利用TMS320C6201芯片進(jìn)行圖像壓縮
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實(shí)現圖像實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)傳輸必須研制專(zhuān)門(mén)的圖像壓縮，該壓縮器須滿(mǎn)足如下要求：（１）圖像實(shí)時(shí)壓縮?鴉（２）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為核心的數字信號處理板作為圖像壓縮器的硬件平臺，通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的壓縮程序，實(shí)現了圖像的實(shí)時(shí)壓縮。
１ 數字信號處理板的硬件功能框圖 數字信號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)數字信號處理器。工作頻率為２００ＭＨｚ時(shí)，每個(gè)指令周期為５ｎｓ，運算速度可達１６００ＭＩＰＳ；具有ＶＬＩＷ(甚長(cháng)指令集)體系結構，每周期８個(gè)３２ｂｉｔ的指令并行執行；８個(gè)獨立的功能單元，有兩個(gè)１６ｂｉｔ乘法器和６個(gè)算術(shù)邏輯單元；采用加載存儲體系結構，數據在多處理單元之間的傳輸依靠３２個(gè)３２ｂｉｔ的通用寄存器。Ｃ６０００的存儲器尋址空間為３２ｂｉｔ,片內有１Ｍｂｉｔ的ＳＲＡＭ。片內ＲＡＭ被分為兩塊：一是內部程序／ｃａｃｈｅ存儲器，二是內部數據存儲器。３２ｂｉｔ外部存儲器接口（ＥＭＩＦ）可與不同存儲器接口，可方便地配置不同速度、不同容量、不同復雜程度的存儲器。此外，Ｃ６０００還有兩通道Ｂｏｏｔ－ｌｏａｄｉｎｇ ＤＭＡ處理器、１６ｂｉｔ的主機接口ＨＰＩ、兩個(gè)多通道緩沖串口（ＭｃＢＳＰ），并且其片內鎖相環(huán)（ＰＬＬ）時(shí)鐘發(fā)生器，可以對輸入時(shí)鐘進(jìn)行不同的倍頻處理。這種芯片用來(lái)處理圖像壓縮這種運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。圖3 圖像壓縮器的工作過(guò)程方框圖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(lèi)似，且大多數的掃描成象設備掃的是灰度圖像，所以?xún)H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%26;#215;８的圖塊，然后對每一圖像塊進(jìn)行ＦＤＣＴ變換，再將變換得到的ＤＣＴ系數使用量化表進(jìn)行量化。量化后可得到如下形式的數據： (x)是不為零的數據） x x x x 0 0 0 0 x x x 0 0 0 0 0 x x 0 0 0 0 0 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 該數據在存儲器中存放的順序如下： z[0] z[1] z[2] z[3] z[4] x[5] z[6] z[7] z[8] z[9] z[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] 在存儲器中，非零數據和零數據交替存放，不便于壓縮，所以要對數據進(jìn)行重排列，數據的重排列形式如下： z[0] z[1] z[5] z[6] z[14] z[15] z[27] z[28] z[2] z[4] z[7] z[13] z[16] z[26] z[29] z[42] z[3] z[8] z[12] z[17] z[25] z[30] z[41] z[43] z[9] z[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] 變換完成后再根據編碼表對ＤＣ系數和ＡＣ系數分別進(jìn)行編碼，就完成了圖像的壓縮。圖4 量化表３ 利用ＤＳＰ芯片進(jìn)行圖像壓縮 ３．１ 圖像壓縮器的工作過(guò)程 圖像壓縮器工作過(guò)程方框圖如圖３所示。 圖像數據通過(guò)Ｉ／Ｏ接口送入數字信號處理板，由ＤＳＰ芯片中的ＤＭＡ控制器負責將數據放入輸入緩沖區中，ＤＳＰ對緩沖的圖像數據進(jìn)行壓縮后，通過(guò)ＨＰＩ接口將壓縮數據送出。 ３．２ 編程介紹 這里主要介紹壓縮參數初始化和壓縮程序。 ３．２．１ 壓縮參數初始化 由圖２所示的圖像壓縮算法可知，圖像壓縮過(guò)程中需要量化表和編碼表，量化表如圖４（ａ）所示。
