基于TMS320C5409 圖像壓縮系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1、DSP課程結(jié)課論文基于TMS320C28335 信號檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)學(xué) 號：2014282120167姓 名：熊正強(qiáng)專 業(yè)：電子與通信工程指導(dǎo)老師：譚瑩2014年12月基于TMS320C5409 圖像壓縮系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)摘要：該文基于DSP芯片的特點(diǎn)和JPEG圖像壓縮的原理，重點(diǎn)描述了一個(gè)基于TMS320VC5409 DSP芯片的圖像壓縮系統(tǒng)。其中對傳統(tǒng)的JPEG算法的DCT變換和量化過程作了一些改進(jìn)，使本系統(tǒng)壓縮速度更快，在壓縮率相同的情況下圖像的質(zhì)量更高。關(guān)鍵詞：DSP；圖像壓縮；JPEG算法；快速DCT變換1引言隨著多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字圖像大信息量的特點(diǎn)使得圖像壓縮技術(shù)的要求也越來

2、越高，因此，專用高速數(shù)字信息的處理技術(shù)成為發(fā)展的方向。其中，在硬件技術(shù)中，TI推出的C5000系列DSP將數(shù)字信號處理器的處理能力提高到了一個(gè)新的境界，使信號處理系統(tǒng)的研究重點(diǎn)又回到軟件算法上。在壓縮算法研究上，DCT，小波等多個(gè)算法因?yàn)槠涓呖煽啃院透咝砸苍絹碓绞艿角嗖A。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 TMS320C549作為主處理器可行性分析TMS320C5409是TI公司生產(chǎn)的新一代定點(diǎn)DSP芯片，時(shí)鐘頻率100MHz，性價(jià)比極高。采用圍繞1組程序總線、3組數(shù)據(jù)總線和4組地址總線建立的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，取址和讀數(shù)可同時(shí)進(jìn)行。有獨(dú)立的硬件乘法器，有利于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化卷積、數(shù)字濾波、FFT，矩陣運(yùn)算等算法中的

3、大量重復(fù)乘法運(yùn)算。具有循環(huán)尋址、位倒序等特殊指令，這些指令使FFT、卷積等運(yùn)算中的尋址、排序及計(jì)算速度大大提高。有一組或多組獨(dú)立的DMA總線，與CPU的程序、數(shù)據(jù)總線并行工作。還有獨(dú)特的乘法指令和方便的立即數(shù)尋址方式。在本系統(tǒng)中，TMS320C5409作為主處理器，任務(wù)是實(shí)現(xiàn)JPEG壓縮編碼。文獻(xiàn)4指出，以運(yùn)算速度為100MHz的TMS320C5409作為主處理器，并以8X8的數(shù)據(jù)塊作JPEG壓縮編碼時(shí)，所需要的機(jī)器周期為62Cycles，內(nèi)存空間為6.3KB。如表2-1所示通過分析不難得到，當(dāng)處理一幀大小為640*480的圖像時(shí)，作JPEG壓縮編碼所需要的時(shí)間為：T=62*10(ns)*64

4、0*480=0.9866s當(dāng)所處理的圖像分辨率更小時(shí)，則壓縮每幀所花的時(shí)間則更少，這對于應(yīng)用在對實(shí)時(shí)性要求不是很高的場合是完全可行的。表 2-1 TMS320C54X性能和內(nèi)存需要 TMS320C54x PerformanceTaskCycle/PixelPreprocessing22Interpolation410thers274：1：1Decimation JPEG &encoding62Total152TMS320C54x Memory requirementMemoryK byteProgram1.7Data4.62.2硬件設(shè)計(jì)框圖圖21是基于TMS320C5409的圖像處理系

5、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。5409為中央處理器；SRAM為DSP片外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器；EPROM為脫機(jī)工作時(shí)的程序存儲器，用于存儲系統(tǒng)的引導(dǎo)程序和其他應(yīng)用程序；A/D部分負(fù)責(zé)把轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的圖像存入幀存儲器中地址譯碼、圖像采集系統(tǒng)控制電路產(chǎn)生本系統(tǒng)各部分的地址譯碼信號，使之映射到不同的地址區(qū)域，并控制圖像A/D芯片進(jìn)行圖像采集，這部分由CPLD實(shí)現(xiàn)控制；圖像采集芯片的寄存器控制由51單片機(jī)完成。2.3存儲空間的擴(kuò)展方案經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的原始圖像數(shù)據(jù)是非常大的，TMS320C5409的內(nèi)部僅有32KW的隨機(jī)存儲器和16KW的只讀存儲器不能滿足需要，因此必須擴(kuò)展存儲器來存放原始圖像數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序。我們考慮外接64K

