基于Blackfin533的CCSDS圖像壓縮算法編碼優(yōu)化

摘要 通過程序結構的調整，編碼結構的優(yōu)化及代碼的匯編級優(yōu)化，完成編碼器的DSP高效實現(xiàn)。實驗結果表明，優(yōu)化后的編碼器降低了運算復雜度，提高了CCSDS圖像壓縮算法的實時性。
關鍵詞 CCSDS；Blackfin533；編碼器；優(yōu)化

    空間數(shù)據(jù)咨詢會(CCSDS)于2005年11月提出的針對空間應用的CCSDS圖像壓縮算法，具有良好的圖像壓縮性能和抗誤碼能力，同時算法復雜度較低。但在具體硬件實現(xiàn)時，仍不能夠滿足實時高效的要求，因此，必須對該算法的硬件實現(xiàn)進行改進和優(yōu)化。文中針對這一問題，提出編碼優(yōu)化方案，提高算法的實時性。采用ADI公司的Blackfin533芯片以及Visual DSP++5．0仿真平臺，是實現(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。通過以下幾個方面實現(xiàn)優(yōu)化：調整程序結構；編碼結構的優(yōu)化；代碼的匯編級優(yōu)化。
1．1 程序結構調整
    選用的源代碼是符合CCSDS圖像壓縮算法標準流程的編、解碼器源代碼，代碼容量約為326 kB，對于實時圖像壓縮，其中含有大量的冗余代碼，而所用芯片的64 kB指令存儲器是遠遠滿足不了要求的，因此，要將CCSDS源代碼移植到DSP上，就必須調整程序結構，去掉冗余代碼，降低程序所占內存。
    (1)刪除與編碼無關的代碼。(2)刪除冗余判斷。(3)刪除不必要的中間變量。(4)改寫編碼主函數(shù)。
    經(jīng)過以上優(yōu)化，代碼容量降低為56 kB，這樣，所選用的Blackfin533芯片的L1指令存儲器就足以容納，而無需利用高速Cache和DMA進行指令的傳輸，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)化的基礎上，采用Blackfin533芯片對Lena圖像進行壓縮，壓縮比率為8：1，時間為3425 ms，遠達不到實時性的要求。因此，還需對編碼結構和算法進行改進，以提高編碼速度。
    (1)編碼選項的選取。
    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現(xiàn)的復雜度，并且這些編碼選項在實現(xiàn)時存在大量判斷語句。一般情況下，判斷分支會打斷DSP指令運行的流水線，從而影響編碼運行時間。所以在進行DSP移植時應進行編碼選項。
    1)編碼段大小S的選?。喝鐖Dl所示，S>64時，重建圖像的客觀質量增加趨于平緩，所以在實現(xiàn)時選擇S大小為64，這樣一個編碼段所需的編碼原數(shù)據(jù)存儲量為8kB，從而可以保證對編碼段的編碼過程在數(shù)據(jù)存儲器L1中完成，而無需Cache和DMA在各級存儲器之間轉移數(shù)據(jù)，提高了編碼效率。


