业人员： 拓展知识边界，掌握跨越算法与硬件的综合技能。 本书的独特之处在于，它不仅深入剖析了小波图像编码的算法细节，更着重于将这些算法转化为可执行的硬件设计。我们相信，算法的创新与硬件的实现是相辅相成的，只有深刻理解两者的内在联系，才能在实际应用中取得最佳的性能表现。 第一部分：小波图像编码的理论基础与核心技术 本部分将带领读者系统地学习小波图像编码所涉及的关键理论和技术。我们将从基础概念入手，逐步深入到复杂的算法细节，为后续的硬件设计打下坚实的理论基础。 第一章：数字图像与信号处理基础 在正式探讨小波变换之前，我们首先回顾数字图像和信号处理的基本概念。这包括： 数字图像的表示： 像素、灰度级、色彩空间（RGB、YCbCr等）的定义与转换。 傅里叶变换及其局限性： 介绍经典的傅里叶变换，理解其在信号分析中的作用，并引出其在时域信息丢失方面的不足，为小波变换的优势做铺垫。 信号的采样与量化： 数字信号处理的基础，理解采样定理和量化误差对图像质量的影响。 图像处理的基本操作： 滤波、边缘检测等基础操作，为理解图像变换的作用提供背景。 第二章：小波变换的数学原理 本章是本书的核心，将详细介绍小波变换的数学理论。我们将力求用清晰易懂的方式阐述复杂概念，帮助读者建立直观的理解。 窗口函数与时频局部化： 介绍窗口函数在信号分析中的作用，并引出小波函数作为一种“可伸缩”的窗口，能够同时捕捉信号的频率信息和时间（或空间）局部信息。 连续小波变换 (CWT)： 详细推导CWT的定义，理解尺度（scale）和位移（translation）参数的意义。 离散小波变换 (DWT)： 介绍DWT的定义，重点讲解其在数字信号处理中的实现方式。 多分辨率分析 (MRA)： 阐述MRA的核心思想，即信号可以被分解到不同的分辨率层次上，捕捉不同尺度的信息。 滤波器组实现： 详细介绍Mallat算法，解释如何通过低通滤波器（近似分量）和高通滤波器（细节分量）高效地实现DWT。 正交小波与双正交小波： 介绍不同类型的小波基函数的性质，以及它们在信号重构中的差异。 常用的离散小波滤波器： 介绍Haar小波、Daubechies系列小波（如db1, db2, db4）、Symlets、Coiflets等，分析它们的特性和适用场景。 第三章：小波图像编码的原理与流程 本章将深入探讨如何将小波变换应用于图像压缩，并介绍当前主流的小波图像编码标准。 二维小波变换在图像上的应用： 解释如何将一维小波变换扩展到二维图像，进行行和列的分解，生成近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量。 图像编码的整体框架： 介绍一个典型的基于小波的图像编码流程，包括： 变换 (Transform)： 二维小波变换。 量化 (Quantization)： 将变换后的系数映射到有限的比特数，这是有损压缩的关键步骤。我们将讨论标量量化和矢量量化，以及量化表的选择。 熵编码 (Entropy Coding)： 对量化后的系数进行无损压缩，例如算术编码或霍夫曼编码。 典型的小波图像编码标准： JPEG 2000 标准： 详细介绍JPEG 2000的标准，包括其核心技术： 不可逆小波变换 (Irreversible DWT) 与可逆小波变换 (Reversible DWT)。 小波域的量化与分层编码 (Layered Coding)。 上下文模型和算术编码 (EBCOT - Embedded Block Coding with Optimized Truncation)。 逆量化和逆变换。 JPEG 2000 的优势： 渐进式传输、感兴趣区域 (ROI) 编码、纠错能力等。 其他小波图像编码方法： 简要介绍其他一些基于小波的编码方法或其变种。 图像压缩性能评估： 介绍评价图像压缩效果的常用指标，如峰值信噪比 (PSNR)、比特率 (Bit Rate) 等。 第四章：小波图像编码的优化与挑战 本章将探讨小波图像编码在实际应用中遇到的挑战，以及一些优化策略。 边界效应处理： 小波变换在图像边界处可能产生的伪影，及其处理方法（如周期扩展、镜像扩展）。 码率控制： 在有限的比特率下实现最佳的图像质量。 实时性要求： 在某些应用中，需要极高的编码速度。 计算复杂度： 小波变换的计算量分析，以及如何降低复杂度。 