航空?qǐng)D像壓縮系統(tǒng)的DSP設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

航空?qǐng)D像由于可以提供大量豐富的直觀信息，因而在軍事偵察、搶險(xiǎn)救災(zāi)、氣象探測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。航空?qǐng)D像由于是遠(yuǎn)距離成像，所以分辨率較低且數(shù)據(jù)量很大。如果要把拍攝的航空?qǐng)D像實(shí)時(shí)回傳，就必須對(duì)其進(jìn)行壓縮編碼。由于圖像壓縮算法復(fù)雜，因此決定了回傳系統(tǒng)必須采用高速數(shù)字信號(hào)處理芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。DSP作為當(dāng)前運(yùn)算性能最高的信號(hào)處理芯片，成為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案的最佳選擇。
　　目前進(jìn)行圖像壓縮的方法很多，主要集中在小波變換、分形壓縮、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼等幾個(gè)領(lǐng)域。其中小波變換編碼憑借其優(yōu)良的時(shí)頻特性和多分辨率特性成為最熱門(mén)的研究方向之一，并在圖像壓縮領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。但傳統(tǒng)的小波變換計(jì)算復(fù)雜，且都是在頻域進(jìn)行。1994年，W.Sweldens提出了一種新的小波構(gòu)造方案——提升小波。它可以進(jìn)行原位運(yùn)算，硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)較為容易，且可以節(jié)省內(nèi)存空間，這一點(diǎn)對(duì)于提高系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)成本非常重要；和傳統(tǒng)的小波變換相比，它可以把計(jì)算復(fù)雜度減小一半，運(yùn)算速度非?？欤淮送?，提升方案適合用SIMD(單指令多數(shù)據(jù)流)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這和DSP的多總線讀寫(xiě)結(jié)構(gòu)是一致的^[1]。鑒于提升方案的諸多優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)其小波變換部分采用提升算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　Shaprio于1992年提出了零樹(shù)編碼方案，它采用全新的零樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)表征小波系數(shù)，使小波變換應(yīng)用于圖像壓縮的優(yōu)越性得到了充分的體現(xiàn)^[2]。由于零樹(shù)法高效的性能，人們?cè)谄浠A(chǔ)上又提出了各種改進(jìn)方法。1996年，Said和Pearlman提出了基于等級(jí)樹(shù)集合分割的算法——SPIHT算法^[3]。該算法也是基于零樹(shù)思想，但采用集合劃分來(lái)進(jìn)行編碼，在系數(shù)組織方面更有效，壓縮效率也更高。SPIHT算法已經(jīng)成為公認(rèn)的編碼效率最高的算法之一，即使不采用算術(shù)編碼進(jìn)行熵編碼，編碼效率仍然很高，優(yōu)于前面的零樹(shù)編碼。因此，本系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)采用SPIHT算法對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行編碼。
1 軟件實(shí)現(xiàn)
1.1提升小波的實(shí)現(xiàn)
　　由于圖像的非平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)特性，任何一組小波基都不可能同時(shí)最優(yōu)地刻畫(huà)所有的圖像特征，因此存在小波基的選取問(wèn)題。從熵、峰-峰比PPR、廣義編碼增益、抗誤差性能分析等幾個(gè)方面綜合比較，本系統(tǒng)采用Antini9/7作為提升方案的小波基^[4]。該小波提升方案的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：
　　Antini9/7的分析濾波器為：
　　

