基于DSP的JPEG圖像壓縮的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

JPEG算法是一種數(shù)字圖像壓縮編碼算法，具有壓縮比例高、失真小的特點(diǎn)，并已被確定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[1]。該標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、監(jiān)視系統(tǒng)、手機(jī)、可視電話等等諸多方面。它的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)不僅限于PC機(jī)，更多的則是基于嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)有其體積小、成本低、可靠性高、速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。嵌入式編碼實(shí)現(xiàn)方式也比較多，有的采用專用集成芯片，有的基于FPGA，有的基于DSP，ARM。采用專用芯片的方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟可靠，但靈活性以及可擴(kuò)展性差?；贔PGA的方式，壓縮算法純硬件實(shí)現(xiàn)，并行處理速度高，可實(shí)現(xiàn)高速處理，但由于JPEG壓縮算法比較復(fù)雜，開發(fā)難度大些，費(fèi)時(shí)費(fèi)力?；谕ㄓ肈SP實(shí)現(xiàn)方式優(yōu)點(diǎn)是：靈活性強(qiáng)，能滿足特殊處理需求，具有很好的可擴(kuò)展性、可升級(jí)性和易維護(hù)性。
二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
考慮到系統(tǒng)的二次開發(fā)性本系統(tǒng)采用DSP開發(fā)方案，選用TMS320C6713芯片作為系統(tǒng)主處理器，該嵌入式系統(tǒng)能完成視頻圖像信號(hào)的采集、處理、壓縮、編碼、顯示、存儲(chǔ)等一系列功能。
本圖像處理系統(tǒng)由底板與子板兩部分組成，底板主要由DSP處理器TMS320C6713、一片256K×16bitFlash，四片4M×16bitSDRAM、外部存儲(chǔ)器接口EMIF(ExternalMemoryInterface)和其他通用外設(shè)接口如RS-232，音頻接口等組成。子板是在底板的EMIF上擴(kuò)展出來(lái)的，主要由視頻解碼A/D芯片、采集和顯示時(shí)序控制芯片CPLD等。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
（一）CCD攝像頭用來(lái)采集模擬視頻圖像數(shù)據(jù)。
（二）視頻解碼A/D芯片PhilipsSAA7113將模擬視頻電視信號(hào)（本系統(tǒng)PAL制）數(shù)字化。輸出為符合CCIR.601標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻碼流。
（三）FIFOAL422B作為A/D與C6713DSP之間的數(shù)據(jù)緩沖，使A/D的轉(zhuǎn)換速度與DSP讀取A/D數(shù)據(jù)的速度匹配。
（四）TMS320C6713DSP為主處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的壓縮編碼處理。在存儲(chǔ)FIFO，存儲(chǔ)SDRAM和壓縮碼流輸出SDRAM采用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?br />（五）SDRAM作為DSP的片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)A/D的圖像數(shù)據(jù)，中間過程的部分?jǐn)?shù)據(jù)以及壓縮后的圖像數(shù)據(jù)。選用了4片ISSI公司的4M×16bitSDRAM芯片IS42S16400，構(gòu)成了一個(gè)8M×32bit的外部存儲(chǔ)器。映射到DSP的CE0存儲(chǔ)空間。
（六）Flash采用芯片256K×16bit的AM29LV400B，用于DSP上電或復(fù)位后的程序加載。
（七）CPLD采用Laitiice公司的LC4821V，作為視頻A/D對(duì)FIFO進(jìn)行寫操作，DSP對(duì)FIFO進(jìn)行讀操作的時(shí)序控制。
圖像采集與存儲(chǔ)關(guān)鍵問題與解決方法：
本設(shè)計(jì)中解碼CCD攝像頭的模擬視頻信號(hào)是采用專用的模擬視頻信號(hào)解碼器SAA71113，SAA71l13視頻解碼器是雙通道模擬預(yù)處理電路、自動(dòng)鉗位和增益控制電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、數(shù)字多標(biāo)準(zhǔn)解碼器、亮度／對(duì)比度／飽和度控制電路、彩色空間矩陣的組合，是一款功能完善的視頻處理器。SAA711l3只需要單一的3．3V電源供電，與C6713的I／O電壓一致。
