基于TMS320C5409的圖像壓縮系統(tǒng)

引言

隨著多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像大信息量的特點(diǎn)對(duì)圖像壓縮技術(shù)的要求越來(lái)越高，因此，專用高速數(shù)字信息處理技術(shù)成為發(fā)展的方向。其中，在硬件技術(shù)中，TI推出的C5000系列DSP將數(shù)字信號(hào)處理器的處理能力提升到了一個(gè)新的高度，使信號(hào)處理系統(tǒng)的研究重點(diǎn)又回到軟件算法上。在壓縮算法研究方面，DCT、小波等多個(gè)算法因?yàn)槠涓呖煽啃院透咝砸苍絹?lái)越受到青睞。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

TMS320C5409作為主處理器的可行性分析

TMS320C5409時(shí)鐘頻率為100MHz，性價(jià)比極高。采用圍繞1組程序總線、3組數(shù)據(jù)總線和4組地址總線建立的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，取址和讀數(shù)可同時(shí)進(jìn)行。有獨(dú)立的硬件乘法器，有利于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化卷積、數(shù)字濾波、FFT、矩陣運(yùn)算等算法中的大量重復(fù)乘法運(yùn)算。具有循環(huán)尋址、位倒序等特殊指令，這些指令使FFT、卷積等運(yùn)算中的尋址、排序及計(jì)算速度大大提高。有一組或多組獨(dú)立的DMA總線，與CPU的程序、數(shù)據(jù)總線并行工作。

在本系統(tǒng)中，TMS320C5409作為主處理器，任務(wù)是實(shí)現(xiàn)JPEG壓縮編碼。

通過(guò)分析不難得到，當(dāng)處理一幀大小為640×480的圖像時(shí)，作JPEG壓縮編碼所需要的時(shí)間為：T=62×10(ns)×640×480=0.19866s，當(dāng)所處理的圖像分辨率更小時(shí)，則壓縮每幀所花的時(shí)間更少，這對(duì)于應(yīng)用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是很高的場(chǎng)合是完全可行的。

硬件設(shè)計(jì)框圖

圖1是基于TMS320C5409的圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。C5409為中央處理器，SRAM為DSP片外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，EEPROM為脫機(jī)工作時(shí)的程序存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的引導(dǎo)程序和其它應(yīng)用程序，A/D轉(zhuǎn)換部分負(fù)責(zé)把轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的圖像存入幀存儲(chǔ)器中。地址譯碼、圖像采集系統(tǒng)控制電路產(chǎn)生本系統(tǒng)各部分的地址譯碼信號(hào)，使之映射到不同的地址區(qū)域，并控制ADC進(jìn)行圖像采集，這部分由CPLD控制；圖像采集芯片的寄存器控制由51單片機(jī)完成。

存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展方案

經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的原始圖像數(shù)據(jù)是非常大的，TMS320C5409的內(nèi)部?jī)H有32KB的RAM和16KB的ROM，不能滿足需要，因此，必須擴(kuò)展存儲(chǔ)器來(lái)存放原始圖像數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序。本文考慮外接64KB的RAM和512KB的Flash，RAM使用Cypress公司的CY7C1021V33，F(xiàn)lash采用SST公司的SST39VF512。由于C5409的數(shù)據(jù)空間僅為64KB，因此采用內(nèi)存頁(yè)擴(kuò)展技術(shù)。C5409的擴(kuò)展輸出口1Q和2Q作為擴(kuò)展內(nèi)存的頁(yè)選擇信號(hào)。用C5409的A15引腳和XF引腳通過(guò)3/8譯碼器來(lái)控制擴(kuò)展存儲(chǔ)器片選信號(hào)的產(chǎn)生，當(dāng)A15=0時(shí)，選擇片內(nèi)RAM；當(dāng)A15=1，XF=0時(shí)選擇片外SRAM；當(dāng)A15=1，XF=1時(shí)選擇片外Flash；存儲(chǔ)器的擴(kuò)展如圖2所示。將外部擴(kuò)展RAM的64KB中的48KB用于存放原始圖像數(shù)據(jù)，16KB用于存放壓縮后的圖像和程序以及暫存的數(shù)據(jù)。