    
　　首先對(duì)圖像進(jìn)行行變換，然后進(jìn)行列變換，最后對(duì)圖像系數(shù)按圖1所示的規(guī)則進(jìn)行重新排列。

1.2 邊界處理問(wèn)題
　　在圖像壓縮的工程應(yīng)用時(shí)，邊界處理問(wèn)題是關(guān)鍵技術(shù)之一。如果處理不好，信號(hào)將不能完全重構(gòu)，會(huì)直接影響重構(gòu)圖像的質(zhì)量。對(duì)此，提升方案原文中介紹的做法是采用插值細(xì)分算法，在邊界點(diǎn)重新計(jì)算濾波器的系數(shù)值，這樣就無(wú)需對(duì)信號(hào)進(jìn)行邊界處理^[5]。但通過(guò)對(duì)插值細(xì)分算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程的深入研究發(fā)現(xiàn),這樣會(huì)帶來(lái)浮點(diǎn)計(jì)算等額外的計(jì)算量，并且破壞了提升方案原本多讀單寫(xiě)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使邊界處理問(wèn)題變得非常復(fù)雜。此外，對(duì)于二維圖像處理而言，無(wú)需考慮不規(guī)則面的情況，在邊界點(diǎn)的處理上可以采用相對(duì)簡(jiǎn)單的邊界延拓法。經(jīng)過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，采用邊界延拓法處理問(wèn)題更為簡(jiǎn)單，不僅計(jì)算量大大減少，而且保留了多讀單寫(xiě)的結(jié)構(gòu)，效果也不錯(cuò)。因此，本系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)用邊界延拓法代替提升方案原文中的插值細(xì)分算法，實(shí)際使用的是全對(duì)稱延拓方式。
1.3 SPIHT算法的具體實(shí)現(xiàn)
　　對(duì)SPIHT算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)時(shí),為了提高執(zhí)行效率，對(duì)具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程做了部分改進(jìn)。
　　假設(shè)LIS為非顯著點(diǎn)集鏈表，每個(gè)鏈表的元素為坐標(biāo)值(i,j)和類型標(biāo)志；LIP為非顯著點(diǎn)鏈表，每個(gè)鏈表的元素為坐標(biāo)值(i,j)；LSP為顯著點(diǎn)鏈表，每個(gè)鏈表的元素為坐標(biāo)值(i,j)。
　　用C語(yǔ)言對(duì)該算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)時(shí)，LIP和LSP結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)了像素點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)位置，根據(jù)它可從圖像中檢索出相應(yīng)的像素值。對(duì)于C6xDSP，這樣做需要用多條取數(shù)指令輾轉(zhuǎn)訪問(wèn)內(nèi)存才能獲得像素值。但經(jīng)過(guò)分析知道，在編碼程序中，僅當(dāng)對(duì)LIS鏈表中元素進(jìn)行零樹(shù)判斷和子節(jié)點(diǎn)處理時(shí)才需要根據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行像素點(diǎn)訪問(wèn)，像素點(diǎn)被放入LIP或者LSP后，只需對(duì)像素值進(jìn)行訪問(wèn)、修改，沒(méi)有必要再通過(guò)坐標(biāo)進(jìn)行像素值的訪問(wèn)，可直接在LIP和LSP結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)像素值，從而提高編碼速度。
　　在解碼時(shí)，因?yàn)樵贚IP和LSP的掃描過(guò)程中需根據(jù)輸入位流的0、1值對(duì)像素值進(jìn)行更新，所以必須存儲(chǔ)像素點(diǎn)的坐標(biāo)，由于圖像可以改為用一維線性數(shù)組存儲(chǔ)，故只需在LIP和LSP中存儲(chǔ)像素點(diǎn)在圖像中的偏移。
1.4 試驗(yàn)結(jié)果
　　采用標(biāo)準(zhǔn)圖像Zelda對(duì)本系統(tǒng)算法和Shaprio的零樹(shù)法(EZW)進(jìn)行測(cè)試比較。小波變換分解級(jí)數(shù)采用六級(jí)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

