基于Blackfin561的JPEG2000 壓縮算法實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化

O 引言
    JPEG2000數(shù)字圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)和國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)聯(lián)合制定的新一代靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。與以往的壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比，JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)具有很多優(yōu)點(diǎn)。它不僅僅在圖像編碼過程中能保證良好的圖像質(zhì)量，而且還具有現(xiàn)代圖像壓縮所要求的新性能，如同時(shí)支持有損壓縮和無損壓縮兩種模式、保證在圖像傳輸過程中的容錯(cuò)性、支持感興趣區(qū)域編碼等。但是，由于新技術(shù)的引入，JPEG2000的算法復(fù)雜度也相應(yīng)提高，在實(shí)際應(yīng)用中，JPEG2000并不如想象中的那么應(yīng)用廣泛。而DSP由于其豐富靈活的指令集、特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、超強(qiáng)的數(shù)據(jù)吞吐能力及運(yùn)算速度，使得以DSP處理器為核心的方法成為實(shí)現(xiàn)JPEG2000算法的一種有效途徑。

1 JPEG2000系統(tǒng)的組成原理
    JPEG2000相對(duì)于JPEG的最大改進(jìn)就是以離散小波變換(DWT)代替了DCT編碼。JPEG2000的編解碼流程如圖1所示。本系統(tǒng)首先對(duì)源圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行離散小波變換，然后對(duì)變換后的小波系數(shù)進(jìn)行量化，接著對(duì)量化后的數(shù)據(jù)熵編碼，最后形成輸出碼流。解碼器是編碼器的逆過程，解碼時(shí)，首先對(duì)碼流進(jìn)行熵解碼，然后解量化和小波反變換，最后生成重建圖像數(shù)據(jù)。

    通過預(yù)處理可為不同類型的圖像提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，以便于后續(xù)使用同樣的編碼器進(jìn)行處理，這一步驟是將多種類型的圖像壓縮加入到統(tǒng)一框架中的關(guān)鍵。它主要包括三個(gè)步驟：圖像分片、直流平移和分量變換。
    小波的多分辨率分析特性使之既可高效地描述圖像的平坦區(qū)域，又可有效地表示圖像信號(hào)的局部突變(即圖像的邊緣輪廓部分)，它在空域和頻域都有良好的局部性，因而能夠聚焦到圖像的任意細(xì)節(jié)。
    優(yōu)化截?cái)嗲度雺K編碼(The Embedded BlockCoding with Optimized Truncation，簡(jiǎn)稱EBCOT)是JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的核心，它不僅能對(duì)圖像進(jìn)行有效壓縮，同時(shí)，其產(chǎn)生的碼流還具有分辨率可伸縮性、信噪比可伸縮性、隨機(jī)訪問和處理等非常好的特性。EBCOT分Tierl和Tier2兩部分，EBCOT可將子帶分成互不重疊的編碼塊，每個(gè)編碼塊的比特層編碼稱為Tierl；然后對(duì)所有編碼塊的編碼流進(jìn)行優(yōu)化截?cái)嗯判蚝痛虬忍幚恚允蛊涑蔀門ier2。

