基于TMS320C5409的圖像壓縮系統

引言

隨著多媒體和網絡技術的發展，數字圖像大信息量的特點對圖像壓縮技術的要求越來越高，因此，專用高速數字信息處理技術成為發展的方向。其中，在硬件技術中，ti推出的c5000系列dsp將數字信號處理器的處理能力提升到了一個新的高度，使信號處理系統的研究重點又回到軟件算法上。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。

系統硬件設計

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組數據總線和4組地址總線建立的改進型哈佛結構，取址和讀數可同時進行。有獨立的硬件乘法器，有利于實現優化卷積、數字濾波、fft、矩陣運算等算法中的大量重復乘法運算。具有循環尋址、位倒序等特殊指令，這些指令使fft、卷積等運算中的尋址、排序及計算速度大大提高。有一組或多組獨立的dma總線，與cpu的程序、數據總線并行工作。

在本系統中，tms320c5409作為主處理器，任務是實現jpeg壓縮編碼。

通過分析不難得到，當處理一幀大小為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，這對于應用在對實時性要求不是很高的場合是完全可行的。

硬件設計框圖

圖1是基于tms320c5409的圖像處理系統結構圖。c5409為中央處理器，sram為dsp片外擴展數據存儲器，eeprom為脫機工作時的程序存儲器，用于存儲系統的引導程序和其它應用程序，a/d轉換部分負責把轉換為數字信號的圖像存入幀存儲器中。地址譯碼、圖像采集系統控制電路產生本系統各部分的地址譯碼信號，使之映射到不同的地址區域，并控制adc進行圖像采集，這部分由cpld控制；圖像采集芯片的寄存器控制由51單片機完成。

存儲空間的擴展方案

經過a/d轉換的原始圖像數據是非常大的，tms320c5409的內部僅有32kb的ram和16kb的rom，不能滿足需要，因此，必須擴展存儲器來存放原始圖像數據和應用程序。本文考慮外接64kb的ram和512kb的flash，ram使用cypress公司的cy7c1021v33，flash采用sst公司的sst39vf512。由于c5409的數據空間僅為64kb，因此采用內存頁擴展技術。c5409的擴展輸出口1q和2q作為擴展內存的頁選擇信號。用c5409的a15引腳和xf引腳通過3/8譯碼器來控制擴展存儲器片選信號的產生，當a15=0時，選擇片內ram；當a15=1，xf=0時選擇片外sram；當a15=1，xf=1時選擇片外flash；存儲器的擴展如圖2所示。將外部擴展ram的64kb中的48kb用于存放原始圖像數據，16kb用于存放壓縮后的圖像和程序以及暫存的數據。

dsp芯片電源電路設計

電源設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，外設功耗主要取決于正在工作的外設及其速度，與cpu相比，外設功耗是比較小的。以tms320c5409為例，進行fft運算時，需要的電源電流最大。因此在設計電源時，必須考慮在電源電流和實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制，工作電壓為3.3v和1.8v。其中，1.8v主要為dsp的內部邏輯提供電壓，包括cpu和其它所有外設邏輯。外部接口引腳采用3.3v電壓。本系統的電源采用了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算法的優化

盡管jpeg基本系統能夠對圖像進行低壓縮比壓縮，但是dct和idct在軟件實現的過程中，是最耗費時間的運算，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。采用快速dct算法可提高軟件的速度，增強軟件的實時性。同時，根據圖像本身的頻譜特性，自適應改進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的小塊后直接進行2d—dct變換，運算量將會十分巨大。因此，需要將8×8二維dct變換轉換成兩次8點的一維dct復合運算。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，再對該矩陣各行進行dct變換。可以看到，8×8矩陣的2維dct可以轉換成16次一維8點dct。

目前，很多針對一維dct運算的dct快速算法已經提出。其中，loeffler算法所需要的計算量最小。loeffler算法將8點一維dct運算分為4級，由于各級之間的輸入/輸出存在依存關系，4級操作必須串行進行，而各級內部的運算可并行處理。

流程圖中有三種運算因子：蝶形因子、旋轉因子和倍乘因子，分別如圖3中的a，b，c所示。蝶形因子的運算關系為：

d0=i0+i1

o1=i0-i1

需要2次加法完成，倍乘因子的輸入/輸出關系比較簡單：，只需1次乘法，旋轉因子的運算關系為：

需4次乘法、2次加法完成。如果對其輸入/輸出關系式做以下變換：

只需要3次乘法、3次加法。其中,和差都是已知系數，可通過查表獲得。

由此計算可知，一個8點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，一個代數運算應包括取操作數、運算、存操作數三個步驟。因此，該算法大約需要120條指令。c5409的運算能力很強，支持單周期加/減法和單周期乘法運算，并且能夠在單周期內完成兩個16位數的加/減法運算，再加上dsp中有3組數據總線，因而可以利用長操作數(32位)進行長字運算。在長字指令中，給出的地址存取的總是高16位操作數，因而只需5條長字指令即可計算2個蝶形運算。加上采取其它優化措施，大約需90條指令完成loeffler算法。

雖然loeffler算法運算量最小，但是運用于本文系統并不是最優。因為該算法是為高級語言設計，沒有利用匯編語言的特點和dsp硬件的特點。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完成一次乘法和一次累加運算。如匯編指令運用于dct運算，將大大簡化程序的復雜度并減少計算時間。具體算法如下，利用蝶形運算：

從上面表達式可以看出，y(0)-y(7)都是乘法累加運算，而s0-s7可由x(0)一x(7)經過蝶形運算得到，因此，dct算法由原來的4級運算變成兩級，即第一級蝶形運算和第二級乘法累加運算，第一級蝶形運算共要10+4=14(10次計算操作和4次輔助操作)條指令，第二級運算中，每個輸出要4+1+1=6條指令(做4次乘法累加運算、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dct要62條指令，大大縮減了運算時間，提高了cpu的工作效率，增強系統的實時性。

量化運算優化

本文提出了基于實際情況的自適應量化方法，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進行自適應處理；(2)構造新的量化表。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個交流系數平均值中的最大值，z1(u，v)=max[p1(u，v)]，最后將63個交流系數平均值進行歸一化處理，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，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，對圖像進行標準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準．jpeg解碼過程完全相同，可以看出它也是標準．ipeg編碼過程的逆過程。

實驗結果

快速dct運算

將本文提出的算法、loeffler的dsp優化算法和純loeffler算法分別進行測試。結果見表1，可以看到本文算法較loeffler的dsp優化算法大約節省了1/4的時間，較純loeffler算法大約節省了一半時間，其效果是十分明顯的。

自適應量化

對自適應量化器進行仿真。本文采用中等復雜度的標準圖像作為測試圖，與基本jpeg系統進行性能比較(基于峰值信噪比(psnr))。只將jpeg標準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，提高恢復圖像的質量。表2為不同壓縮比下，采用jpeg量化表和自適應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果可看出，自適應量化jpeg方法的壓縮比略高于標準jpeg方法。

結語

本文以ti的tms320c5409作為開發平臺，實現了一種新的jpeg圖像壓縮系統。該系統的優點是提高了jpeg的運行速度，增強了圖像的壓縮率和質量，并且易于硬件實現。這一方案可應用于需要對視頻圖像進行實時采集、壓縮及存儲的絕大部分場合。