量化操作就是把８%26;#215;８圖塊進(jìn)行ＦＤＣＴ變換，將變換后的的ＤＣＴ系數用量化表元素來(lái)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行速度，應該將除法運算轉化為乘法運算和移位運算，對上面的量化表元素逐個(gè)求倒數并用１６進(jìn)制表示，如圖４（ｂ）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８ｘ８圖塊的ＤＣＴ系數產(chǎn)生中間碼字，再由中間碼字查編碼表，將中間碼字轉換為霍夫曼碼，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（ｂ）所示的量化表元素代入來(lái)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(lái)得到。由于在壓縮過(guò)程中要頻繁地查找編碼表，因此，編碼表的組織形式對程序的執行效率影響很大。 ３．２．２ 壓縮程序 圖像壓縮包括ＦＤＣＴ變換、標量量化、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變換公式如下： 
式中，Cu,Cv= 
具體壓縮的時(shí)候要采用ＤＣＴ變換的快速算法來(lái)加快程序的運行速度，將二維的ＤＣＴ變換分解為兩個(gè)一維的ＤＣＴ變換，可以有效地降低計算量。ＣＣＳ２．０(Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ)中提供了一個(gè)成熟的Ｃ語(yǔ)言函數庫，里面包含了進(jìn)行ＦＤＣＴ變換的函數。函數原型如下： ｖｏｉｄ ｆｄｃｔ＿８%26;#215;８(ｓｈｏｒｔ *ｄｃｔ＿ｄａｔａ, ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｎｕｍ＿ｆｄｃｔｓ)； 函數中ｄｃｔ＿ｄａｔａ指針指向待變換的圖像數據，
ｎｕｍ＿ｆｄｃｔｓ是進(jìn)行ＤＣＴ變換的圖像塊的數目。該函數可以對一大塊連續存放的圖像塊進(jìn)行ＤＣＴ變換，特別針對ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１ ＤＳＰ芯片的特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化?？紤]到存儲器的等待時(shí)間和指令的并行等問(wèn)題，執行效率非常高，具體的程序開(kāi)銷(xiāo)可以通過(guò)如下公式計算： 時(shí)鐘周期數＝４８＋１６０*ｎｕｍ＿ｆｄｃｔｓ; 要在自己的工程中使用這個(gè)函數，必須把ｉｍｇ６２ｘ．ｌｉｂ函數庫添加到工程中，并且在主程序文件中包含ｆｄｃｔ＿８%26;#215;８．ｈ頭文件。 ３．２．２．２ 標量量化 所謂標量量化就是對８%26;#215;８圖像塊的ＤＣＴ變換系數使用量化表逐個(gè)相除并四舍五入。ＣＣＳ２．０提供了一個(gè)量化函數，其原型如下： ｖｏｉｄ ｑｕａｎｔｉｚｅ ( ｓｈｏｒｔ *ｄａｔａ, ／* Ｄａｔａ ｔｏ ｂｅ ｑｕａｎｔｉｚｅｄ． *／ ｉｎｔ ｎｕｍ＿ｂｌｋｓ, ／*Ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ６４－ｅｌｅｍｅｎｔ ｂｌｏｃｋｓ．?*／ ｉｎｔ ｂｌｋ＿ｓｉｚｅ, ／*Ｂｌｏｃｋ ｓｉｚｅ (ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｏｆ ８)． *／ ｃｏｎｓｔ ｓｈｏｒｔ *ｒｅｃｉｐ＿ｔｂｌ, ／*Ｑｕａｎｔ． ｖａｌｕｅｓ (ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｓ)． *／ ｉｎｔ ｑ＿ｐｔ ／*Ｑ－ｐｏｉｎｔ ｏｆ Ｑｕａｎｔ ｖａｌｕｅｓ．*／ ); 將圖４（ｂ）所示的量化表元素代入程序，ｂｌｋ＿ｓｉｚｅ為６４，ｑ＿ｐｔ為１６，ｄａｔａ指向量化數據，即可進(jìn)行快速的量化。該程序同樣經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，具體的程序開(kāi)銷(xiāo)可按如下公式計算： 時(shí)鐘周期數＝ ２５＋(ｂｌｋ＿ｓｉｚｅ／１６)*４＋ｎｕｍ＿ｂｌｋｓ*１２) 該函數同樣包含在ｉｍｇ６２ｘ．ｌｉｂ庫中，