特定应用场景的编码优化： 例如，医学影像、纹理图像、人脸图像等。 第二部分：专用VLSI设计与硬件实现 本部分将重点关注如何将前面介绍的小波图像编码算法转化为高效的专用集成电路 (VLSI) 设计。我们将从硬件架构的角度出发，探讨算法的映射、模块设计、性能优化与低功耗实现。 第五章：VLSI设计基础与流程 在进入具体的小波编码硬件设计之前，我们先简要回顾VLSI设计的基本流程和相关概念。 数字集成电路设计流程： 从需求分析到芯片流片，包括前端设计（RTL编写）、后端设计（布局布线）、验证和测试。 硬件描述语言 (HDL)： Verilog/VHDL 基础，以及其在描述硬件结构和行为中的作用。 逻辑综合与时序分析： 将HDL代码转化为门级网表，并分析设计的时序性能。 物理设计： 布局（Placement）与布线（Routing），以及芯片版图的生成。 常用EDA工具介绍： Cadence, Synopsys, Mentor Graphics 等主流EDA厂商的工具。 第六章：小波变换的硬件实现架构 本章将重点介绍如何设计高效的小波变换硬件模块。 多分辨率分析 (MRA) 的硬件映射： 基于滤波器组的并行/流水线处理： 如何设计高效的滤波器模块，实现高吞吐量。 行-列分解的硬件实现： 如何在有限的内存带宽下高效处理二维数据。 内存管理与访问策略： 缓存、DMA等技术在减少内存访问延迟中的作用。 滤波器系数的实现： 定点与浮点数表示： 分析定点运算在VLSI设计中的优势（功耗、面积），以及如何进行量化和溢出处理。 硬件乘法器与加法器的设计： 优化滤波器运算的硬件实现。 小波变换的流水线与并行化设计： 数据级并行和指令级并行。 如何通过流水线减少延迟，提高吞吐量。 多核/多处理单元的设计。 边界效应处理的硬件实现： 如何在硬件中高效地实现边界扩展策略。 第七章：小波图像编码核心模块的VLSI设计 本章将深入探讨图像编码流程中关键模块的硬件实现。 量化模块设计： 标量量化器的硬件实现： 利用查找表（LUT）或组合逻辑实现。 量化步长的动态调整： 如何设计硬件来支持码率控制。 熵编码模块设计： 算术编码器/解码器的硬件实现： 挑战与优化（如EEAC - Efficient Embedded Arithmetic Coding）。 霍夫曼编码器/解码器的硬件实现。 JPEG 2000 EBCOT (Embedded Block Coding with Optimized Truncation) 的硬件架构： 码块 (Codeblock) 的处理。 状态机与并行处理： 如何设计高效的状态机来管理编码过程。 缓存与数据流管理。 截断点选择的硬件实现。 存储器的选择与优化： DRAM, SRAM, ROM 等不同类型存储器的选择，以及其对整体性能的影响。 第八章：高性能与低功耗VLSI设计策略 在设计高性能的图像编码芯片时，低功耗也是至关重要的考量因素。 动态电压频率调整 (DVFS)： 根据计算需求动态调整芯片的工作电压和频率。 时钟门控 (Clock Gating) 与功率门控 (Power Gating)： 减少不工作模块的功耗。 算法与硬件协同优化： 选择合适的算法复杂度： 在保证性能的前提下，选择计算量更小的算法。 量化位宽的优化： 减少数据宽度，降低硬件复杂度。 数据表示的优化： 采用定点表示，避免浮点运算。 架构选择与优化： 数据通路设计： 优化数据流，减少不必要的内存访问。 指令集架构 (ISA) 的设计（如适用）。 验证与测试： 确保设计的正确性和鲁棒性。 第九章：系统级设计与片上系统 (SoC) 集成 将小波编码硬件模块集成到完整的系统级解决方案中，是实现实际应用的关键。 IP核 (Intellectual Property Core) 的设计与复用： 将小波编码器设计成独立的IP核，便于集成到SoC中。 总线接口设计： AMBA AXI, AHB 等总线协议的应用。 与其他处理单元的协同工作： CPU, GPU, DSP 等的处理单元如何与小波编码加速器协同工作。 嵌入式系统中的应用： 针对ARM Cortex-M, Cortex-A等嵌入式处理器平台的硬件加速设计。 实例分析： 介绍一些典型的应用案例，如移动设备上的视频编码、医疗成像设备中的实时处理、安防监控系统的图像压缩等。 