基于Blackfin533的CCSDS圖像壓縮算法編碼優(yōu)化

摘要 通過(guò)程序結(jié)構(gòu)的調(diào)整，編碼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及代碼的匯編級(jí)優(yōu)化，完成編碼器的DSP高效實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的編碼器降低了運(yùn)算復(fù)雜度，提高了CCSDS圖像壓縮算法的實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞 CCSDS；Blackfin533；編碼器；優(yōu)化

    空間數(shù)據(jù)咨詢(xún)會(huì)(CCSDS)于2005年11月提出的針對(duì)空間應(yīng)用的CCSDS圖像壓縮算法，具有良好的圖像壓縮性能和抗誤碼能力，同時(shí)算法復(fù)雜度較低。但在具體硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，仍不能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)高效的要求，因此，必須對(duì)該算法的硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。文中針對(duì)這一問(wèn)題，提出編碼優(yōu)化方案，提高算法的實(shí)時(shí)性。采用ADI公司的Blackfin533芯片以及Visual DSP++5．0仿真平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)CCSDS編碼器的有效途徑。

1 編碼優(yōu)化
    文中采用CCSDS圖像壓縮算法編、解碼的C程序源代碼。通過(guò)以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)優(yōu)化：調(diào)整程序結(jié)構(gòu)；編碼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；代碼的匯編級(jí)優(yōu)化。
1．1 程序結(jié)構(gòu)調(diào)整
    選用的源代碼是符合CCSDS圖像壓縮算法標(biāo)準(zhǔn)流程的編、解碼器源代碼，代碼容量約為326 kB，對(duì)于實(shí)時(shí)圖像壓縮，其中含有大量的冗余代碼，而所用芯片的64 kB指令存儲(chǔ)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了要求的，因此，要將CCSDS源代碼移植到DSP上，就必須調(diào)整程序結(jié)構(gòu)，去掉冗余代碼，降低程序所占內(nèi)存。
    (1)刪除與編碼無(wú)關(guān)的代碼。(2)刪除冗余判斷。(3)刪除不必要的中間變量。(4)改寫(xiě)編碼主函數(shù)。
    經(jīng)過(guò)以上優(yōu)化，代碼容量降低為56 kB，這樣，所選用的Blackfin533芯片的L1指令存儲(chǔ)器就足以容納，而無(wú)需利用高速Cache和DMA進(jìn)行指令的傳輸，提高了編碼效率。
1．2 主要函數(shù)和數(shù)據(jù)的優(yōu)化
    在以上優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用Blackfin533芯片對(duì)Lena圖像進(jìn)行壓縮，壓縮比率為8：1，時(shí)間為3425 ms，遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)時(shí)性的要求。因此，還需對(duì)編碼結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行改進(jìn)，以提高編碼速度。
    (1)編碼選項(xiàng)的選取。
    在CCSDS圖像壓縮算法中有多種編碼供選取，增大了算法的靈活性，但也增加了算法硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，并且這些編碼選項(xiàng)在實(shí)現(xiàn)時(shí)存在大量判斷語(yǔ)句。一般情況下，判斷分支會(huì)打斷DSP指令運(yùn)行的流水線，從而影響編碼運(yùn)行時(shí)間。所以在進(jìn)行DSP移植時(shí)應(yīng)進(jìn)行編碼選項(xiàng)。
    1)編碼段大小S的選?。喝鐖Dl所示，S>64時(shí)，重建圖像的客觀質(zhì)量增加趨于平緩，所以在實(shí)現(xiàn)時(shí)選擇S大小為64，這樣一個(gè)編碼段所需的編碼原數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為8kB，從而可以保證對(duì)編碼段的編碼過(guò)程在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器L1中完成，而無(wú)需Cache和DMA在各級(jí)存儲(chǔ)器之間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，提高了編碼效率。