6、W的RAM和512KB的FLASH，RAM使用CYPRESS公司的CY7C1021V33，F(xiàn)LASH采用SST公司的SST39VF512。由于C5409的數(shù)據(jù)空間僅為64KW，因此采用內(nèi)存頁擴(kuò)展技術(shù)。C5409的擴(kuò)展輸出口1Q和2Q作為擴(kuò)展內(nèi)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(kuò)展存儲器片選信號的產(chǎn)生，當(dāng)A15=1。時(shí)選擇片內(nèi)RAM；當(dāng)A15=1，XF=o時(shí)選擇片外SRAM；當(dāng)A15=1，XF=l時(shí)選擇片外FLASH；存儲器的擴(kuò)展如圖22所示。我們將外部擴(kuò)展RAM的64KW中的48KW用于存放原始圖像數(shù)據(jù)，16KW用于存放壓縮后的圖像和程序以及暫存的數(shù)據(jù)。圖

7、 2-1 圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖 2-2 存儲器擴(kuò)展示意圖2.4 DSP芯片電源電路設(shè)計(jì)電源設(shè)計(jì)中需要考慮的主要問題是功率和散熱問題。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(shè)功耗主要取決于正在工作的外設(shè)及其速度，與CPU相比，外設(shè)功耗是比較小的。以TMS320C5409為例，其進(jìn)行FFT運(yùn)算時(shí)，需要的電源電流最大。因此在設(shè)計(jì)電源時(shí)，必須考慮在電源電流和實(shí)際需用電流之間留有一定裕量，因?yàn)榉逯惦娏鲿螅Ａ恐辽偈?0。C5409采用了雙電源供電機(jī)制，其工作電壓為3.3V和1.8V。其中，1.8V主要為DSP的內(nèi)部邏輯提供電壓，包括CPU和其它所有的外設(shè)邏輯。外部接口引腳

8、采用3.3V電壓。本系統(tǒng)中電源采用了TI公司的兩路輸出電源芯片TPS73HD318，它是一種雙輸出穩(wěn)壓器。輸出電壓一路3.3V、一路1.8V，每路電源的最大輸出電流為750mA。3 JPEG圖像壓縮算法3.1 JPEG圖像壓縮圖 3-1 JPEG圖像壓縮框圖傳統(tǒng)的JPEG圖像壓縮算法過程為(1)離散余弦變換(DCT)(2)量化(3)行程編碼和烯編碼(如圖3-1)。其中二維DCT變換公式為：當(dāng)u，v=0，CU，CV= 否則CU，CV =1 (3-1)量化主要通過原始數(shù)據(jù)除以量化表得到。量化表值可以根據(jù)需要自定，其值規(guī)定了其所對應(yīng)DCT系數(shù)的量化步長。編碼根據(jù)直流和交流數(shù)據(jù)分別采取不同的編碼方式。

9、對DC系數(shù)，采用DCPM編碼，前子塊的DC系數(shù)被用來預(yù)測當(dāng)前子塊的DC系數(shù)進(jìn)行差值無失真編碼。對于AC系數(shù)，先按照Zig-Zag序列掃描，再進(jìn)行游程編碼。最后將所有碼值進(jìn)行熵編碼，由此形成JPEG圖像格式。3.2 JPEG算法的優(yōu)化盡管JPEG基本系統(tǒng)能夠?qū)D像進(jìn)行低壓縮比壓縮，但是DCT和IDCT在軟件實(shí)現(xiàn)的過程中，是最耗費(fèi)時(shí)問的運(yùn)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(yōu)。采用快速DCT算法可提高軟件的速度，增強(qiáng)軟件的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，根據(jù)圖像本身的頻譜特性，自適應(yīng)改進(jìn)JPEG推薦的量化表。3.2.1快速DCT算法如果將一幅圖像分成許多8*8的小塊后直