    2)DC系數(shù)編碼選項k的選?。簶藴手刑峁┝俗顑?yōu)化和啟發(fā)式兩種k值選擇方式，文中選擇復雜度較低的啟發(fā)式選取方案。
    (2)程序級優(yōu)化。
    1)Blackfin533是16位定點DSP處理器，而在源代碼中使用的是浮點DWT，移植在定點DSP中運行需要大量時間。測試結果表明：對512× 512的圖像進行浮點DWI變換耗時3000 ms以上，影響了CCSDS圖像壓縮算法的編碼效率。因此在實現(xiàn)過程中，采用定點化的方法實現(xiàn)浮點DWT，并最終匯編化，使對圖像進行浮點DWT處理的時間降低到12 ms以下。
    2)源代碼中有大量數(shù)組類型的指針變量，其緩沖區(qū)是通過malloc和calloc等函數(shù)進行動態(tài)分配的，這樣會占用大量的編碼時間和可能會導致內存泄露以及導致DMA數(shù)組傳輸錯誤等問題，所以在實現(xiàn)過程中，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)組來代替動態(tài)申請的數(shù)組，這樣不僅指定了分配的位置，便于DMA傳輸，還縮短了編碼時間。
    3)編碼塊的數(shù)據(jù)格式選?。涸创a中是將一個編碼塊按照二維數(shù)組的格式進行存儲的，即8×8的格式。在實現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)，DC系數(shù)編碼及AC系數(shù)字的映射過程對二維數(shù)組的索引取值耗時很長，因此可以將編碼塊改成一維數(shù)組，即1×64的組織形式，這樣在實現(xiàn)過程中可以減少編碼時間。
    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句，占據(jù)大量的編碼時間，用查表法替換這里的分支判斷語句，可以使函數(shù)的編碼時間減少80％以上。此外，CCSDS編碼器代碼中的大量分支判斷語句和RiceCoding函數(shù)一樣，也可用查表法實現(xiàn)。這正是以空間換時間的典型應用。[!--empirenews.page--]
    5)在源代碼中，為了節(jié)省存儲器空間，在結構中使用了位域，但Blackfin 533在處理位域操作時效率極低，若將位域類型改為char或sh-ort類型，雖然在一定程度上增加了編碼時所需的存儲容量，但卻能夠明顯縮短編碼時間。
    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間的約1／5。據(jù)統(tǒng)計，在壓縮比率為8：1的 Lena圖時，程序調用BitsOutput函數(shù)達14萬多次。若將該函數(shù)改為32位的形式輸出，并通過移位方式進行碼流輸出以及在程序中減少該函數(shù)調用的方法進行優(yōu)化，可使其占用周期減少到原來的20％。另外，編碼時只輸出一位的情況很多，將這些地方換成單獨的函數(shù)可進一步減少編碼時間；
    7)循環(huán)優(yōu)化：保持循環(huán)體內代碼簡單，減少分支判斷。避免循環(huán)中依賴前次循環(huán)的數(shù)據(jù)，這樣可以實現(xiàn)并行處理。內外循環(huán)合并，可以使優(yōu)化器專注于內循環(huán)。減少數(shù)據(jù)跨切層數(shù)。利用Blackfin533的零開銷循環(huán)，將代碼中的循環(huán)層數(shù)控制在兩層以內。
    (3)匯編級優(yōu)化。
    通過以上方式進行的CCSDS編碼器的優(yōu)化，使得圖像編碼的時間縮短，但是，這樣實現(xiàn)的算法運行效率還是比較低，這是因為所有的代碼都是由C語言編寫的，并沒有完全利用DSP的各種性能。因此必須結合DSP本身的特點，對其進一步優(yōu)化，才能使CCSDS高效的對圖像進行編碼。
    C語言匯編化的優(yōu)化方法有：
    (1)節(jié)省寄存器資源。Blackfin提供了8個32位數(shù)據(jù)寄存器及一系列地址寄存器。對于這些寄存器，應盡可能做到一個寄存器多次使用，同時盡量使用較短的數(shù)據(jù)類型。
    (2)利用指令的流水線結構，盡量展開C語言中的循環(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)指令都存在相應的可并行的指令，如一條運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)將除法轉化為乘法或查表實現(xiàn)。Blackfin中提供了乘法器但沒有除法器，執(zhí)行除法指令將花費幾十甚至上百個指令周期，因此將除法轉化為乘法或查表，可減少這種開銷。
    (5)使用專用指令。Blackfin533提供了大量的圖像視頻專用指令，通過使用這些指令，能在很大程度上提高代碼的執(zhí)行效率。

2 優(yōu)化結果
    選用Lena圖像和Area圖像在壓縮比率為8的情況下進行測試，測試結果如表1所示，可見文中的優(yōu)化方案可將編碼時間由原來的3 425 ms優(yōu)化至48 ms，時間節(jié)省98．6％，提高了CCSDS圖像壓縮算法編碼的實時性能。



3 結束語
    文中首先介紹了CCSDS算法結構的一般流程，接著針對編碼器的DSP移植提出了優(yōu)化方案，包括算法編碼選項的選取優(yōu)化、系統(tǒng)級優(yōu)化、程序級優(yōu)化以及匯編優(yōu)化，最后給出了對比結果?？梢?，文中提出的優(yōu)化方法縮短了編碼時間，提高了算法效率。