基于TMS320C5409DSP芯片的圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

和差都是已知系數(shù)，可通過(guò)查表獲得。

由此計(jì)算可知，一個(gè)8點(diǎn)DCT的Loeffler算法共需要11次乘法和29次加法。從DSP匯編語(yǔ)言編程的角度來(lái)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)算，并且能夠在單周期內(nèi)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(zhǎng)操作數(shù)(32位)進(jìn)行長(zhǎng)字運(yùn)算。在長(zhǎng)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(zhǎng)字指令即可計(jì)算2個(gè)蝶形運(yùn)算。加上采取其它優(yōu)化措施，大約需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?jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)，沒(méi)有利用匯編語(yǔ)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DCT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。如匯編指令運(yùn)用于DCT運(yùn)算，將大大簡(jiǎn)化程序的復(fù)雜度并減少計(jì)算時(shí)間。具體算法如下，利用蝶形運(yùn)算：

從上面表達(dá)式可以看出，y(0)-y(7)都是乘法累加運(yùn)算，而s0-s7可由x(0)一x(7)經(jīng)過(guò)蝶形運(yùn)算得到，因此，DCT算法由原來(lái)的4級(jí)運(yùn)算變成兩級(jí)，即第一級(jí)蝶形運(yùn)算和第二級(jí)乘法累加運(yùn)算，第一級(jí)蝶形運(yùn)算共要10+4=14(10次計(jì)算操作和4次輔助操作)條指令，第二級(jí)運(yùn)算中，每個(gè)輸出要4+1+1=6條指令(做4次乘法累加運(yùn)算、1次讀取操作和1次存儲(chǔ)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，大大縮減了運(yùn)算時(shí)間，提高了CPU的工作效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

量化運(yùn)算優(yōu)化

本文提出了基于實(shí)際情況的自適應(yīng)量化方法，即量化階段采用二次計(jì)算的方法，其算法主要分為兩步：(1)對(duì)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)色度分量在頻域中所有8×8子塊的63個(gè)交流系數(shù)絕對(duì)值的平均值P(u,v)，其中，u,v=0…7為位置信息。接下來(lái)求出163個(gè)交流系數(shù)平均值中的最大值，Z1(u,v)=MAX[P1(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(guò)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(duì)JPEG量化表進(jìn)行矯正。

將上述矯正后的量化表作為最終的量化表，對(duì)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(guò)程與標(biāo)準(zhǔn)。JPEG解碼過(guò)程完全相同，可以看出它也是標(biāo)準(zhǔn)。IPEG編碼過(guò)程的逆過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

快速DCT運(yùn)算

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(cè)試。結(jié)果見(jiàn)表1,可以看到本文算法較Loeffler的DSP優(yōu)化算法大約節(jié)省了1/4的時(shí)間，較純Loeffler算法大約節(jié)省了一半時(shí)間，其效果是十分明顯的。

自適應(yīng)量化

對(duì)自適應(yīng)量化器進(jìn)行仿真。本文采用中等復(fù)雜度的標(biāo)準(zhǔn)圖像作為測(cè)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2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。從壓縮比和峰值信噪比的對(duì)比結(jié)果可看出，自適應(yīng)量化JPEG方法的壓縮比略高于標(biāo)準(zhǔn)JPEG方法。

結(jié)語(yǔ)

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)。這一方案可應(yīng)用于需要對(duì)視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、壓縮及存儲(chǔ)的絕大部分場(chǎng)合。