利用TMS320C6201芯片進(jìn)行圖像壓縮

利用TMS320C6201芯片進(jìn)行圖像壓縮

摘要：介紹了利用TMS320C6201DSP芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像壓縮的軟件設(shè)計(jì)。結(jié)合該芯片的編程特點(diǎn)介紹了壓縮算法，并給出了部分關(guān)鍵程序，具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：圖像壓縮C6201FDCT變換霍夫曼編碼

圖像中含有豐富的信息，在現(xiàn)代科技中將圖像作為一種探測手段，正受到越來越廣泛的青睞。有很多探測設(shè)備，采用掃描成像儀器作為前端探測器。作為一種很常見的情況，成像儀器采集到的圖像要通過無線信道進(jìn)行發(fā)送。但是，圖像數(shù)據(jù)通常都是海量數(shù)據(jù)，無線信道的傳輸帶寬無法滿足要求，必須對(duì)圖像進(jìn)行壓縮處理，才能通過無線信道進(jìn)行傳輸。

實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)無線傳輸必須研制專門的圖像壓縮，該壓縮器須滿足如下要求：圖像實(shí)時(shí)壓縮?鴉能夠較好地保存圖像質(zhì)量。筆者以ＴＩ公司的高速ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１為核心的數(shù)字信號(hào)處理板作為圖像壓縮器的硬件平臺(tái)，通過自行開發(fā)的壓縮程序，實(shí)現(xiàn)了圖像的實(shí)時(shí)壓縮。

１數(shù)字信號(hào)處理板的硬件功能框圖

數(shù)字信號(hào)處理板的硬件功能框圖如圖１所示。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１是一種高性能的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。工作頻率為２００ＭＨｚ時(shí)，每個(gè)指令周期為５ｎｓ，運(yùn)算速度可達(dá)１６００ＭＩＰＳ；具有ＶＬＩＷ(甚長指令集)體系結(jié)構(gòu)，每周期８個(gè)３２ｂｉｔ的指令并行執(zhí)行；８個(gè)獨(dú)立的功能單元，有兩個(gè)１６ｂｉｔ乘法器和６個(gè)算術(shù)邏輯單元；采用加載存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)在多處理單元之間的傳輸依靠３２個(gè)３２ｂｉｔ的通用寄存器。Ｃ６０００的存儲(chǔ)器尋址空間為３２ｂｉｔ,片內(nèi)有１Ｍｂｉｔ的ＳＲＡＭ。片內(nèi)ＲＡＭ被分為兩塊：一是內(nèi)部程序／ｃａｃｈｅ存儲(chǔ)器，二是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。３２ｂｉｔ外部存儲(chǔ)器接口可與不同存儲(chǔ)器接口，可方便地配置不同速度、不同容量、不同復(fù)雜程度的存儲(chǔ)器。此外，Ｃ６０００還有兩通道Ｂｏｏｔ－ｌｏａｄｉｎｇＤＭＡ處理器、１６ｂｉｔ的主機(jī)接口ＨＰＩ、兩個(gè)多通道緩沖串口，并且其片內(nèi)鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器，可以對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行不同的倍頻處理。這種芯片用來處理圖像壓縮這種運(yùn)算密集型的工作是非常合適的。功能框圖的其它部分不再做介紹。

２圖像壓縮算法

圖像壓縮中的圖像有彩色和灰度之分?？紤]到彩色圖像和灰度圖像的壓縮類似，且大多數(shù)的掃描成象設(shè)備掃的是灰度圖像，所以僅以灰度圖像的壓縮為例介紹ＤＳＰ上的圖像壓縮。圖像壓縮算法原理圖如圖２所示。

圖中，首先將原始灰度圖像分為８×８的圖塊，然后對(duì)每一圖像塊進(jìn)行ＦＤＣＴ變換，再將變換得到的ＤＣＴ系數(shù)使用量化表進(jìn)行量化。量化后可得到如下形式的數(shù)據(jù)

(x)是不為零的數(shù)據(jù)）

xxxx0000

xxx00000

xx000000

x0000000

00000000

00000000

00000000

00000000

該數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中存放的順序

z[0]zzzzxzz

zzz[10]z[11]z[12]z[13]z[14]z[15]

z[16]z[17]z[18]z[19]z[10]z[21]z[22]z[23]

z[24]z[25]z[26]z[27]z[28]z[29]z[30]z[31]

z[32]z[33]z[34]z[35]z[36]z[37]z[38]z[39]

z[40]z[41]z[42]z[43]z[44]z[45]z[46]z[47]

z[48]z[49]z[50]z[51]z[52]z[53]z[54]z[55]

z[56]z[57]z[58]z[59]z[60]z[61]z[62]z[63]

在存儲(chǔ)器中，非零數(shù)據(jù)和零數(shù)據(jù)交替存放，不便于壓縮，所以要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重排列，數(shù)據(jù)的重排列形式

z[0]zzzz[14]z[15]z[27]z[28]

zzzz[13]z[16]z[26]z[29]z[42]

zzz[12]z[17]z[25]z[30]z[41]z[43]

zz[11]z[18]z[24]z[31]z[40]z[44]z[53]

z[10]z[19]z[23]z[32]x[39]z[45]z[52]z[54]

z[20]z[22]z[33]z[38]z[46]z[51]z[55]z[60]

z[21]z[34]z[37]z[47]z[50]z[56]z[59]z[61]

z[35]z[36]z[48]

z[49]z[57]z[58]z[62]z[63]