结论：展望未来 本书通过对小波图像编码技术和专用VLSI设计的深入探讨，为读者提供了一个全面而系统的知识体系。我们相信，随着人工智能、物联网、5G通信等技术的不断发展，对高效、高性能图像处理硬件的需求将持续增长。小波图像编码与专用VLSI设计将继续在这一浪潮中扮演重要角色，为未来的数字图像技术发展贡献力量。 本书旨在抛砖引玉，激励读者在理论与实践的结合上进行更深入的探索。我们期待，通过本书的学习，能够帮助更多有志之士在这个充满挑战与机遇的领域取得卓越成就。 --- 目录（此部分为简介内容的一部分，展示书籍的组织结构）： 第一部分：小波图像编码的理论基础与核心技术 第一章：数字图像与信号处理基础 1.1 数字图像的表示 1.2 傅里叶变换及其局限性 1.3 信号的采样与量化 1.4 图像处理的基本操作 第二章：小波变换的数学原理 2.1 窗口函数与时频局部化 2.2 连续小波变换 (CWT) 2.3 离散小波变换 (DWT) 2.4 多分辨率分析 (MRA) 2.5 滤波器组实现 2.6 正交小波与双正交小波 2.7 常用的离散小波滤波器 第三章：小波图像编码的原理与流程 3.1 二维小波变换在图像上的应用 3.2 图像编码的整体框架 3.3 典型的小波图像编码标准 (JPEG 2000) 3.4 其他小波图像编码方法 3.5 图像压缩性能评估 第四章：小波图像编码的优化与挑战 4.1 边界效应处理 4.2 码率控制 4.3 实时性要求 4.4 计算复杂度 4.5 特定应用场景的编码优化 第二部分：专用VLSI设计与硬件实现 第五章：VLSI设计基础与流程 5.1 数字集成电路设计流程 5.2 硬件描述语言 (HDL) 5.3 逻辑综合与时序分析 5.4 物理设计 5.5 常用EDA工具介绍 第六章：小波变换的硬件实现架构 6.1 多分辨率分析 (MRA) 的硬件映射 6.2 滤波器系数的实现 6.3 小波变换的流水线与并行化设计 6.4 边界效应处理的硬件实现 第七章：小波图像编码核心模块的VLSI设计 7.1 量化模块设计 7.2 熵编码模块设计 7.3 JPEG 2000 EBCOT 的硬件架构 7.4 存储器的选择与优化 第八章：高性能与低功耗VLSI设计策略 8.1 动态电压频率调整 (DVFS) 8.2 时钟门控 (Clock Gating) 与功率门控 (Power Gating) 8.3 算法与硬件协同优化 8.4 架构选择与优化 8.5 验证与测试 第九章：系统级设计与片上系统 (SoC) 集成 9.1 IP核的设计与复用 9.2 总线接口设计 9.3 其他处理单元的协同工作 9.4 嵌入式系统中的应用 9.5 实例分析 结论：展望未来

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读完《面向对象设计模式与C++实现精粹》，我深感这本书在理论深度和工程实践之间找到了一个极佳的平衡点。市面上很多关于设计模式的书，要么过于理论化，读起来像在啃教科书，要么就是只罗列代码，缺乏对模式背后设计思想的阐述。然而，这本著作的独特之处在于，它不仅细致讲解了GoF的23种经典模式，更重要的是，它将这些模式置于实际的大型软件项目中进行考察。例如，在讲解“观察者模式”时，它不仅展示了如何用抽象基类实现通知机制，还探讨了在GUI框架中，如何利用该模式处理事件分发，并对比了在不同场景下，发布/订阅模式比简单观察者模式更优越的原因。此外，书中对C++特性的运用也极其考究，大量使用了模板元编程（Template Metaprogramming）和RAII（资源获取即初始化）技巧来实现模式的优雅封装，这使得代码既简洁又安全。尤其是关于“策略模式”和“状态模式”的辨析，作者用非常巧妙的例子说明了它们在职责分离上的细微差别，这对于我未来在系统架构设计中做出准确选择，提供了极大的帮助。

