基于DSP芯片的超光譜圖像壓縮技術(shù)

1、基于DSP芯片的超光譜圖像壓縮技術(shù)    摘  要  基于DSP的超光譜圖像壓縮系統(tǒng)中，一方面需要尋找優(yōu)秀的算法，另一方面需要結(jié)合DSP芯片的特點(diǎn)，選取合適設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能。本文結(jié)合目前現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了算法的設(shè)計(jì)，以及DSP芯片的選取方法，并討論了如何有效地優(yōu)化系統(tǒng)。     關(guān)鍵詞  DSP；圖像壓縮；超光譜圖像   1  引言     超光譜圖像壓縮技術(shù)是現(xiàn)代信息處理技術(shù)中一項(xiàng)尤為重要的技術(shù)，近幾年來(lái)基于DSP的圖像壓縮技術(shù)成為業(yè)

2、內(nèi)焦點(diǎn)。然而，數(shù)據(jù)運(yùn)算量大、處理數(shù)據(jù)突發(fā)性強(qiáng)是圖像處理系統(tǒng)中最大的特點(diǎn)，尤其是超光譜圖像，每幅圖像一般有著上百層的光譜信息。同時(shí)，一方面，現(xiàn)有的JPEG、JPEG2000等一些標(biāo)準(zhǔn)算法并不適合超光譜圖像壓縮領(lǐng)域的要求，或者因?yàn)槠渌惴ǖ膹?fù)雜度難于硬件實(shí)現(xiàn)等；另一方面，DSP芯片的飛速發(fā)展，各芯片的性能有差異，完成的功能也不同。因此，算法的尋找與芯片的選擇，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，也是開(kāi)發(fā)者十分關(guān)注的問(wèn)題。 2  系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)     圖像壓縮算法中，主要包括脈碼調(diào)制、量化法、預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、矢量量化、子帶編碼等。在現(xiàn)有圖像編碼方法進(jìn)一步發(fā)展的同時(shí)，一些

3、新的具有重要發(fā)展前景的圖像編碼方法如模型基圖像編碼方法，分形圖像編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等，取得了引人注目的進(jìn)展并取得了不少研究成果。它們的顯著特點(diǎn)是突破了常規(guī)編碼技術(shù)所依據(jù)的信源編碼理論的框架，效果更好。 2.1  系統(tǒng)對(duì)算法的要求     目前，流行的圖像壓縮方法眾多，至于這些方法哪些更好或者哪些不好，還很難評(píng)價(jià)，而且各個(gè)算法的壓縮效率也是與具體的圖像數(shù)據(jù)和DSP芯片密切相關(guān)，無(wú)法下統(tǒng)一的結(jié)論。但總的來(lái)說(shuō)，在圖像壓縮技術(shù)中，大多是多種方法結(jié)合使用，很少有用單純一種方法完成的。 一般來(lái)說(shuō)，壓縮比越大，算法越復(fù)雜，實(shí)時(shí)壓縮解壓縮的困難程度越大，要求的硬件環(huán)境也

4、越高。比如在可視電話中，若原圖像格式采用QCIF（176×144），則原始圖像有4.5Mb/s的數(shù)據(jù)量，若最后用28.8kb/S的MODEM在PSTN上傳輸，則要提供150多倍的壓縮。當(dāng)然，由于算法的復(fù)雜度增大，還需付出大量的軟件和硬件代價(jià)。     對(duì)于不同的應(yīng)用系統(tǒng)，算法有相應(yīng)的要求。如遙感超光譜圖像實(shí)時(shí)壓縮系統(tǒng)中，一般要求是無(wú)損壓縮，且芯片體積小，性能穩(wěn)定等；而在視頻圖像壓縮系統(tǒng)中，則要求較大的壓縮比，即使丟掉一些信息也是允許的，且芯片處理速度要快，能夠達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。即使在確定的系統(tǒng)中，選擇合適的算法也有著重要的意義。比如采用 ADI公司B

