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)對圖像壓縮技術(shù)的要求越來越高，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)字信號處理器的處理能力提升到了一個新的高度，使信號處理系統(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、小波等多個算法因為其高可靠性和高效性也越來越受到青睞。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

TMS320C5409作為主處理器的可行性分析

TMS320C5409時鐘頻率為100MHz，性價比極高。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。

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

硬件設(shè)計框圖

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)存儲器，EEPROM為脫機(jī)工作時的程序存儲器，用于存儲系統(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)字信號的圖像存入幀存儲器中。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，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。

存儲空間的擴(kuò)展方案

經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的原始圖像數(shù)據(jù)是非常大的，TMS320C5409的內(nèi)部僅有32KB的RAM和16KB的ROM，不能滿足需要，因此，必須擴(kuò)展存儲器來存放原始圖像數(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)存的頁選擇信號。用C5409的A15引腳和XF引腳通過3/8譯碼器來控制擴(kuò)展存儲器片選信號的產(chǎn)生，當(dāng)A15=0時，選擇片內(nèi)RAM；當(dāng)A15=1，XF=0時選擇片外SRAM；當(dāng)A15=1，XF=1時選擇片外Flash；存儲器的擴(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

電源設(shè)計中需要考慮的主要問題是功率和散熱。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，需要的電源電流最大。因此在設(shè)計電源時，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，因為峰值電流會更大，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)的過程中，是最耗費(fèi)時間的運(yùn)算，而且，由于沒有考慮圖像本身的頻譜特性，JPEG量化表對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)時性。同時，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。具體做法是對每一個8×8塊先做列方向上的DCT變換，得到一個中間矩陣，再對該矩陣各行進(jìn)行DCT變換。可以看到，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算法所需要的計算量最小。Loeffler算法將8點(diǎn)一維DCT運(yùn)算分為4級，由于各級之間的輸入/輸出存在依存關(guān)系，4級操作必須串行進(jìn)行，而各級內(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)，可通過查表獲得。

由此計算可知，一個8點(diǎn)DCT的Loeffler算法共需要11次乘法和29次加法。從DSP匯編語言編程的角度來看，一個代數(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，因而可以利用長操作數(shù)(32位)進(jìn)行長字運(yùn)算。在長字指令中，給出的地址存取的總是高16位操作數(shù)，因而只需5條長字指令即可計算2個蝶形運(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)。因為該算法是為高級語言設(shè)計，沒有利用匯編語言的特點(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，將大大簡化程序的復(fù)雜度并減少計算時間。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)過蝶形運(yùn)算得到，因此，DCT算法由原來的4級運(yùn)算變成兩級，即第一級蝶形運(yùn)算和第二級乘法累加運(yùn)算，第一級蝶形運(yùn)算共要10+4=14(10次計算操作和4次輔助操作)條指令，第二級運(yùn)算中，每個輸出要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次存儲操作)，一共48條指令，這樣，計算一個8點(diǎn)DCT要62條指令，大大縮減了運(yùn)算時間，提高了CPU的工作效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時性。

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算的方法，其算法主要分為兩步：(1)對變換后的圖像系數(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色度分量在頻域中所有8×8子塊的63個交流系數(shù)絕對值的平均值P(u，v)，其中，u，v=0…7為位置信息。接下來求出163個交流系數(shù)平均值中的最大值，Z1(u，v)=MAX[P1(u，v)]，最后將63個交流系數(shù)平均值進(jìn)行歸一化處理，同時加入頻率位置信息，分別得出亮度和色度量化表中63個交流分量的矯正系數(shù)，計算過程為：

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。本算法的解碼過程與標(biāo)準(zhǔn)．JPEG解碼過程完全相同，可以看出它也是標(biāo)準(zhǔn)．IPEG編碼過程的逆過程。

實(shí)驗結(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)行測試。結(jié)果見表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的時間，較純Loeffler算法大約節(jié)省了一半時間，其效果是十分明顯的。

自適應(yīng)量化

對自適應(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

本文以TI的TMS320C5409作為開發(fā)平臺，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)用于需要對視頻圖像進(jìn)行實(shí)時采集、壓縮及存儲的絕大部分場合。