DSP芯片電源電路設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)中需要考慮的主要問(wèn)題是功率和散熱。功率要求：電流的消耗主要取決于器件的激活度，即CPU的激活度，外設(shè)功耗主要取決于正在工作的外設(shè)及其速度，與CPU相比，外設(shè)功耗是比較小的。以TMS320C5409為例，進(jìn)行FFT運(yùn)算時(shí)，需要的電源電流最大。因此在設(shè)計(jì)電源時(shí)，必須考慮在電源電流和實(shí)際需用電流之間留有一定裕量，因?yàn)榉逯惦娏鲿?huì)更大，裕量至少是20％。

C5409采用了雙電源供電機(jī)制，工作電壓為3.3V和1.8V。其中，1.8V主要為DSP的內(nèi)部邏輯提供電壓，包括CPU和其它所有外設(shè)邏輯。外部接口引腳采用3.3V電壓。本系統(tǒng)的電源采用了TI公司的兩路輸出電源芯片TPS73HD318，它是一種雙輸出穩(wěn)壓器。輸出電壓一路為3.3V、一路為1.8V，每路電源的最大輸出電流為750mA。

JPEG圖像壓縮算法

JPEG算法的優(yōu)化

盡管JPEG基本系統(tǒng)能夠?qū)D像進(jìn)行低壓縮比壓縮，但是DCT和IDCT在軟件實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，是最耗費(fèi)時(shí)間的運(yùn)算，而且，由于沒(méi)有考慮圖像本身的頻譜特性，JPEG量化表對(duì)于所有圖像壓縮并不一定最優(yōu)。采用快速DCT算法可提高軟件的速度，增強(qiáng)軟件的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，根據(jù)圖像本身的頻譜特性，自適應(yīng)改進(jìn)JPEG推薦的量化表。

快速DET算法

如果將一幅圖像分成許多8×8的小塊后直接進(jìn)行2D—DCT變換，運(yùn)算量將會(huì)十分巨大。因此，需要將8×8二維DCT變換轉(zhuǎn)換成兩次8點(diǎn)的一維DCT復(fù)合運(yùn)算。具體做法是對(duì)每一個(gè)8×8塊先做列方向上的DCT變換，得到一個(gè)中間矩陣，再對(duì)該矩陣各行進(jìn)行DCT變換?？梢钥吹?，8×8矩陣的2維DCT可以轉(zhuǎn)換成16次一維8點(diǎn)DCT。

目前，很多針對(duì)一維DCT運(yùn)算的DCT快速算法已經(jīng)提出。其中，Loeffler算法所需要的計(jì)算量最小。Loeffler算法將8點(diǎn)一維DCT運(yùn)算分為4級(jí)，由于各級(jí)之間的輸入/輸出存在依存關(guān)系，4級(jí)操作必須串行進(jìn)行，而各級(jí)內(nèi)部的運(yùn)算可并行處理。

流程圖中有三種運(yùn)算因子：蝶形因子、旋轉(zhuǎn)因子和倍乘因子，分別如圖3中的a，b，c所示。蝶形因子的運(yùn)算關(guān)系為：

D0=I0+I1
O1=I0-I1
需要2次加法完成，倍乘因子的輸入/輸出關(guān)系比較簡(jiǎn)單：，只需1次乘法，旋轉(zhuǎn)因子的運(yùn)算關(guān)系為：

需4次乘法、2次加法完成。如果對(duì)其輸入/輸出關(guān)系式做以下變換：

只需要3次乘法、3次加法。其中,和差都是已知系數(shù)，可通過(guò)查表獲得。

由此計(jì)算可知，一個(gè)8點(diǎn)DCT的Loeffler算法共需要11次乘法和29次加法。從DSP匯編語(yǔ)言編程的角度來(lái)看，一個(gè)代數(shù)運(yùn)算應(yīng)包括取操作數(shù)、運(yùn)算、存操作數(shù)三個(gè)步驟。因此，該算法大約需要120條指令。C5409的運(yùn)算能力很強(qiáng)，支持單周期加/減法和單周期乘法運(yùn)算，并且能夠在單周期內(nèi)完成兩個(gè)16位數(shù)的加/減法運(yùn)算，再加上DSP中有3組數(shù)據(jù)總線，因而可以利用長(zhǎng)操作數(shù)(32位)進(jìn)行長(zhǎng)字運(yùn)算。在長(zhǎng)字指令中，給出的地址存取的總是高16位操作數(shù)，因而只需5條長(zhǎng)字指令即可計(jì)算2個(gè)蝶形運(yùn)算。加上采取其它優(yōu)化措施，大約需90條指令完成Loeffler算法。