5、lackfin533系列DSP（定點(diǎn)DSP），當(dāng)處理一幅大小為720×576的灰度圖片時(shí)，采用改進(jìn)后的DCT算法共耗時(shí)252ms。如果采用傳統(tǒng)的DCT變換方法，僅DCT變換耗時(shí)就達(dá)到330ms?？梢?jiàn)，算法的選擇對(duì)系統(tǒng)的性能有著非常重要的作用。 2.2  算法的選取     到2007年為止，基于DSP的圖像壓縮技術(shù)中，最常見(jiàn)的是變換編碼和熵編碼。前者通過(guò)變換，重新組織數(shù)據(jù)，使圖像能量相對(duì)集中于較少的幾個(gè)系數(shù)，而其他的系數(shù)值只具有很小能量，這樣通過(guò)抑制能量小的系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，壓縮方法是有損還是無(wú)損也由變換編碼中是否丟棄一些高頻能量來(lái)決定，

6、如小波變換和離散余弦變換等；后者則是在編碼過(guò)程中不丟失信息量，即要求保存信息熵，是根據(jù)消息出現(xiàn)概率的分布特性而進(jìn)行的，是無(wú)損壓縮編碼。在超光譜圖像壓縮系統(tǒng)中，往往是要求無(wú)損或近無(wú)損，一般采用傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)編碼（DPCM）方法，它不經(jīng)過(guò)變換，直接探索像素與像素之間的相關(guān)性和波段與波段之間的相關(guān)性。一般在波段之間采用預(yù)測(cè)編碼，波段內(nèi)采用變換編碼，去掉波段和像素之間的相關(guān)性，然后再采用熵編碼。     對(duì)于DSP硬件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最擅長(zhǎng)的工作是算法簡(jiǎn)單的加法和移位運(yùn)算。如果需要保持較高的編碼效率，則要盡可能采用運(yùn)算簡(jiǎn)單，避免乘法、查找和判斷的算法，盡量保持軟硬件的流水線結(jié)構(gòu)。因

7、此，目前能在DSP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的圖像編碼中，采用的算法大多具有這些特點(diǎn)。     比如變換編碼中的整數(shù)小波變換，乘法器占用很大的硬件資源，不利于芯片實(shí)現(xiàn)，但由于小波濾波器的系數(shù)是固定的，因此把乘法操作優(yōu)化為移位寄存器和加法器操作，即只存在簡(jiǎn)單的移位和加法操作，速度很快，占用內(nèi)存少，非常利于硬件實(shí)現(xiàn)。而熵編碼中的算術(shù)編碼，2001年就有人提出一種改進(jìn)的Q-coder算術(shù)編碼算法2，采用重整化方法，可以用來(lái)解決硬件實(shí)現(xiàn)中的進(jìn)位翻轉(zhuǎn)問(wèn)題，采用移位加來(lái)代替原算法中的乘法，可以在硬件花費(fèi)較少的情況下顯著提高算法的編碼效率。 3  系統(tǒng)的芯片選擇   

8、;  在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇DSP芯片是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有選定了DSP芯片，才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。超光譜圖像壓縮系統(tǒng)中DSP芯片的選擇應(yīng)考慮實(shí)際應(yīng)用的需要而確定。     第一，要確定采用哪個(gè)公司或哪個(gè)系列的芯片。DSP的主要供應(yīng)商有TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog等，其中TI 占有最大的市場(chǎng)份額。另外ADI公司也占有一定的市場(chǎng)，與TI公司相比，ADI公司的DSP芯片系統(tǒng)時(shí)鐘一般不經(jīng)分頻直接使用，串行口帶有硬件壓擴(kuò)，可從8位EPROM引導(dǎo)程序，可變成等待狀態(tài)發(fā)生器等。由于工作時(shí)鐘較高的原因,TI公司的DS

9、P芯片在單芯片處理能力上優(yōu)于ADI公司的產(chǎn)品,但是在多芯片集成處理上ADI公司的DSP芯片性能更好一些。其他如ALTEAR公司的產(chǎn)品也有著部分市場(chǎng)。例如，APEX20K系列的APEX20K200EFC484-2X器件，在H.264標(biāo)準(zhǔn)中，先對(duì)算術(shù)編碼的結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，用查表代替了乘法操作，并采用流水線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，它的算術(shù)編碼器的速度可以達(dá)到0.2bit/cycle3。     圖像壓縮領(lǐng)域中，我國(guó)市場(chǎng)上最常見(jiàn)的是TI公司的C6000系列芯片。盡管C5000系列芯片也可用于圖像處理系統(tǒng)，但滿足不了實(shí)時(shí)性的要求。比如在指令周期為10ns的C5402上對(duì)一個(gè)1M大小的二進(jìn)制

