TMS320C5409實(shí)現(xiàn)JPEG圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　隨著多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像大信息量的特點(diǎn)對(duì)圖像壓縮技術(shù)的要求越來越高，因此，專用高速數(shù)字信息處理技術(shù)成為發(fā)展的方向。TI推出的C5000系列DSP將數(shù)字信號(hào)處理器使信號(hào)處理系統(tǒng)的研究重點(diǎn)又回到軟件算法上。在壓縮算法研究方面，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。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　TMS320C5409作為主處理器的可行性分析

　　TMS320C5409時(shí)鐘頻率為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。

　　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。

　　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)×640×480=0.19866s，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)間更少，這對(duì)于應(yīng)用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是很高的場(chǎng)合是完全可行的。

　　硬件設(shè)計(jì)框圖

　　圖1是基于TMS320C5409的圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。C5409為中央處理器，SRAM為DSP片外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，EEPROM為脫機(jī)工作時(shí)的程序存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的引導(dǎo)程序和其它應(yīng)用程序，A/D轉(zhuǎn)換部分負(fù)責(zé)把轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的圖像存入幀存儲(chǔ)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(hào)，使之映射到不同的地址區(qū)域，并控制ADC進(jìn)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(jī)完成。

　　存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展方案

　　經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的原始圖像數(shù)據(jù)是非常大的，TMS320C5409的內(nèi)部?jī)H有32KB的RAM和16KB的ROM，不能滿足需要，因此，必須擴(kuò)展存儲(chǔ)器來存放原始圖像數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序。本文考慮外接64KB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64KB，因此采用內(nèi)存頁(yè)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(yè)選擇信號(hào)。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(chǔ)器片選信號(hào)的產(chǎn)生，當(dāng)A15=0時(shí)，選擇片內(nèi)RAM;當(dāng)A15=1，XF=0時(shí)選擇片外SRAM;當(dāng)A15=1，XF=1時(shí)選擇片外Flash;存儲(chǔ)器的擴(kuò)展如圖2所示。將外部擴(kuò)展RAM的64KB中的48KB用于存放原始圖像數(shù)據(jù)，16KB用于存放壓縮后的圖像和程序以及暫存的數(shù)據(jù)。

　　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。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，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?huì)更大，裕量至少是20%。

　　C5409采用了雙電源供電機(jī)制，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和其它所有外設(shè)邏輯。外部接口引腳采用3.3V電壓。本系統(tǒng)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(wěn)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(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)間的運(yùn)算，而且，由于沒有考慮圖像本身的頻譜特性，JPEG量化表對(duì)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。

　　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(jìn)行2D—DCT變換，運(yùn)算量將會(huì)十分巨大。因此，需要將8×8二維DCT變換轉(zhuǎn)換成兩次8點(diǎn)的一維DCT復(fù)合運(yùn)算。具體做法是對(duì)每一個(gè)8×8塊先做列方向上的DCT變換，得到一個(gè)中間矩陣，再對(duì)該矩陣各行進(jìn)行DCT變換。可以看到，8×8矩陣的2維DCT可以轉(zhuǎn)換成16次一維8點(diǎn)DCT。

　　目前，很多針對(duì)一維DCT運(yùn)算的DCT快速算法已經(jīng)提出。其中，Loeffler算法所需要的計(jì)算量最小。Loeffler算法將8點(diǎn)一維DCT運(yùn)算分為4級(jí)，由于各級(jí)之間的輸入/輸出存在依存關(guān)系，4級(jí)操作必須串行進(jìn)行，而各級(jí)內(nèi)部的運(yùn)算可并行處理。

　　流程圖中有三種運(yùn)算因子：蝶形因子、旋轉(zhuǎn)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(yùn)算關(guān)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(guān)系比較簡(jiǎn)單：，只需1次乘法，旋轉(zhuǎn)因子的運(yùn)算關(guān)系為：

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