變換完成后再根據(jù)編碼表對(duì)ＤＣ系數(shù)和ＡＣ系數(shù)分別進(jìn)行編碼，就完成了圖像的壓縮。

３利用ＤＳＰ芯片進(jìn)行圖像壓縮

３．１圖像壓縮器的工作過程

圖像壓縮器工作過程方框圖如圖３所示。

圖像數(shù)據(jù)通過Ｉ／Ｏ接口送入數(shù)字信號(hào)處理板，由ＤＳＰ芯片中的ＤＭＡ控制器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)放入輸入緩沖區(qū)中，ＤＳＰ對(duì)緩沖的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后，通過ＨＰＩ接口將壓縮數(shù)據(jù)送出。

３．２編程介紹

這里主要介紹壓縮參數(shù)初始化和壓縮程序。

３．２．１壓縮參數(shù)初始化

由圖２所示的圖像壓縮算法可知，圖像壓縮過程中需要量化表和編碼表，量化表如圖４所示。

量化操作就是把８×８圖塊進(jìn)行ＦＤＣＴ變換，將變換后的的ＤＣＴ系數(shù)用量化表元素來除。由于ＤＳＰ中有硬件乘法器和移位指令，為了充分提高程序的執(zhí)行速度，應(yīng)該將除法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為乘法運(yùn)算和移位運(yùn)算，對(duì)上面的量化表元素逐個(gè)求倒數(shù)并用１６進(jìn)制表示，如圖４所示。

編碼表有兩個(gè)，一個(gè)是直流差值編碼表，另一個(gè)是交流系數(shù)編碼表，如圖５所示。

編碼表中的最左端的一列代表中間碼字，具體編碼時(shí)要根據(jù)８ｘ８圖塊的ＤＣＴ系數(shù)產(chǎn)生中間碼字，再由中間碼字查編碼表，將中間碼字轉(zhuǎn)換為霍夫曼碼，完成編碼。在ＤＳＰ程序初始化階段要生成量化表和編碼表，量化表可直接將圖４所示的量化表元素代入來得到,編碼表就要按照霍夫曼碼的編碼方法生成霍夫曼碼來得到。由于在壓縮過程中要頻繁地查找編碼表，因此，編碼表的組織形式對(duì)程序的執(zhí)行效率影響很大。

３．２．２壓縮程序

圖像壓縮包括ＦＤＣＴ變換、標(biāo)量量化、Ｚｉｇｚａｇ掃描和編碼等幾個(gè)步驟，下面分別介紹。

３．２．２．１ＦＤＣＴ變換

ＤＣＴ變換公式

式中，Cu,Cv=

具體壓縮的時(shí)候要采用ＤＣＴ變換的快速算法來加快程序的運(yùn)行速度，將二維的ＤＣＴ變換分解為兩個(gè)一維的ＤＣＴ變換，可以有效地降低計(jì)算量。ＣＣＳ２．０(ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒＳｔｕｄｉｏ)中提供了一個(gè)成熟的Ｃ語言函數(shù)庫，里面包含了進(jìn)行ＦＤＣＴ變換的函數(shù)。函數(shù)原型

ｖｏｉｄｆｄｃｔ＿８×８(ｓｈｏｒｔ*ｄｃｔ＿ｄａｔａ,ｕｎｓｉｇｎｅｄｎｕｍ＿ｆｄｃｔｓ)；

函數(shù)中ｄｃｔ＿ｄａｔａ指針指向待變換的圖像數(shù)據(jù)，ｎｕｍ＿ｆｄｃｔｓ是進(jìn)行ＤＣＴ變換的圖像塊的數(shù)目。該函數(shù)可以對(duì)一大塊連續(xù)存放的圖像塊進(jìn)行ＤＣＴ變換，特別針對(duì)ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１ＤＳＰ芯片的特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。考慮到存儲(chǔ)器的等待時(shí)間和指令的并行等問題，執(zhí)行效率非常高，具體的程序開銷可以通過如下公式計(jì)算

時(shí)鐘周期數(shù)＝４８＋１６０*ｎｕｍ＿ｆｄｃｔｓ;

要在自己的工程中使用這個(gè)函數(shù)，必須把ｉｍｇ６２ｘ．ｌｉｂ函數(shù)庫添加到工程中，并且在主程序文件中包含ｆｄｃｔ＿８×８．ｈ頭文件。

３．２．２．２標(biāo)量量化

所謂標(biāo)量量化就是對(duì)８×８圖像塊的ＤＣＴ變換系數(shù)使用量化表逐個(gè)相除并四舍五入。ＣＣＳ２．０提供了一個(gè)量化函數(shù)，其原型