程序中應包含ｑｕａｎｔｉｚｅ．ｈ頭文件。 ３．２．２．３ ＺｉｇＺａｇ掃描 ＺｉｇＺａｇ掃描就是對數據進(jìn)行重排列。該部分功能簡(jiǎn)單、運算量也不大，但是對存儲器的訪(fǎng)問(wèn)非常頻繁，而且影響處理器執行速度的主要是對存儲器的訪(fǎng)問(wèn)速度。一般情況下，ＣＰＵ訪(fǎng)問(wèn)內部存儲器需要４個(gè)時(shí)鐘周期，訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器的速度要比內部存儲器的速度慢得多，具體情況應根據實(shí)際使用的外部存儲器的類(lèi)型而定。由于ＴＭＳ３２０６２０１ ＤＳＰ芯片每秒鐘最多可以執行８條指令，如果讓?zhuān)模樱行酒?jīng)常處于等待狀態(tài)是非常大的浪費。解決該問(wèn)題的最有效的辦法是充分利用數據總線(xiàn)的寬度并讓軟件進(jìn)行流水線(xiàn)執行。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的數據總線(xiàn)寬度是３２位，一般情況下ＤＣＴ系數使用一個(gè)短整型數，只有１６位寬度，如果每次同時(shí)從存儲器中讀寫(xiě)兩個(gè)數，則可以減少一半訪(fǎng)問(wèn)存儲器的次數。由于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１有８個(gè)功能單元，ＣＰＵ可以在處理當前數據的同時(shí)去存儲器取下一個(gè)數據。通過(guò)流水線(xiàn)，ＣＰＵ可以做到每周期訪(fǎng)問(wèn)一次存儲器，這樣可以使程序的執行效率大大提高。一般情況下軟件的流水線(xiàn)安排是由編譯優(yōu)化系統完成的，程序員所要做的是讓自己的程序符合流水線(xiàn)執行的要求，并且讓優(yōu)化后的流水線(xiàn)周期盡量短。流水線(xiàn)的要求主要有以下幾點(diǎn)： （１）程序所使用的寄存器數目不能超過(guò)３２個(gè)； （２）程序所使用的條件寄存器數目不能超過(guò)５個(gè)； （３）程序中不能含有分支語(yǔ)句，可能的話(huà)盡量使用條件指令； （４）一個(gè)寄存器中的變量值不能存放太長(cháng)時(shí)間，實(shí)在不行就換個(gè)寄存器存放； （５）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(lái)的是比較短的流水線(xiàn)周期； （６）程序中包含的指令不能太多。 對于用線(xiàn)性匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，應該在程序編寫(xiě)時(shí)注意這些問(wèn)題。對一個(gè)用Ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，可以通過(guò)觀(guān)察編譯系統產(chǎn)生的優(yōu)化后的匯編語(yǔ)言文件來(lái)獲得相關(guān)的信息。具體程序略。 ３.２.２.４ 編碼 編碼部分主要是對量化后的ＤＣＴ系數進(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系數矩陣的連零特性和霍夫曼編碼應進(jìn)行壓縮編碼。該部分主要涉及了查表、移位運算和存儲器讀寫(xiě)。ＤＣ差值／ＡＣ系數等級表如圖６所示。
ＤＣ系數的編碼流程圖如圖７所示。 ＡＣ系數的編碼流程圖如圖８所示。 其中，ＺＺ（Ｋ）編碼是對不為零的ＡＣ ＤＣＴ系數進(jìn)行編碼，編碼方法可參考ＤＣ差值編碼。 由于在ＡＣ編碼過(guò)程當中分支語(yǔ)句比較多，為了程序的流水線(xiàn)執行，同時(shí)為了指令的并行性，大量地使用了條件指令。但是應該注意，在ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１中只有Ａ１、Ａ２、Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２五個(gè)條件寄存器，不可能滿(mǎn)足所有的需要，因此一定要盡量簡(jiǎn)化程序。在實(shí)際使用中，使用該壓縮器壓縮一幅５１２%26;#215;５１２的灰度圖像需要的時(shí)間不到５５ｍｓ，配合適當的數據接口可滿(mǎn)足對數據率為３２Ｍｂｉｔ／ｓ的掃描圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮。
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