基于Blackfin561的JPEG2000壓縮算法實現及優化

　O 引言

　　JPEG2000數字圖像壓縮標準是國際標準組織(ISO)和國際電信聯盟(ITU)聯合制定的新一代靜止圖像壓縮標準。與以往的壓縮標準相比，JPEG2000標準具有很多優點。它不僅僅在圖像編碼過程中能保證良好的圖像質量，而且還具有現代圖像壓縮所要求的新性能，如同時支持有損壓縮和無損壓縮兩種模式、保證在圖像傳輸過程中的容錯性、支持感興趣區域編碼等。但是，由于新技術的引入，JPEG2000的算法復雜度也相應提高，在實際應用中，JPEG2000并不如想象中的那么應用廣泛。而DSP由于其豐富靈活的指令集、特殊的內部結構、超強的數據吞吐能力及運算速度，使得以DSP處理器為核心的方法成為實現JPEG2000算法的一種有效途徑。

　　1 JPEG2000系統的組成原理

　　JPEG2000相對于JPEG的最大改進就是以離散小波變換(DWT)代替了DCT編碼。JPEG2000的編解碼流程如圖1所示。本系統首先對源圖像數據進行離散小波變換，然后對變換后的小波系數進行量化，接著對量化后的數據熵編碼，最后形成輸出碼流。解碼器是編碼器的逆過程，解碼時，首先對碼流進行熵解碼，然后解量化和小波反變換，最后生成重建圖像數據。

　　通過預處理可為不同類型的圖像提供一個統一的接口，以便于后續使用同樣的編碼器進行處理，這一步驟是將多種類型的圖像壓縮加入到統一框架中的關鍵。它主要包括三個步驟：圖像分片、直流平移和分量變換。

　　小波的多分辨率分析特性使之既可高效地描述圖像的平坦區域，又可有效地表示圖像信號的局部突變(即圖像的邊緣輪廓部分)，它在空域和頻域都有良好的局部性，因而能夠聚焦到圖像的任意細節。

　　優化截斷嵌入塊編碼(The Embedded BlockCoding with Optimized Truncation，簡稱EBCOT)是JPEG2000標準的核心，它不僅能對圖像進行有效壓縮，同時，其產生的碼流還具有分辨率可伸縮性、信噪比可伸縮性、隨機訪問和處理等非常好的特性。EBCOT分Tierl和Tier2兩部分，EBCOT可將子帶分成互不重疊的編碼塊，每個編碼塊的比特層編碼稱為Tierl；然后對所有編碼塊的編碼流進行優化截斷排序和打包等處理，以使其成為Tier2。

　　2 Blackfin56l處理器

　　Blackfin處理器是一類專為滿足當今嵌入式音頻、視頻和通信應用的計算要求和功耗約束條件而設計的新型32位DSP。Blackfin處理器主要基于ADI和Intel公司聯合開發的微信號架構(MSA)，它將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在了一起。Blackfin561是Blackfin處理器系列中的新型對稱雙核處理器成員，可在相同的頻率條件下實現性能的翻番。該器件具有以下特點：

　　(1)高性能的處理器內核

　　Blackfin處理器架構基于一個10級RISCMCU／DSP流水線和一個專為實現最佳代碼密度而設計的混合16／32位指令集架構。Blackfin561具有兩個內核頻率可達600MHz的處理器，可提供高效RISC MCU控制任務執行能力。

　　(2)高帶寬DMA能力

　　Blackfin561具有多個獨立的DMA控制器，這些控制器可支持自動數據傳輸，而且所需的處理器內核開銷極少。DMA傳輸可出現于內部存儲器和諸多具有DMA功能的外設之間。傳輸也有可能出現于外設和與外部存儲器接口相連的外部器件之間，包括SDRAM控制器和異步存儲器控制器。

　　(3)專用視頻指令

　　除了具有對8位數據以及許多像素處理算法所常用的字長的固有支持之外，Blackfin處理器架構還包括專為增強視頻處理應用而定義的指令。

　　(4)高效控制處理

　　Blackfin561提供有各種各樣的微控制器型外設，包括UARTS、SPI、PPI控制器、支持PWM的定時器、看門狗定時器、實時時鐘和一個無縫同步和異步存儲器控制器。因而為設計師提供了巨大的設計靈活性，并最大限度地降低了終端系統成本。

　　(5)分層的存儲器架構

　　Blackfin561支持改進的哈佛結構，該結構是具有分級的存儲器結構的組合。BF56l器件的地址總線寬度為32位，可以訪問4G字節的地址空間。Blackfin處理器的存儲器架構在器件實現中可提供Level l(L1)和Level 2(L2)存儲模塊，并可以通過EBIU外接L3處理器(SDRAM、Flash等)。

　　3 系統設計

　　本系統主要實現數字圖像的采集和壓縮處理。它有效利用了Blackfin561的專用視頻接口PPI和其它豐富的接口資源，具有設計簡單、便于軟件編程的特點。圖2所示其系統工作流程及連接框圖。

