Implementação em VHDL e análise comparativa da Transformada Discreta do Cosseno e a aproximação de Lengwehasatit-Ortega
Data
2024-08-27
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Resumo
The high volume of images transmitted daily over the internet consumes a significant portion of
bandwidth and processing capacity. To optimize compression and maintain quality, digital signal
processing tools like the Discrete Cosine Transform (DCT) are utilized. The DCT is a mathematical
operation that concentrates most of the signal's energy in low frequencies, making it highly useful in
image compression algorithms. The calculation of the Discrete Cosine Transform is performed
using matrix multiplication, where the elements of the transformation matrix are floating-point
numbers. To simplify these calculations, various approximations for the Discrete Cosine Transform
that use as many integers as possible in their transformation matrices can be found in the literature.
Due to the recurrent matrix calculations in modern computational systems, especially for image
processing and artificial intelligence, many systems feature ASICs (Application Specific Integrated
Circuits) or parts of SoCs (System on Chip) dedicated to this task. In this work, several DCT
approximations were evaluated in the context of image compression. The Lengwehasatit-Ortega
approximation, which showed the best performance, along with the exact DCT, were implemented
in VHDL and synthesized in FPGA. It was observed that, following the same design philosophy, the
approximation consumed significantly fewer hardware resources, as expected.
Descrição
O alto volume de imagens transmitidas diariamente pela internet consome grande parte da largura
de banda e da capacidade de processamento. Para otimizar a compressão e manter a qualidade, são
utilizadas ferramentas de processamento digital de sinais como a Transformada Discreta do Cosseno
(DCT do inglês, Discrete Cosine Transform). A DCT é uma operação matemática que concentra a
maior parte da energia do sinal em baixas frequências, sendo muito utilizada em algoritmos de
compressão de imagens. O cálculo da Transformada Discreta do Cosseno é realizado utilizando
multiplicação de matrizes, onde os elementos da matriz de transformação são números de ponto
flutuante. Para simplificar esses cálculos, são encontradas na literatura diversas aproximações para a
Transformada Discreta do Cosseno que utilizam o máximo possível de simplificações em suas
matrizes de transformação. Devido à recorrência do cálculo de matrizes nos sistemas
computacionais modernos especialmente para processamento de imagens e inteligência artificial,
diversos sistemas apresentam ASICs (Application Specific Integrated Circuit) ou parte de SoCs
(System on Chip) dedicados a essa tarefa. Nesse trabalho, foram avaliadas algumas das
aproximações da DCT no contexto de compressão de imagens. A aproximação de Lengwehasatit-
Ortega que apresentou o melhor desempenho, além da DCT exata foram implementadas em VHDL
e sintetizadas em FPGA. Foi possível observar que seguindo a mesma filosofia de design a
aproximação consumiu uma quantidade muito menor de recursos de hardware assim como era
esperado.
Palavras-chave
DCT, Aproximação DCT, VHDL, FPGA, Processamento digital de sinais, Compressão de imagens
Referência
SILVA, Leonardo Nogueira Lindolfo da. Implementação em VHDL e análise comparativa da Transformada Discreta do Cosseno e a aproximação de Lengwehasatit-Ortega. 2024. 48 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Eletrônica) - Unidade Acadêmica do Cabo de Santo Agostinho, Universidade Federal Rural de Pernambuco, 2024.
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