2 Blackfin56l處理器
    Blackfin處理器是一類專為滿足當(dāng)今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計(jì)算要求和功耗約束條件而設(shè)計(jì)的新型32位DSP。Blackfin處理器主要基于ADI和Intel公司聯(lián)合開發(fā)的微信號(hào)架構(gòu)(MSA)，它將一個(gè)32位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號(hào)處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在了一起。Blackfin561是Blackfin處理器系列中的新型對(duì)稱雙核處理器成員，可在相同的頻率條件下實(shí)現(xiàn)性能的翻番。該器件具有以下特點(diǎn)：
    (1)高性能的處理器內(nèi)核
    Blackfin處理器架構(gòu)基于一個(gè)10級(jí)RISCMCU／DSP流水線和一個(gè)專為實(shí)現(xiàn)最佳代碼密度而設(shè)計(jì)的混合16／32位指令集架構(gòu)。Blackfin561具有兩個(gè)內(nèi)核頻率可達(dá)600MHz的處理器，可提供高效RISC MCU控制任務(wù)執(zhí)行能力。
    (2)高帶寬DMA能力
    Blackfin561具有多個(gè)獨(dú)立的DMA控制器，這些控制器可支持自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，而且所需的處理器內(nèi)核開銷極少。DMA傳輸可出現(xiàn)于內(nèi)部存儲(chǔ)器和諸多具有DMA功能的外設(shè)之間。傳輸也有可能出現(xiàn)于外設(shè)和與外部存儲(chǔ)器接口相連的外部器件之間，包括SDRAM控制器和異步存儲(chǔ)器控制器。
    (3)專用視頻指令
    除了具有對(duì)8位數(shù)據(jù)以及許多像素處理算法所常用的字長(zhǎng)的固有支持之外，Blackfin處理器架構(gòu)還包括專為增強(qiáng)視頻處理應(yīng)用而定義的指令。
    (4)高效控制處理[!--empirenews.page--]
    Blackfin561提供有各種各樣的微控制器型外設(shè)，包括UARTS、SPI、PPI控制器、支持PWM的定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和一個(gè)無縫同步和異步存儲(chǔ)器控制器。因而為設(shè)計(jì)師提供了巨大的設(shè)計(jì)靈活性，并最大限度地降低了終端系統(tǒng)成本。
    (5)分層的存儲(chǔ)器架構(gòu)
    Blackfin561支持改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是具有分級(jí)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的組合。BF56l器件的地址總線寬度為32位，可以訪問4G字節(jié)的地址空間。Blackfin處理器的存儲(chǔ)器架構(gòu)在器件實(shí)現(xiàn)中可提供Level l(L1)和Level 2(L2)存儲(chǔ)模塊，并可以通過EBIU外接L3處理器(SDRAM、Flash等)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的采集和壓縮處理。它有效利用了Blackfin561的專用視頻接口PPI和其它豐富的接口資源，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、便于軟件編程的特點(diǎn)。圖2所示其系統(tǒng)工作流程及連接框圖。

    由圖2可見，本系統(tǒng)首先由CCD攝像頭來采集圖像，輸入的模擬信號(hào)經(jīng)ADV7183視頻編碼芯片轉(zhuǎn)換成ITU一656格式的數(shù)字視頻流，該視頻流通過BF561的PPI傳輸?shù)絊DRAM。然后由DSP從SDRAM讀入圖像，并執(zhí)行JPEG2000編碼操作，最后將壓縮視頻流輸入到輸出模塊進(jìn)行傳輸。輸出模塊由USB控制芯片ISPl362組成，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和PC機(jī)的互連。FLASH用來存放加載文件LDR。

4 JPEG2000算法移植
    如果用戶導(dǎo)入的Blackfin處理器的C代碼能夠兼容ANSI C語言，那么，就能直接在Blackfin上進(jìn)行構(gòu)建并執(zhí)行這個(gè)“現(xiàn)成的”代碼程序。但是結(jié)合嵌入式應(yīng)用環(huán)境，移植時(shí)還需注意以下幾點(diǎn)：
    首先要注意不同的平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)類型的長(zhǎng)度定義可能是不一樣的。在程序移植中可以對(duì)數(shù)據(jù)類型使用typedef宏進(jìn)行定義，如“typedef intINT32；”這樣便于移植時(shí)更改。
    其次，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)中的存儲(chǔ)空間有限，而且是分級(jí)的，且不同級(jí)別的處理器大小和運(yùn)算速度均不同。因此，在定義變量時(shí)需要考慮其存放地址。通過section(“存儲(chǔ)器段名”)語句可以將變量和代碼放入指定地址。其中“存儲(chǔ)器段名”可在ldf件中設(shè)置。
    第三為了程序調(diào)用方便，PC平臺(tái)下的C程序會(huì)經(jīng)常使用大量的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配(如calloc、realloc、new等)?？紤]到嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，即需要不停的循環(huán)處理，因此，應(yīng)該用靜態(tài)數(shù)組代替動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。這樣不僅可以避免動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配造成的內(nèi)存碎片問題，同時(shí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)也更加清楚明了。
    此外，由于源程序中有許多文件操作，而嵌入式系統(tǒng)并不直接支持文件操作，所以應(yīng)予以剔除，用讀寫數(shù)組的方式來替代。
    最后應(yīng)注意Visual DSP++兼容的C語言庫(kù)函數(shù)。由于它不能識(shí)別<malloc．h>等庫(kù)文件名稱，而calloc、malloc等動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配函數(shù)均包含在<stdlib．h>中。所以，若要使用malloc，只需在程序中包入<stdlib．h>即可。注意以上幾點(diǎn)，C語言源程序就可以在VisualDSP++下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)其功能了。

