基于DSP的圖像壓縮系統(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)字信號處理器使信號處理系統(tǒng)的研究重點(diǎn)又回到軟件算法上。在壓縮算法研究方面，DCT、小波等多個算法因?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時鐘頻率為100MHz,性價比極高。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，作JPEG壓縮編碼所需要的時間為：T=62×10(ns)×640×480=0.19866s,當(dāng)所處理的圖像分辨率更小時，則壓縮每幀所花的時間更少，這對于應(yīng)用在對實(shí)時性要求不是很高的場合是完全可行的。

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)存儲器，EEPROM為脫機(jī)工作時的程序存儲器，用于存儲系統(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)部僅有32KB的RAM和16KB的ROM,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。本文考慮外接64KB的RAM和512KB的Flash,RAM使用Cypress公司的CY7C1021V33,Flash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=0時，選擇片內(nèi)RAM;當(dāng)A15=1,XF=0時選擇片外SRAM;當(dāng)A15=1,XF=1時選擇片外Flash;存儲器的擴(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，需要的電源電流最大。因此在設(shè)計(jì)電源時，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?，裕量至少?0%.

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)時性。同時，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。具體做法是對每一個8×8塊先做列方向上的DCT變換，得到一個中間矩陣，再對該矩陣各行進(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，由于各級之間的輸入/輸出存在依存關(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。

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，