基于Blackfin533的CCSDS圖像壓縮算法編碼優(yōu)化

摘要 通過程序結構的調整，編碼結構的優(yōu)化及代碼的匯編級優(yōu)化，完成編碼器的DSP高效實現(xiàn)。實驗結果表明，優(yōu)化后的編碼器降低了運算復雜度，提高了CCSDS圖像壓縮算法的實時性。
關鍵詞 CCSDS；Blackfin533；編碼器；優(yōu)化

空間數據咨詢會(CCSDS)于2005年11月提出的針對空間應用的CCSDS圖像壓縮算法，具有良好的圖像壓縮性能和抗誤碼能力，同時算法復雜度較低。但在具體硬件實現(xiàn)時，仍不能夠滿足實時高效的要求，因此，必須對該算法的硬件實現(xiàn)進行改進和優(yōu)化。文中針對這一問題，提出編碼優(yōu)化方案，提高算法的實時性。采用ADI公司的Blackfin533芯片以及Visual DSP++5．0仿真平臺，是實現(xiàn)CCSDS編碼器的有效途徑。

1 編碼優(yōu)化
文中采用CCSDS圖像壓縮算法編、解碼的C程序源代碼。通過以下幾個方面實現(xiàn)優(yōu)化：調整程序結構；編碼結構的優(yōu)化；代碼的匯編級優(yōu)化。
1．1 程序結構調整
選用的源代碼是符合CCSDS圖像壓縮算法標準流程的編、解碼器源代碼，代碼容量約為326 kB，對于實時圖像壓縮，其中含有大量的冗余代碼，而所用芯片的64 kB指令存儲器是遠遠滿足不了要求的，因此，要將CCSDS源代碼移植到DSP上，就必須調整程序結構，去掉冗余代碼，降低程序所占內存。
(1)刪除與編碼無關的代碼。(2)刪除冗余判斷。(3)刪除不必要的中間變量。(4)改寫編碼主函數。
經過以上優(yōu)化，代碼容量降低為56 kB，這樣，所選用的Blackfin533芯片的L1指令存儲器就足以容納，而無需利用高速Cache和DMA進行指令的傳輸，提高了編碼效率。
1．2 主要函數和數據的優(yōu)化
在以上優(yōu)化的基礎上，采用Blackfin533芯片對Lena圖像進行壓縮，壓縮比率為8：1，時間為3425 ms，遠達不到實時性的要求。因此，還需對編碼結構和算法進行改進，以提高編碼速度。
(1)編碼選項的選取。
在CCSDS圖像壓縮算法中有多種編碼供選取，增大了算法的靈活性，但也增加了算法硬件實現(xiàn)的復雜度，并且這些編碼選項在實現(xiàn)時存在大量判斷語句。一般情況下，判斷分支會打斷DSP指令運行的流水線，從而影響編碼運行時間。所以在進行DSP移植時應進行編碼選項。
1)編碼段大小S的選取：如圖l所示，S>64時，重建圖像的客觀質量增加趨于平緩，所以在實現(xiàn)時選擇S大小為64，這樣一個編碼段所需的編碼原數據存儲量為8kB，從而可以保證對編碼段的編碼過程在數據存儲器L1中完成，而無需Cache和DMA在各級存儲器之間轉移數據，提高了編碼效率。


2)DC系數編碼選項k的選取：標準中提供了最優(yōu)化和啟發(fā)式兩種k值選擇方式，文中選擇復雜度較低的啟發(fā)式選取方案。
(2)程序級優(yōu)化。
1)Blackfin533是16位定點DSP處理器，而在源代碼中使用的是浮點DWT，移植在定點DSP中運行需要大量時間。測試結果表明：對512× 512的圖像進行浮點DWI變換耗時3000 ms以上，影響了CCSDS圖像壓縮算法的編碼效率。因此在實現(xiàn)過程中，采用定點化的方法實現(xiàn)浮點DWT，并最終匯編化，使對圖像進行浮點DWT處理的時間降低到12 ms以下。
2)源代碼中有大量數組類型的指針變量，其緩沖區(qū)是通過malloc和calloc等函數進行動態(tài)分配的，這樣會占用大量的編碼時間和可能會導致內存泄露以及導致DMA數組傳輸錯誤等問題，所以在實現(xiàn)過程中，由于所需編碼的圖像信息是可以事先得知的，于是可用靜態(tài)數組來代替動態(tài)申請的數組，這樣不僅指定了分配的位置，便于DMA傳輸，還縮短了編碼時間。
3)編碼塊的數據格式選取：源代碼中是將一個編碼塊按照二維數組的格式進行存儲的，即8×8的格式。在實現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)，DC系數編碼及AC系數字的映射過程對二維數組的索引取值耗時很長，因此可以將編碼塊改成一維數組，即1×64的組織形式，這樣在實現(xiàn)過程中可以減少編碼時間。
4)用查表法代替大量的判斷分支：AC系數熵編碼函數RiceCoding中有大量的分支判斷語句，占據大量的編碼時間，用查表法替換這里的分支判斷語句，可以使函數的編碼時間減少80％以上。此外，CCSDS編碼器代碼中的大量分支判斷語句和RiceCoding函數一樣，也可用查表法實現(xiàn)。這正是以空間換時間的典型應用。