5 程序優(yōu)化
    由于移植后的算法只是簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了圖像編碼功能，而遠(yuǎn)不能保證其實(shí)時(shí)性，因而需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化主要涉及浮點(diǎn)轉(zhuǎn)定點(diǎn)運(yùn)算、代碼優(yōu)化和存儲(chǔ)器優(yōu)化。
5．1 浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)定點(diǎn)運(yùn)算
    Blackfin處理器是一款定點(diǎn)處理器。該處理器本身并不支持float、double等浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型，而只能通過仿真實(shí)現(xiàn)，所以，用Blackfln直接進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算是很費(fèi)時(shí)的。因而應(yīng)將小波變換及其它涉及浮點(diǎn)運(yùn)算的模塊全部定點(diǎn)化。
    可以將浮點(diǎn)系數(shù)乘以一個(gè)尺度因子，使其變換成整數(shù)。然后在運(yùn)算過程中再除以尺度因子，這樣就避免了浮點(diǎn)操作。同時(shí)，Blackfin處理器是針對(duì)小數(shù)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，它提供了大量的運(yùn)算指令，可以快速的執(zhí)行定點(diǎn)和小數(shù)運(yùn)算。若用匯編編寫，則可以充分發(fā)揮處理器的性能，優(yōu)化幅度更大。下面給出小波變換定點(diǎn)化的一段程序：[!--empirenews.page--]

   
5．2 代碼優(yōu)化
    設(shè)計(jì)時(shí)可以結(jié)合具體的硬件環(huán)境對(duì)代碼本身做出大量?jī)?yōu)化，以使得編譯器能夠充分的使用硬件循環(huán)、軟件流水化、矢量化等技術(shù)。但是，也應(yīng)注意一下幾個(gè)方面：
    首先，因?yàn)檠h(huán)是程序中時(shí)間消耗最大的部分，所以要把主要精力集中在循環(huán)程序的設(shè)計(jì)上。應(yīng)盡量使用短循環(huán)；避免循環(huán)執(zhí)行的依賴性；確保內(nèi)部循環(huán)次數(shù)比外部的多；在循環(huán)中應(yīng)避免條件代碼，否則會(huì)出現(xiàn)大量控制流延遲；在循環(huán)體中不要放函數(shù)調(diào)用語句，這樣會(huì)妨礙編譯器用硬件循環(huán)結(jié)構(gòu)。
    其次，定點(diǎn)處理器本身不直接支持除法操作，所以，應(yīng)該盡量避免除法。如“if(X／Y>A／B)”可以寫成“if(X*B>A*Y)”。通過移位操作同樣可以避免除法，如除以8可以用左移3位來代替。最后，通過查詢表的方法也可以避免一些復(fù)雜運(yùn)算。
5．3 存儲(chǔ)器優(yōu)化
    Blackfin56l中的存儲(chǔ)器采用分層結(jié)構(gòu)，距離核最近的Ll存儲(chǔ)器運(yùn)行速度最快，但容量很小。因此需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的存儲(chǔ)器資源分配，以使得絕大多數(shù)操作都集中在L1存儲(chǔ)器。下面以小波變換為例來進(jìn)行說明。
    本系統(tǒng)中待處理的圖像位于SDRAM中。圖3所示是DMA雙緩沖操作示意圖，DMA優(yōu)化的總體思想是以一行圖像數(shù)據(jù)為基本單位，然后通過DMA把要處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到Ll，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效處理。傳輸可采用雙緩沖乒乓操作，這樣可避免DMA傳輸數(shù)據(jù)所耗費(fèi)的時(shí)間。

    為了驗(yàn)證JPEG2000編碼器在BF56l上移植和優(yōu)化后的效果，我們對(duì)一幅512x512x8bit圖像進(jìn)行測(cè)試并給出了相關(guān)數(shù)據(jù)。表l所列為16倍壓縮率下優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比。

6 結(jié)束語
    JPEG2000是新一代圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)JPEG2000圖像壓縮算法在DSP上的移植和優(yōu)化，壓縮后的圖像具有較高的信噪比。同時(shí)經(jīng)過優(yōu)化，其編碼器的運(yùn)算速度也得到了很大的提高，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。最后的結(jié)果。所以，為了在高頻輸入時(shí)，系統(tǒng)也能正常工作，可以把CA3140替換成高頻特性比較好的LM616l，這樣可以提高系統(tǒng)的高頻特性。