　　從表1可以看出，本系統(tǒng)算法重構(gòu)圖像的信噪比比零樹(shù)法平均高0.3dB，其性能的優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的。
2 軟件優(yōu)化
　　本系統(tǒng)算法采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)后，首先在ATEME公司的NVDK6416開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行算法調(diào)試和代碼優(yōu)化，主要采用如下優(yōu)化手段。
2.1基于C語(yǔ)言環(huán)境的優(yōu)化
　　為了提高程序的執(zhí)行效率，在編程實(shí)現(xiàn)算法時(shí)，應(yīng)采用一些具體的優(yōu)化手段。在SPIHT編解碼中門(mén)限值的初始化和逐步降階中，對(duì)于2次冪整數(shù)的乘除運(yùn)算可采用比特的移位操作來(lái)代替；盡量少使用局部變量，多使用全局變量和static變量；對(duì)于多次重復(fù)訪問(wèn)的變量，如for循環(huán)中的變量，可設(shè)置為register變量；函數(shù)調(diào)用時(shí)，盡量避免傳遞結(jié)構(gòu)參數(shù)，一般用結(jié)構(gòu)指針代替，如果結(jié)構(gòu)是不可修改的，可用常量結(jié)構(gòu)指針代替。
2.2 基于CCS的優(yōu)化
　　CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了很多現(xiàn)成的優(yōu)化方法，可以直接為開(kāi)發(fā)人員所用，常用的有編譯器法、使用字訪問(wèn)短型數(shù)據(jù)、合理采用Const關(guān)鍵字、使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)、循環(huán)展開(kāi)以及編寫(xiě)線性匯編等。
2.3 基于TMS320C6416硬件特征的優(yōu)化
　　TMS320C6416的片內(nèi)存儲(chǔ)器容量較小，總共為1Mbit，采用了兩級(jí)緩存結(jié)構(gòu)。在編制程序和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，在內(nèi)存滿足的情況下，應(yīng)使用片內(nèi)RAM和高速緩存，將核心代碼存儲(chǔ)在片內(nèi)的高速緩存或RAM內(nèi)；若片內(nèi)內(nèi)存容量不足，則把使用次數(shù)較少的數(shù)據(jù)放在片外RAM中進(jìn)行存儲(chǔ)。
　　采用DMA／EDMA傳輸數(shù)據(jù)是系統(tǒng)高速采集數(shù)據(jù)的一個(gè)重要手段，在圖像實(shí)時(shí)采集中應(yīng)用非常廣泛。TMS320C6416的EDMA有多種地址生成方式，通過(guò)設(shè)置各個(gè)控制寄存器，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重排、一對(duì)多和多對(duì)一的數(shù)據(jù)交換等操作，利用這些操作可以大大提高程序效率。
　　對(duì)算法的關(guān)鍵代碼部分綜合采用上面的各種優(yōu)化措施，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)、測(cè)試、優(yōu)化，算法的執(zhí)行效率得到了明顯的提高。優(yōu)化前后的時(shí)間結(jié)果比較見(jiàn)表2。

　　從表中可以看出，優(yōu)化后系統(tǒng)的執(zhí)行效率提高了近20倍，較好地滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。
3 硬件實(shí)現(xiàn)
　　本系統(tǒng)采用TI公司的定點(diǎn)芯片TMS320C6416作為核心處理器。此芯片采用了VelociTI.2TM甚長(zhǎng)指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)，最高工作頻率達(dá)到720MHz，運(yùn)算能力達(dá)5760 MIPS，是目前性能最高的DSP芯片，特別適合圖像壓縮等具有較大運(yùn)算量的場(chǎng)合。由于數(shù)據(jù)的輸入速率和輸入量都非常大，因此將高速FIFO用于圖像數(shù)據(jù)緩存非常適合。FIFO只需數(shù)據(jù)總線和控制信號(hào)就可以對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)，開(kāi)發(fā)十分方便；并且可以與TMS320C6416 DSP的同步FIFO進(jìn)行無(wú)縫接口。
　　圖2所示是系統(tǒng)壓縮板卡的設(shè)計(jì)原理框圖。

　　從CCD高分辨率相機(jī)送出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后由時(shí)鐘信號(hào)控制存儲(chǔ)在同步FIFO中，當(dāng)FIFO出現(xiàn)半滿標(biāo)志時(shí)立即以中斷方式通知DSP到FIFO中讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)在FIFO的另一端繼續(xù)存儲(chǔ)原圖像數(shù)據(jù)，并一直以這種方式存取數(shù)據(jù)。DSP收到中斷后立即從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，然后對(duì)圖像進(jìn)行壓縮處理，處理完畢后送到雙口RAM(DPRAM)中，進(jìn)行調(diào)制處理后由發(fā)射機(jī)發(fā)射出去。
　　接收端首先利用接收機(jī)接收信號(hào)，然后進(jìn)行信號(hào)解調(diào)、小波反變換和SPIHT解碼，這可以通過(guò)PC機(jī)或地面工作站來(lái)進(jìn)行，這時(shí)只需相應(yīng)的解壓縮軟件即可實(shí)現(xiàn)。
　　經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明本系統(tǒng)在保持良好的重構(gòu)圖像的情況下較好地滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，并且其它設(shè)計(jì)指標(biāo)也均滿足設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)已經(jīng)在某航空?qǐng)D像回傳系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用。
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