　　由圖2可見，本系統首先由CCD攝像頭來采集圖像，輸入的模擬信號經ADV7183視頻編碼芯片轉換成ITU一656格式的數字視頻流，該視頻流通過BF561的PPI傳輸到SDRAM。然后由DSP從SDRAM讀入圖像，并執行JPEG2000編碼操作，最后將壓縮視頻流輸入到輸出模塊進行傳輸。輸出模塊由USB控制芯片ISPl362組成，可以實現系統和PC機的互連。FLASH用來存放加載文件LDR。

　　4 JPEG2000算法移植

　　如果用戶導入的Blackfin處理器的C代碼能夠兼容ANSI C語言，那么，就能直接在Blackfin上進行構建并執行這個“現成的”代碼程序。但是結合嵌入式應用環境，移植時還需注意以下幾點：

　　首先要注意不同的平臺對數據類型的長度定義可能是不一樣的。在程序移植中可以對數據類型使用typedef宏進行定義，如“typedef intINT32；”這樣便于移植時更改。

　　其次，因為嵌入式系統中的存儲空間有限，而且是分級的，且不同級別的處理器大小和運算速度均不同。因此，在定義變量時需要考慮其存放地址。通過section(“存儲器段名”)語句可以將變量和代碼放入指定地址。其中“存儲器段名”可在ldf件中設置。

　　第三為了程序調用方便，PC平臺下的C程序會經常使用大量的動態內存分配(如calloc、realloc、new等)。考慮到嵌入式系統的特點，即需要不停的循環處理，因此，應該用靜態數組代替動態內存分配。這樣不僅可以避免動態內存分配造成的內存碎片問題，同時存儲結構也更加清楚明了。

　　此外，由于源程序中有許多文件操作，而嵌入式系統并不直接支持文件操作，所以應予以剔除，用讀寫數組的方式來替代。

　　最后應注意Visual DSP++兼容的C語言庫函數。由于它不能識別等庫文件名稱，而calloc、malloc等動態內存分配函數均包含在中。所以，若要使用malloc，只需在程序中包入即可。注意以上幾點，C語言源程序就可以在VisualDSP++下運行，從而實現其功能了。

　　5 程序優化

　　由于移植后的算法只是簡單的實現了圖像編碼功能，而遠不能保證其實時性，因而需要對其進行優化。優化主要涉及浮點轉定點運算、代碼優化和存儲器優化。

　　5．1 浮點運算轉定點運算

　　Blackfin處理器是一款定點處理器。該處理器本身并不支持float、double等浮點數據類型，而只能通過仿真實現，所以，用Blackfln直接進行浮點運算是很費時的。因而應將小波變換及其它涉及浮點運算的模塊全部定點化。

　　可以將浮點系數乘以一個尺度因子，使其變換成整數。然后在運算過程中再除以尺度因子，這樣就避免了浮點操作。同時，Blackfin處理器是針對小數形式進行優化設計的，它提供了大量的運算指令，可以快速的執行定點和小數運算。若用匯編編寫，則可以充分發揮處理器的性能，優化幅度更大。下面給出小波變換定點化的一段程序：

　　5．2 代碼優化

　　設計時可以結合具體的硬件環境對代碼本身做出大量優化，以使得編譯器能夠充分的使用硬件循環、軟件流水化、矢量化等技術。但是，也應注意一下幾個方面：

　　首先，因為循環是程序中時間消耗最大的部分，所以要把主要精力集中在循環程序的設計上。應盡量使用短循環；避免循環執行的依賴性；確保內部循環次數比外部的多；在循環中應避免條件代碼，否則會出現大量控制流延遲；在循環體中不要放函數調用語句，這樣會妨礙編譯器用硬件循環結構。

　　其次，定點處理器本身不直接支持除法操作，所以，應該盡量避免除法。如“if(X／Y>A／B)”可以寫成“if(X*B>A*Y)”。通過移位操作同樣可以避免除法，如除以8可以用左移3位來代替。最后，通過查詢表的方法也可以避免一些復雜運算。

　　5．3 存儲器優化

　　Blackfin56l中的存儲器采用分層結構，距離核最近的Ll存儲器運行速度最快，但容量很小。因此需要對圖像數據進行合理的存儲器資源分配，以使得絕大多數操作都集中在L1存儲器。下面以小波變換為例來進行說明。

　　本系統中待處理的圖像位于SDRAM中。圖3所示是DMA雙緩沖操作示意圖，DMA優化的總體思想是以一行圖像數據為基本單位，然后通過DMA把要處理的數據轉移到Ll，實現數據的高效處理。傳輸可采用雙緩沖乒乓操作，這樣可避免DMA傳輸數據所耗費的時間。

　　為了驗證JPEG2000編碼器在BF56l上移植和優化后的效果，我們對一幅512x512x8bit圖像進行測試并給出了相關數據。表l所列為16倍壓縮率下優化前后的數據對比。

　　6 結束語

　　JPEG2000是新一代圖像壓縮國際標準。本設計可實現JPEG2000圖像壓縮算法在DSP上的移植和優化，壓縮后的圖像具有較高的信噪比。同時經過優化，其編碼器的運算速度也得到了很大的提高，可以滿足實際應用的需要。最后的結果。所以，為了在高頻輸入時，系統也能正常工作，可以把CA3140替換成高頻特性比較好的LM616l，這樣可以提高系統的高頻特性。