ｖｏｉｄｑｕａｎｔｉｚｅ

(

ｓｈｏｒｔ*ｄａｔａ,／*Ｄａｔａｔｏｂｅｑｕａｎｔｉｚｅｄ．*／

ｉｎｔｎｕｍ＿ｂｌｋｓ,／*Ｎｕｍｂｅｒｏｆ６４－ｅｌｅｍｅｎｔｂｌｏｃｋｓ．?*／

ｉｎｔｂｌｋ＿ｓｉｚｅ,／*Ｂｌｏｃｋｓｉｚｅ(ｍｕｌｔｉｐｌｅｏｆ８)．*／

ｃｏｎｓｔｓｈｏｒｔ*ｒｅｃｉｐ＿ｔｂｌ,／*Ｑｕａｎｔ．ｖａｌｕｅｓ(ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｓ)．*／

ｉｎｔｑ＿ｐｔ／*Ｑ－ｐｏｉｎｔｏｆＱｕａｎｔｖａｌｕｅｓ．*／

);

將圖４所示的量化表元素代入程序，ｂｌｋ＿ｓｉｚｅ為６４，ｑ＿ｐｔ為１６，ｄａｔａ指向量化數(shù)據(jù)，即可進(jìn)行快速的量化。該程序同樣經(jīng)過了優(yōu)化，具體的程序開銷可按如下公式計(jì)算

時(shí)鐘周期數(shù)＝２５＋(ｂｌｋ＿ｓｉｚｅ／１６)*４＋ｎｕｍ＿ｂｌｋｓ*１２)

該函數(shù)同樣包含在ｉｍｇ６２ｘ．ｌｉｂ庫中，

程序中應(yīng)包含ｑｕａｎｔｉｚｅ．ｈ頭文件。

３．２．２．３ＺｉｇＺａｇ掃描

ＺｉｇＺａｇ掃描就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重排列。該部分功能簡單、運(yùn)算量也不大，但是對(duì)存儲(chǔ)器的訪問非常頻繁，而且影響處理器執(zhí)行速度的主要是對(duì)存儲(chǔ)器的訪問速度。一般情況下，ＣＰＵ訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器需要４個(gè)時(shí)鐘周期，訪問外部存儲(chǔ)器的速度要比內(nèi)部存儲(chǔ)器的速度慢得多，具體情況應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用的外部存儲(chǔ)器的類型而定。由于ＴＭＳ３２０６２０１ＤＳＰ芯片每秒鐘最多可以執(zhí)行８條指令，如果讓ＤＳＰ芯片經(jīng)常處于等待狀態(tài)是非常大的浪費(fèi)。解決該問題的最有效的辦法是充分利用數(shù)據(jù)總線的寬度并讓軟件進(jìn)行流水線執(zhí)行。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的數(shù)據(jù)總線寬度是３２位，一般情況下ＤＣＴ系數(shù)使用一個(gè)短整型數(shù)，只有１６位寬度，如果每次同時(shí)從存儲(chǔ)器中讀寫兩個(gè)數(shù)，則可以減少一半訪問存儲(chǔ)器的次數(shù)。由于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１有８個(gè)功能單元，ＣＰＵ可以在處理當(dāng)前數(shù)據(jù)的同時(shí)去存儲(chǔ)器取下一個(gè)數(shù)據(jù)。通過流水線，ＣＰＵ可以做到每周期訪問一次存儲(chǔ)器，這樣可以使程序的執(zhí)行效率大大提高。一般情況下軟件的流水線安排是由編譯優(yōu)化系統(tǒng)完成的，程序員所要做的是讓自己的程序符合流水線執(zhí)行的要求，并且讓優(yōu)化后的流水線周期盡量短。流水線的要求主要有以下幾點(diǎn)

程序所使用的寄存器數(shù)目不能超過３２個(gè)；

程序所使用的條件寄存器數(shù)目不能超過５個(gè)；

程序中不能含有分支語句，可能的話盡量使用條件指令；

一個(gè)寄存器中的變量值不能存放太長時(shí)間，實(shí)在不行就換個(gè)寄存器存放；

程序所使用的ＣＰＵ左右兩邊的資源盡量平衡，一般情況下，平衡的資源使用換來的是比較短的流水線周期；

程序中包含的指令不能太多。

對(duì)于用線性匯編語言編寫的程序，應(yīng)該在程序編寫時(shí)注意這些問題。對(duì)一個(gè)用Ｃ語言編寫的程序，可以通過觀察編譯系統(tǒng)產(chǎn)生的優(yōu)化后的匯編語言文件來獲得相關(guān)的信息。具體程序略。

３.２.２.４編碼

編碼部分主要是對(duì)量化后的ＤＣＴ系數(shù)進(jìn)行處理，主要利用了相鄰圖像塊之間的相關(guān)性、量化后的ＤＣＴ系數(shù)矩陣的連零特性和霍夫曼編碼應(yīng)進(jìn)行壓縮編碼。該部分主要涉及了查表、移位運(yùn)算和存儲(chǔ)器讀寫。ＤＣ差值／ＡＣ系數(shù)等級(jí)表如圖６所示。

ＤＣ系數(shù)的編碼流程圖如圖７所示。

ＡＣ系數(shù)的編碼流程圖如圖８所示。

其中，Ｚ