10、數(shù)據(jù)流進(jìn)行算術(shù)編碼,需0.4s4,若處理一副512*512*8的圖像，最少需要800多秒，不能滿足實(shí)際的應(yīng)用。另外還有C8x系列多核DSP集成系統(tǒng)等,但由于價(jià)格昂貴和開(kāi)發(fā)復(fù)雜也將被淘汰。     第二，確定選擇定點(diǎn)或是浮點(diǎn)DSP。系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)格式?jīng)Q定了它所處理信號(hào)的精度、動(dòng)態(tài)范圍和信噪比，且不同數(shù)據(jù)格式的易用性和開(kāi)發(fā)難度也不一樣。目前定點(diǎn)DSP品種最多，處理速度為202400MIPS；浮點(diǎn)DSP基本由TI公司和ADI公司壟斷，處理速度為40M1GFLOPS。   另外， 我們應(yīng)開(kāi)征一些新的稅種，如社會(huì)保障稅、遺產(chǎn)稅、環(huán)保稅、車輛購(gòu)置稅、燃油稅

11、等；擴(kuò)大增值稅的征收范圍，將建筑業(yè)和運(yùn)輸業(yè)并入增值稅的征收行列，并實(shí)行消費(fèi)型增值稅；將企業(yè)所得稅與外商投資企業(yè)和外國(guó)企業(yè)所得稅合并統(tǒng)一為公司（法人）所得稅；可將城鎮(zhèn)土地使用稅并入資源稅；將筵席稅并入消費(fèi)稅，適當(dāng)調(diào)整消費(fèi)稅的課稅范圍，增加一些高檔娛樂(lè)項(xiàng)目和高檔消費(fèi)項(xiàng)目，如高爾夫球、桑拿浴、高級(jí)美容等，并取消現(xiàn)行消費(fèi)稅目中的生產(chǎn)資料和一般生活品，如酒精、護(hù)膚護(hù)發(fā)品。 （二）正確劃分中央與地方的稅收立法權(quán) 稅收立法權(quán)的正確劃分是合理劃分中央與地方稅權(quán)首先要解決的問(wèn)題。要在確保中央稅收立法權(quán)的同時(shí)，逐步擴(kuò)大地方政府的稅收立法權(quán)。 立法權(quán)就是主權(quán)者所擁有的，由特定的國(guó)家機(jī)關(guān)所行使的，在國(guó)家權(quán)力結(jié)構(gòu)中占據(jù)

12、特殊地位的，用來(lái)制定、認(rèn)可和變動(dòng)規(guī)范性法文件以調(diào)整一定社會(huì)關(guān)系的綜合性權(quán)力體系，它包括國(guó)家立法機(jī)關(guān)行使的立法權(quán)以及其他國(guó)家機(jī)關(guān)、地方權(quán)力機(jī)關(guān)行使的立法性職權(quán)。我國(guó)實(shí)行的是高度集中的政治體制，這就決定了中央集中統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)是我國(guó)現(xiàn)行立法權(quán)限劃分體制的根本特點(diǎn)。這一特點(diǎn)決定了中央立法在整個(gè)國(guó)家立法體系中的主導(dǎo)性和基礎(chǔ)性。有關(guān)稅收的基本的、全國(guó)性的稅收法律必須集中在中央，由全國(guó)人民代表大會(huì)或其常務(wù)委員會(huì)立法，或由全國(guó)人大及其常務(wù)委員會(huì)授權(quán)國(guó)務(wù)院立法。如稅收基本法、稅收征收管理法和我國(guó)重要稅種如增值稅、所得稅、營(yíng)業(yè)稅、消費(fèi)稅、社會(huì)保障稅等稅收實(shí)體法以及與之配套銜接的稅務(wù)行政復(fù)議法、稅收減免特別法、稅務(wù)司法