10、接進(jìn)行2D-DCT變換，運(yùn)算量將會十分巨大。因此需要將8*8二維DCT變換轉(zhuǎn)換成為兩次8點(diǎn)的一維DCT的復(fù)合運(yùn)算。具體做法是對每一個(gè)8*8塊，先做列方向上的DCT，得到一個(gè)中問矩陣，再對該矩陣各行進(jìn)行DCT?？梢钥吹剑?*8矩陣的2維DCT可以轉(zhuǎn)換成16次一維8點(diǎn)DCT。目前，針對一維DCT運(yùn)算，很多不同的DCT快速算法已經(jīng)提出。其中LoeffIer算法6需要的計(jì)算量最小。圖3-2給出了Loeffler算法的流程圖。Loeffler算法將8點(diǎn)的一維DCT運(yùn)算分為4級運(yùn)算，由于各級之間的輸入輸出的依存關(guān)系，4級操作必須串行進(jìn)行，而各級內(nèi)部的運(yùn)算可并行處理。圖3-3 三種運(yùn)算因子流程圖中有三種運(yùn)算

11、因子：蝶形因子、旋轉(zhuǎn)因子和倍乘因子，分別如圖3-3中的a，b，c所示。蝶形因子的運(yùn)算關(guān)系為：O0=I0+I1O1=I0-I1需要2次加法完成；倍乘因子的輸入輸出關(guān)系比較簡單：，只需1次乘法；旋轉(zhuǎn)因子的運(yùn)算關(guān)系為：需4次乘法2次加法完成。如果對其輸入輸出關(guān)系式做以下變換：只需要3次乘法3次加法。其中 和以及它們的和差都是已知系數(shù)，通過查表獲得。由此計(jì)算，可知，一個(gè)8點(diǎn)DCT的Loeffner算法共需要11次乘法29次加法。從DSP匯編語言編程的角度來看，一個(gè)代數(shù)運(yùn)算應(yīng)包括取操作數(shù)、運(yùn)算、存操作數(shù)三個(gè)步驟。因此，該算法大約需要120條指令。C5409的運(yùn)算能力很強(qiáng)，支持單周期加/減法和單周期乘法運(yùn)

12、算，并且能夠在單周期完成兩個(gè)16位數(shù)的加/減法運(yùn)算，再加上DSP中有3組數(shù)據(jù)總線，因而可以利用長操作數(shù)(32位)進(jìn)行長字運(yùn)算。在長字指令中，給出的地址存取的總是高16位操作數(shù)，因而只需5條長字指令即可計(jì)算2個(gè)蝶形運(yùn)算。加上采取其它的一些優(yōu)化措施，大約90條指令完成Loeffler算法。雖然Loeffler算法運(yùn)算量最小，但是運(yùn)用于本文系統(tǒng)并不是最優(yōu)。因?yàn)樵撍惴ㄊ菫楦呒壵Z言設(shè)計(jì)，沒有利用匯編語言的特點(diǎn)和DSP硬件的特點(diǎn)。本文提出了基于DSP乘法累加單元的D(、T快速算法。DSP的乘法累加單元能在單周期內(nèi)完成一次乘法和一次累加運(yùn)算。如匯編指令(表31所示)運(yùn)用于DCT運(yùn)算，將大大簡化程序的復(fù)雜度并

13、減少計(jì)算的時(shí)間。表 3-1 C5409雙操作數(shù)乘法累加指令指令表達(dá)式字?jǐn)?shù)周期MAC Xmen，Ymen，Src，dstDst=Src+Xmen*YmenT=Xmen11MACRXmen，Ymen，Src，dstDstRnd(Src+Xmen*Ymen),T=Xmen11具體算法如下：利用蝶形運(yùn)算：S0=X(0)+X(7) ; S7=x(0)-x(7)S1=X(1)+X(6) ; S6=x(1)-x(6)S2=X(Z)+X(5) ; S5=x(2)-x(5)S3=X(3)+X(4) ; S4=x(3)-x(4)展開一維DCT公式： 當(dāng)K0 （3-2）經(jīng)過化簡合并后結(jié)果如下：y(0)=aS0+aS

14、l+aS2+aS3y(2)=fS0+gSl-gS2-fS3y(4)=aS0-aSl-aS2+aS3y(6)=gS0-fS1+fS2-fS3y(1)=eS4+dS5+cS6+bS7y(3)=-dS4-bS5-eS6+cS7y(5) =cS4+eS5-bS6+dS7y(7) =-bS4+cS5-dS6+eS7其中：從上面表達(dá)式可以看出，y(o)-y(7)都是乘法累加運(yùn)算，而So-7可由x(O)x(7)經(jīng)過蝶形運(yùn)算得到，因此DCT算法由原來的四級運(yùn)算變成兩級，即第一級蝶形運(yùn)算和第二級乘法累加運(yùn)算，第一級蝶形運(yùn)算共要10+414(10次計(jì)算操作和4次輔助操作)條指令第二級運(yùn)算每個(gè)輸出要4+1+1=6條