雖然Loeffler算法運(yùn)算量最小，但是運(yùn)用于本文系統(tǒng)并不是最優(yōu)。因?yàn)樵撍惴ㄊ菫楦呒?jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)，沒(méi)有利用匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)和DSP硬件的特點(diǎn)。本文提出了基于DSP乘法累加單元的DCT快速算法。

DSP的乘法累加單元能在單周期內(nèi)完成一次乘法和一次累加運(yùn)算。如匯編指令運(yùn)用于DCT運(yùn)算，將大大簡(jiǎn)化程序的復(fù)雜度并減少計(jì)算時(shí)間。具體算法如下，利用蝶形運(yùn)算：

從上面表達(dá)式可以看出，y(0)-y(7)都是乘法累加運(yùn)算，而s0-s7可由x(0)一x(7)經(jīng)過(guò)蝶形運(yùn)算得到，因此，DCT算法由原來(lái)的4級(jí)運(yùn)算變成兩級(jí)，即第一級(jí)蝶形運(yùn)算和第二級(jí)乘法累加運(yùn)算，第一級(jí)蝶形運(yùn)算共要10+4=14(10次計(jì)算操作和4次輔助操作)條指令，第二級(jí)運(yùn)算中，每個(gè)輸出要4+1+1=6條指令(做4次乘法累加運(yùn)算、1次讀取操作和1次存儲(chǔ)操作)，一共48條指令，這樣，計(jì)算一個(gè)8點(diǎn)DCT要62條指令，大大縮減了運(yùn)算時(shí)間，提高了CPU的工作效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

量化運(yùn)算優(yōu)化

本文提出了基于實(shí)際情況的自適應(yīng)量化方法，即量化階段采用二次計(jì)算的方法，其算法主要分為兩步：(1)對(duì)變換后的圖像系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)處理；(2)構(gòu)造新的量化表。具體方法如下：

首先求出亮度分量和兩個(gè)色度分量在頻域中所有8×8子塊的63個(gè)交流系數(shù)絕對(duì)值的平均值P(u，v)，其中，u，v=0…7為位置信息。接下來(lái)求出163個(gè)交流系數(shù)平均值中的最大值，Z1(u，v)=MAX[P1(u，v)]，最后將63個(gè)交流系數(shù)平均值進(jìn)行歸一化處理，同時(shí)加入頻率位置信息，分別得出亮度和色度量化表中63個(gè)交流分量的矯正系數(shù)，計(jì)算過(guò)程為：

由此可以得到量化表的矯正式Qpl(u，v)=Q1(u，v)/X1(u，v)，對(duì)JPEG量化表進(jìn)行矯正。

將上述矯正后的量化表作為最終的量化表，對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)JPEG壓縮，形成完全符合JPEG格式的壓縮文件。本算法的解碼過(guò)程與標(biāo)準(zhǔn)．JPEG解碼過(guò)程完全相同，可以看出它也是標(biāo)準(zhǔn)．IPEG編碼過(guò)程的逆過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

快速DCT運(yùn)算

將本文提出的算法、Loeffler的DSP優(yōu)化算法和純Loeffler算法分別進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果見(jiàn)表1，可以看到本文算法較Loeffler的DSP優(yōu)化算法大約節(jié)省了1/4的時(shí)間，較純Loeffler算法大約節(jié)省了一半時(shí)間，其效果是十分明顯的。

自適應(yīng)量化

對(duì)自適應(yīng)量化器進(jìn)行仿真。本文采用中等復(fù)雜度的標(biāo)準(zhǔn)圖像作為測(cè)試圖，與基本JPEG系統(tǒng)進(jìn)行性能比較(基于峰值信噪比(PSNR))。只將JPEG標(biāo)準(zhǔn)方法中的量化表更改為修正的量化表，就可以在同等壓縮比下，提高恢復(fù)圖像的質(zhì)量。表2為不同壓縮比下，采用JPEG量化表和自適應(yīng)量化表兩種方法的峰值信噪比。從壓縮比和峰值信噪比的對(duì)比結(jié)果可看出，自適應(yīng)量化JPEG方法的壓縮比略高于標(biāo)準(zhǔn)JPEG方法。

結(jié)語(yǔ)

本文以TI的TMS320C5409作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一種新的JPEG圖像壓縮系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是提高了JPEG的運(yùn)行速度，增強(qiáng)了圖像的壓縮率和質(zhì)量，并且易于硬件實(shí)現(xiàn)。這一方案可應(yīng)用于需要對(duì)視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、壓縮及存儲(chǔ)的絕大部分場(chǎng)合。