13、法等法規(guī)。 另外，由于我國(guó)各地區(qū)情況差別較大，尤其在經(jīng)濟(jì)體制改革中許多改革辦法帶有探索試驗(yàn)性質(zhì)，如果全部稅法由最高權(quán)力機(jī)關(guān)制定，難以做到機(jī)動(dòng)、靈活和及時(shí)；我國(guó)實(shí)行民主集中制，歷來(lái)強(qiáng)調(diào)發(fā)揮中央與地方兩個(gè)積極性，這就必須充分發(fā)揮地方權(quán)力機(jī)關(guān)在立法方面的積極性。稅收立法權(quán)在中央與地方政府之間的適當(dāng)劃分，既有利于保持中央政府在稅收調(diào)控中的主導(dǎo)地位，有利于宏觀經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展，又有利于發(fā)揮地方政府在稅收調(diào)控方面的積極作用，使地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展充滿活力。對(duì)于一些區(qū)域性、地方性稅種，可根據(jù)各地實(shí)際需要和可能，由地方各級(jí)權(quán)力機(jī)構(gòu)行使立法性職權(quán)，由地方政府確定開(kāi)征或停征，這些稅種的立法權(quán)由地方權(quán)力機(jī)關(guān)行使，由

14、地方自行決定是否開(kāi)征，稅率的高低和稅基的寬窄由地方調(diào)整，這樣可以更好地發(fā)揮地方擴(kuò)大財(cái)源，組織收入的積極性。 總之，稅收立法權(quán)限要明晰合理，對(duì)中央和地方的稅收立法，要分稅分管，賦予地方與其事權(quán)、財(cái)權(quán)相適應(yīng)的稅收立法權(quán)，以滿足地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。同時(shí)對(duì)稅種的設(shè)置、開(kāi)征、停征、解釋和減免等權(quán)限也要進(jìn)行合理的劃分。 （三）明確劃分中央與地方稅收收入的歸屬權(quán) 劃分中央與地方稅收收入的歸屬總的原則應(yīng)是：堅(jiān)持中央財(cái)政收入占全部財(cái)政收入的比重必須在60%左右，有利于中央財(cái)政收入與地方財(cái)政收入同步增長(zhǎng)，有利于調(diào)動(dòng)中央與地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、組織收入的積極性。實(shí)行分稅制以來(lái)，我國(guó)中央財(cái)政收入占全部財(cái)政收入的比重199519

15、99年一直呈逐年下降或徘徊的趨勢(shì)，分別為52.2%、49.4%、48.8%、49.6%、50.96%。這種格局與國(guó)外情況形成強(qiáng)烈的對(duì)比。從發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)看，不論是單一制國(guó)家，還是實(shí)行聯(lián)邦制的國(guó)家，在國(guó)家總的財(cái)力分配格局中，中央集中的財(cái)力比重一般保持在60%以上。從發(fā)展中國(guó)家來(lái)看，除個(gè)別國(guó)家外，中央集中的財(cái)力比重一般都在70%以上。另外，我國(guó)稅種和收入的劃分標(biāo)準(zhǔn)欠科學(xué)。如中央企業(yè)的所得稅歸中央財(cái)政，地方企業(yè)的所得稅歸地方財(cái)政，這不僅導(dǎo)致分稅制不規(guī)范，而且與建立統(tǒng)一市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的要求相違悖。因此，我們?cè)诖_定中央財(cái)政收入占全部財(cái)政收入比重時(shí)，應(yīng)基于我國(guó)國(guó)情，本著發(fā)揮中央與地方兩個(gè)積極性的原則，把這一比重確立

16、在60%左右。在稅種和稅收收入的劃分上，由于中央政府所承擔(dān)的任務(wù)具有全局性和特殊重要性，地方政府主要承擔(dān)與本地經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)的事務(wù)。所以，我們應(yīng)該把收入比重高，稅收負(fù)擔(dān)分布廣泛的稅種劃歸中央，將那些與地方經(jīng)濟(jì)和社會(huì)事業(yè)發(fā)展關(guān)系密切、稅源分散、適合地方征管的稅種劃為地方稅收收入。同時(shí)，將某些與經(jīng)濟(jì)發(fā)展直接相關(guān)的主要稅種作為中央與地方的共享稅收收入。在具體劃分和操作上，我們可以在現(xiàn)有分稅制劃分的基礎(chǔ)上確定。中央固定稅收收入包括：關(guān)稅、海關(guān)代征消費(fèi)稅和增值稅、消費(fèi)稅。地方固定稅收收入包括：營(yíng)業(yè)稅、個(gè)人所得稅、社會(huì)保障稅、遺產(chǎn)稅、贈(zèng)與稅、車輛購(gòu)置稅、燃油稅、城鎮(zhèn)土地使用稅、印花稅、契稅等。中央