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这本《数字信号处理导论》简直是为初学者量身定做的宝典。我之前对傅里叶变换和Z变换这些概念一直感到头大，总觉得它们像是悬在空中的理论，摸不着边际。但是，作者巧妙地将这些抽象的数学工具与实际的音频、图像处理案例紧密结合起来。比如，书中对离散傅里叶变换（DFT）的讲解，不是一上来就抛出复杂的公式，而是通过分析一个简单的采样序列，一步步推导出变换的意义——它如何帮助我们从“时间域”转换到“频率域”，就像给声音做了一次精密的频谱分析。更令人称道的是，它对窗函数（如汉宁窗、海明窗）的介绍，不仅给出了数学表达式，还配有清晰的图示和应用场景说明，让你明白为什么在实际应用中需要对信号进行截断，以及不同窗函数对泄漏的影响。我特别喜欢其中关于滤波器设计的章节，它详尽地阐述了FIR和IIR滤波器的基本结构、设计方法（如窗函数法、频率采样法），以及它们各自的优缺点。读完后，我感觉自己对如何设计一个能够滤除特定噪声的数字滤波器，已经有了清晰的思路和实操的信心，这本书成功地把我从“只会套公式”的初级阶段，带到了“理解原理并能设计”的进阶水平。

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我最近在研究嵌入式系统的实时性能优化，对硬件加速和低功耗设计非常感兴趣，而这本《高性能ARM处理器架构与系统级设计》恰好提供了非常深入的视角。这本书的深度远远超出了市面上很多停留在表面介绍ARM指令集的书籍。它聚焦于流水线、分支预测机制以及内存子系统（Cache一致性和TLB管理）是如何影响实际的指令执行速度的。书中详细剖析了乱序执行（Out-of-Order Execution）的内部逻辑，并通过实例展示了程序员如何通过调整数据访问顺序和循环展开等技巧，来避免流水线停顿（Stall），从而榨干处理器的每一分性能。我印象最深的是关于内存屏障（Memory Barriers）和同步原语的章节，作者用非常严谨的方式解释了在多核环境下，为了保证数据一致性，硬件和编译器需要施加哪些限制，这对于编写健壮的并发程序至关重要。这本书的图示极为精良，复杂的乱序执行单元结构图，结构清晰，逻辑分明，使得那些原本晦涩的微架构概念变得可以被直观地理解。它不光告诉你“是什么”，更深入地解释了“为什么”会这样设计，以及“如何”利用这种设计。

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这是一本关于现代计算机网络协议栈的百科全书，名为《TCP/IP协议族：从内核到应用层的深度剖析》。我之前对网络的理解主要停留在应用层（HTTP, DNS），但这本书彻底颠覆了我对网络数据包在操作系统内部如何流转的认知。它最吸引我的是对内核网络栈的拆解。书中详尽描述了Linux内核中`sk_buff`结构体的构造，数据包从网卡中断（IRQ）被接收，如何经过协议层层剥离（L2到L4），最终如何被交付给相应的用户空间进程，整个过程中的内存拷贝、软中断处理机制被剖析得淋漓尽致。特别是关于TCP拥塞控制算法的章节，它不仅讲解了经典的Tahoe和Reno，还用大量的仿真结果图展示了CUBIC和BBR算法在高延迟、大带宽网络下的性能表现，这对于理解云计算和CDN的优化策略至关重要。作者对于系统调用（如`sendto`和`recvfrom`）与内核函数的映射关系描述得极为清晰，让人感觉仿佛真的在调试内核代码一样，这本书是任何想深入理解网络性能瓶颈的系统工程师的必备参考书。

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我对数据库的持久化和事务处理机制一直抱有极大的好奇心，而《分布式事务与数据一致性保障》这本书，简直是解开了我心中所有的疑惑。它没有停留在传统单机数据库的ACID特性介绍上，而是将重点放在了微服务架构下面临的挑战。书中对Paxos和Raft一致性算法的讲解非常到位，不是干巴巴地给出状态图，而是通过模拟一个网络分区事件，展示了Leader选举、日志复制和安全提交的过程，使得算法的鲁棒性一目了然。更令我受益匪浅的是关于“两阶段提交（2PC）”和“三阶段提交（3PC）”的对比分析，作者明确指出了2PC在协调者宕机时的阻塞问题，并阐述了如何通过补偿事务（Saga模式）或基于消息队列的最终一致性方案来规避这些风险。书中还结合了实际的分布式数据库系统（如TiDB或CockroachDB的理念）来讲解MVCC（多版本并发控制）如何在分布式环境下保证快照隔离。这本书的实战性极强，它提供了一个清晰的框架，让我能够系统地评估和选择适合特定业务场景的分布式事务解决方案。

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