    2)DC系數(shù)編碼選項(xiàng)k的選?。簶?biāo)準(zhǔn)中提供了最優(yōu)化和啟發(fā)式兩種k值選擇方式，文中選擇復(fù)雜度較低的啟發(fā)式選取方案。
    (2)程序級(jí)優(yōu)化。
    1)Blackfin533是16位定點(diǎn)DSP處理器，而在源代碼中使用的是浮點(diǎn)DWT，移植在定點(diǎn)DSP中運(yùn)行需要大量時(shí)間。測(cè)試結(jié)果表明：對(duì)512× 512的圖像進(jìn)行浮點(diǎn)DWI變換耗時(shí)3000 ms以上，影響了CCSDS圖像壓縮算法的編碼效率。因此在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用定點(diǎn)化的方法實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)DWT，并最終匯編化，使對(duì)圖像進(jìn)行浮點(diǎn)DWT處理的時(shí)間降低到12 ms以下。
    2)源代碼中有大量數(shù)組類(lèi)型的指針變量，其緩沖區(qū)是通過(guò)malloc和calloc等函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配的，這樣會(huì)占用大量的編碼時(shí)間和可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄露以及導(dǎo)致DMA數(shù)組傳輸錯(cuò)誤等問(wèn)題，所以在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于所需編碼的圖像信息是可以事先得知的，于是可用靜態(tài)數(shù)組來(lái)代替動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的數(shù)組，這樣不僅指定了分配的位置，便于DMA傳輸，還縮短了編碼時(shí)間。
    3)編碼塊的數(shù)據(jù)格式選取：源代碼中是將一個(gè)編碼塊按照二維數(shù)組的格式進(jìn)行存儲(chǔ)的，即8×8的格式。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，DC系數(shù)編碼及AC系數(shù)字的映射過(guò)程對(duì)二維數(shù)組的索引取值耗時(shí)很長(zhǎng)，因此可以將編碼塊改成一維數(shù)組，即1×64的組織形式，這樣在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可以減少編碼時(shí)間。
    4)用查表法代替大量的判斷分支：AC系數(shù)熵編碼函數(shù)RiceCoding中有大量的分支判斷語(yǔ)句，占據(jù)大量的編碼時(shí)間，用查表法替換這里的分支判斷語(yǔ)句，可以使函數(shù)的編碼時(shí)間減少80％以上。此外，CCSDS編碼器代碼中的大量分支判斷語(yǔ)句和RiceCoding函數(shù)一樣，也可用查表法實(shí)現(xiàn)。這正是以空間換時(shí)間的典型應(yīng)用。[!--empirenews.page--]
    5)在源代碼中，為了節(jié)省存儲(chǔ)器空間，在結(jié)構(gòu)中使用了位域，但Blackfin 533在處理位域操作時(shí)效率極低，若將位域類(lèi)型改為char或sh-ort類(lèi)型，雖然在一定程度上增加了編碼時(shí)所需的存儲(chǔ)容量，但卻能夠明顯縮短編碼時(shí)間。
    6)碼流輸出函數(shù)BitsOutput的功能是輸出指定位數(shù)的數(shù)據(jù)到碼流文件，在源代碼中占到總編碼時(shí)間的約1／5。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在壓縮比率為8：1的 Lena圖時(shí)，程序調(diào)用BitsOutput函數(shù)達(dá)14萬(wàn)多次。若將該函數(shù)改為32位的形式輸出，并通過(guò)移位方式進(jìn)行碼流輸出以及在程序中減少該函數(shù)調(diào)用的方法進(jìn)行優(yōu)化，可使其占用周期減少到原來(lái)的20％。另外，編碼時(shí)只輸出一位的情況很多，將這些地方換成單獨(dú)的函數(shù)可進(jìn)一步減少編碼時(shí)間；
    7)循環(huán)優(yōu)化：保持循環(huán)體內(nèi)代碼簡(jiǎn)單，減少分支判斷。避免循環(huán)中依賴(lài)前次循環(huán)的數(shù)據(jù)，這樣可以實(shí)現(xiàn)并行處理。內(nèi)外循環(huán)合并，可以使優(yōu)化器專(zhuān)注于內(nèi)循環(huán)。減少數(shù)據(jù)跨切層數(shù)。利用Blackfin533的零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)，將代碼中的循環(huán)層數(shù)控制在兩層以?xún)?nèi)。
    (3)匯編級(jí)優(yōu)化。
    通過(guò)以上方式進(jìn)行的CCSDS編碼器的優(yōu)化，使得圖像編碼的時(shí)間縮短，但是，這樣實(shí)現(xiàn)的算法運(yùn)行效率還是比較低，這是因?yàn)樗械拇a都是由C語(yǔ)言編寫(xiě)的，并沒(méi)有完全利用DSP的各種性能。因此必須結(jié)合DSP本身的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化，才能使CCSDS高效的對(duì)圖像進(jìn)行編碼。
    C語(yǔ)言匯編化的優(yōu)化方法有：
    (1)節(jié)省寄存器資源。Blackfin提供了8個(gè)32位數(shù)據(jù)寄存器及一系列地址寄存器。對(duì)于這些寄存器，應(yīng)盡可能做到一個(gè)寄存器多次使用，同時(shí)盡量使用較短的數(shù)據(jù)類(lèi)型。
    (2)利用指令的流水線結(jié)構(gòu)，盡量展開(kāi)C語(yǔ)言中的循環(huán)體，減少分支判斷，盡量減少流水線的打斷。
    (3)使用并行指令。大多數(shù)指令都存在相應(yīng)的可并行的指令，如一條運(yùn)算指令可以并行兩條數(shù)據(jù)讀取指令。使用并行指令可以成倍地提高代碼的執(zhí)行速度。
    (4)將除法轉(zhuǎn)化為乘法或查表實(shí)現(xiàn)。Blackfin中提供了乘法器但沒(méi)有除法器，執(zhí)行除法指令將花費(fèi)幾十甚至上百個(gè)指令周期，因此將除法轉(zhuǎn)化為乘法或查表，可減少這種開(kāi)銷(xiāo)。
    (5)使用專(zhuān)用指令。Blackfin533提供了大量的圖像視頻專(zhuān)用指令，通過(guò)使用這些指令，能在很大程度上提高代碼的執(zhí)行效率。

2 優(yōu)化結(jié)果
    選用Lena圖像和Area圖像在壓縮比率為8的情況下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示，可見(jiàn)文中的優(yōu)化方案可將編碼時(shí)間由原來(lái)的3 425 ms優(yōu)化至48 ms，時(shí)間節(jié)省98．6％，提高了CCSDS圖像壓縮算法編碼的實(shí)時(shí)性能。



3 結(jié)束語(yǔ)
    文中首先介紹了CCSDS算法結(jié)構(gòu)的一般流程，接著針對(duì)編碼器的DSP移植提出了優(yōu)化方案，包括算法編碼選項(xiàng)的選取優(yōu)化、系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化、程序級(jí)優(yōu)化以及匯編優(yōu)化，最后給出了對(duì)比結(jié)果。可見(jiàn)，文中提出的優(yōu)化方法縮短了編碼時(shí)間，提高了算法效率。