17、與地方共享稅收收入包括：增值稅、所得稅、資源稅和證券交易稅。其中增值稅，所得稅和證券交易稅可以采取同源分率的形式劃分，資源稅仍按現(xiàn)行制度劃分。 （四）明確國(guó)稅、地稅各自的稅收征收管理權(quán)限 稅收征收管理制度是稅收制度的重要組成部分，它是保證稅收政策得以有效實(shí)施，進(jìn)而保障稅收收入及時(shí)、足額入庫(kù)的關(guān)鍵。因而，國(guó)稅、地稅各自的稅收征收管理權(quán)限劃分的明確與否，直接關(guān)系到中央與地方各自的稅收收入征收和入庫(kù)質(zhì)量。我國(guó)自稅務(wù)機(jī)構(gòu)分設(shè)后，國(guó)稅、地稅在稅務(wù)登記、發(fā)票管理、納稅申報(bào)、稅款征收等方面的稅收征收管理權(quán)限進(jìn)行了多次調(diào)整，但在某些方面仍存在交織不清的情況。為了提高我國(guó)稅收征收管理水平，防止國(guó)稅、地稅在征收管

18、理問(wèn)題上發(fā)生磨擦和“撞車”，在立法中明確國(guó)稅、地稅各自的稅收征收管理權(quán)限很有必要。 在稅務(wù)登記方面，可仍按現(xiàn)行的“統(tǒng)一代碼，分別登記，”的辦法，有利于加強(qiáng)對(duì)漏登漏管戶的管理，不斷提高稅務(wù)登記率。在發(fā)票管理方面，應(yīng)按收入歸屬權(quán)的流轉(zhuǎn)稅歸屬來(lái)劃分，屬中央固定和中地共享流轉(zhuǎn)稅的納稅人發(fā)票管理權(quán)屬國(guó)稅部門，屬地方固定收入的流轉(zhuǎn)稅納稅人的發(fā)票管理權(quán)歸地稅部門。在納稅申報(bào)方面，要堅(jiān)持分別申報(bào)的辦法，中央稅向國(guó)稅申報(bào)，地方稅向地稅申報(bào)，中地共享稅必須同時(shí)向國(guó)稅、地稅申報(bào)。在稅款征收方面，國(guó)稅、地稅的征收邊界應(yīng)嚴(yán)格劃分。中央固定稅收收入固定由國(guó)稅局征收，地方固定收入固定由地稅局征收，對(duì)中地共享稅，可以由國(guó)稅統(tǒng)

19、一征收分別入庫(kù)，條件成熟的地方省市，如地方稅務(wù)局認(rèn)為本省市的地方稅務(wù)局人員的整體素質(zhì)，征管手段和征管水平達(dá)到征收共享稅水平的，可以由地方政府向國(guó)家稅務(wù)總局提出申請(qǐng)，由國(guó)稅和地稅分別分率征收。隨著條件的不斷成熟，全國(guó)稅務(wù)人員的整體素質(zhì)不斷提高，征管手段的不斷現(xiàn)代化，在對(duì)共享稅的征管上，應(yīng)實(shí)行國(guó)稅、地稅分稅分征，逐漸取消由國(guó)稅代征地方稅的辦法，凡地方稅種以及共享稅中地方分享的部分應(yīng)全部由地稅系統(tǒng)自行征收管理。11 結(jié) 語(yǔ) 綜上所述，隨著地方稅權(quán)問(wèn)題的日益突出，迫切需要由調(diào)整國(guó)家稅收關(guān)系基本法的稅法通則將地方稅權(quán)納入調(diào)整范疇，以便在時(shí)機(jī)成熟時(shí)，制定專門的地方稅收法，使地方稅權(quán)的行使有法可依，豐富和完善稅法體系的結(jié)構(gòu)設(shè)置，同時(shí)，更好地調(diào)動(dòng)中央與地方的積極性，協(xié)調(diào)兩者的關(guān)系，推動(dòng)和諧社會(huì)的發(fā)展。  【注釋】 1. 張守文.稅權(quán)的定位與分配J.法商研究,2000,(1). 2. 趙