15、指令(做4次乘法累加運(yùn)算、1次讀取操作和1次存儲操作)，一共48條指令，這樣計(jì)算一個(gè)8點(diǎn)DCT要62條指令。這樣大大縮減了運(yùn)算的時(shí)間，提高了CPU的工作效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。3.2.2量化運(yùn)算優(yōu)化在JPEG圖像壓縮技術(shù)中，傳統(tǒng)量化的核心是量化表。所謂標(biāo)量量化就是對8*8圖像塊的DCT變換系數(shù)使用量化表組逐個(gè)相除并四舍五入。JPEG推薦了色度與亮度兩個(gè)最化表，它按照自然圖像進(jìn)行高頻與低頻部分壓縮量的比率分配。但是如果圖像信號頻率分布不均，如高頻分量很多或低頻分量很多，這個(gè)量化表就不是最優(yōu)的了。因此如果按照圖像高頻低頻的具體情形對量化表調(diào)整，就可以在質(zhì)量相同的情況下獲得更高的壓縮率，或者在壓縮率

16、相同的情況下獲得更高的圖像質(zhì)量。本文提出的根據(jù)事實(shí)情況自適應(yīng)量化方法，即量化階段采用二次計(jì)算的方法，其算法過程主要為兩步：(1)對變換后的圖像系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)處理。(2)構(gòu)造新的量化表。具體方法如下：首先求出亮度分量和兩個(gè)色度分量在頻率域中所有8*8子塊的63個(gè)交流系數(shù)絕對值的平均值P(u，v)，其中u，v=o7為位置信息。接下來求出63個(gè)交流系數(shù)平均值中的最大值，Z1(u，v)=MAXP1(u，v)，最后將63個(gè)交流系數(shù)平均值進(jìn)行歸一化處理，同時(shí)加入頻率位置信息，分別得出亮度和色度量化表中63個(gè)交流分量的矯正系數(shù)，計(jì)算過程如式： (3-3)由此可以得到量化表的矯正式Qp1(u，v)=Q1(u，

17、v)/X1(u，v)對JPEG量化表進(jìn)行矯正，作為最終的量化表進(jìn)行量化。將上述矯正后的量化表作為最終的量化表，對圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)JPEG解碼過程完全相同，可以看出它也是標(biāo)準(zhǔn)JPEG編碼過程的逆過程。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.1快速DCT運(yùn)算表 4-1三種算法比較Loeffler算法Loeffler算法 用于DSP本文算法單周期指令條數(shù)1208862測試時(shí)間1243ns885ns628ns將本文提出的算法，Loeffler的DSP優(yōu)化算法和純Loeffler算法分別進(jìn)行測試。結(jié)果如表4-1，我們可以看到本文算法較Loeffler的DSP優(yōu)化算

18、法大約節(jié)省了1/4的時(shí)間，較純Loeffler算法大約節(jié)省了一半的時(shí)間，其效果是十分明顯的。(5409時(shí)鐘頻率100M)4.2自適應(yīng)量化表 4-2 同壓縮比下峰值信噪比的比較Standard JPEG MethodCompression rate PSNR/dBAdaptive quantization JPEGCompression rate PSNR/dB3.41934.925 6073.42235.411 5814.38934.968 2484.48333.417 5255.02731.913 2885.19032.361 5028.32128.730 9768.44629.916 54

19、816.02221.996 01216.30923.425 712就自適應(yīng)量化器進(jìn)行了微機(jī)仿真。本文采用中等復(fù)雜度的標(biāo)準(zhǔn)圖像作為測試圖，與基本JPEG系統(tǒng)進(jìn)行性能比較。(基于峰值信噪比(PSNR)。只將JPEG標(biāo)準(zhǔn)方法中的量化表更改為322修正的量化表，就可以在同等壓縮比下，提高恢復(fù)圖像的質(zhì)量。表42為不同壓縮比下，采用JPEG量化表和自適應(yīng)量化表兩種方法的峰值信噪比的比較。從壓縮比和峰值信噪比的對比結(jié)果可看出，自適應(yīng)量化JPEG方法在壓縮比略高于標(biāo)準(zhǔn)JPEG方法。5結(jié)論本文以TI的TMS320VC5409作為開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)了一種新的JPEG圖像壓縮系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是提高了JPEG的運(yùn)行速度，增強(qiáng)了圖像的壓縮率和質(zhì)量，并且易于硬件實(shí)現(xiàn)。這一實(shí)現(xiàn)方案可應(yīng)用于需要對視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、壓縮及存儲的絕大部分場