SAA7113A接收CVBS(復(fù)合視頻)或S-video模擬視頻輸入，可以自動(dòng)將PAL、SECAM、NTSC模式的彩色視頻信號(hào)解碼為CCIR-60l／656兼容的彩色數(shù)字分量值，器件功能通過I2C接口控制。圖像采集過程可以全部在后臺(tái)完成，基本上不需要CPU的干預(yù)，可以節(jié)約大量的CPU時(shí)間。但是這樣設(shè)計(jì)有一個(gè)難點(diǎn)：由模擬視頻信號(hào)解碼得出的數(shù)字視頻信號(hào)數(shù)據(jù)量非常大，而且由于是實(shí)時(shí)視頻信號(hào)，所以數(shù)據(jù)輸出速率也非常高；但是相反，DSP外部存儲(chǔ)器接口的讀出速率卻比較慢。為了解決這個(gè)問題，本設(shè)計(jì)采取是高速FIFO，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存以緩解速度上的差異，即采用FIFO來(lái)暫存10行圖像數(shù)據(jù)，視頻解碼器直接向FIF0中寫入圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)FIFO中寫入了10行圖像數(shù)據(jù)后，由CPLD向DSP發(fā)出中斷INT4請(qǐng)求；同時(shí)，DSP接到中斷請(qǐng)求后，啟動(dòng)DMA方式將10行圖像數(shù)據(jù)從FIFO中讀入到其外部RAM中存放。這樣在采集的同時(shí)，DSP就可以讀取已采集的10行數(shù)據(jù)，而不必等待一幀圖像數(shù)據(jù)采集完成。這樣提高DSP的處理效率。CPLD主要控制解碼器向FIFO中寫入數(shù)據(jù)以及DSP從FIFO中讀出數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)可以采集到一幀圖像的尺寸為320點(diǎn)/行*240行，從SA71113輸出的是4:2:2的YcrCb數(shù)據(jù)格式，一個(gè)像素用2個(gè)字節(jié)表示，一個(gè)字節(jié)表示Y，另一個(gè)字節(jié)為Cb和Cr，那么總的數(shù)據(jù)量為320×240×2=150KB。對(duì)于亮度信號(hào)，每個(gè)像素Y占一個(gè)字節(jié)，一行共320個(gè)字節(jié)，用320個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一行的Y數(shù)據(jù)，對(duì)于色度信號(hào)Cb，一行共320點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)像素共用一個(gè)色度信號(hào)Cb，占一個(gè)字節(jié)，共160個(gè)字節(jié)，用160個(gè)字節(jié)單元存放一行的數(shù)據(jù)，對(duì)于色度信號(hào)Cr，存儲(chǔ)格式與Cb一樣。這樣一幀圖像數(shù)據(jù)需要的緩沖區(qū)大小為：320×240+160×240×2=150KB。對(duì)此選用了8M×32bit的SDRAM，而且選取用了具有3Mbit緩沖的FIFO。
三、JPEG壓縮編碼算法原理與實(shí)現(xiàn)
如圖2所示，JPEG壓縮編碼主要由預(yù)處理、DCT變換、量化、Huffman編碼等流程構(gòu)成。
JPEG壓縮編碼時(shí)，需先將原始YcbCr空間的二維圖像分成8×8的數(shù)據(jù)塊，然后將各數(shù)據(jù)塊按從左到右，從上到下的順序分別進(jìn)行DCT變換、量化、“之”字型（Zig-Zag）掃描和Huffman編碼（量化和Huffman編碼分別需要量化表和Huffman表的支持）。
DCT優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)
DCT變換的快慢決定了整個(gè)JPEG算法的速度。因此，采用了行列法來(lái)減少計(jì)算量。將8×8數(shù)據(jù)塊的DCT轉(zhuǎn)換為16次一維8點(diǎn)DCT變換，只要提高一維DCT的速度就可以提高二維DCT的速度。
二維DCT正變換的公式如下（8×8）：
從上述表達(dá)式可以看出，Y0～Y7都是乘法累加運(yùn)算，而S0～S7可由x0～x7經(jīng)過蝶形運(yùn)算得到，因此將DCT算法分成兩級(jí)運(yùn)算，即第一級(jí)蝶形運(yùn)算，第二級(jí)乘法累加運(yùn)算，減少了運(yùn)算級(jí)數(shù)，這樣利用DSP的專用指令乘累加運(yùn)算大大優(yōu)化了DCT算法。
四、結(jié)束語(yǔ)
本文以上述算法和流程為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)以DSP的開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)JPEG的編碼算法，并進(jìn)行了優(yōu)化。與基于ASIC的方法相比，具有通用性強(qiáng)、靈活高效的特點(diǎn)。圖3為在dsp的CCS調(diào)試環(huán)境下，采用C和匯編混合編程，對(duì)采集的320*240*8位的灰度視頻圖像進(jìn)行JPEG標(biāo)準(zhǔn)壓縮后復(fù)原的圖像，相應(yīng)的壓縮編碼指標(biāo)在表1中列出。
從上面的結(jié)果可以看出，整個(gè)壓縮系統(tǒng)基本上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像壓縮編碼。對(duì)本算法進(jìn)行適當(dāng)修改，可以應(yīng)用到數(shù)碼相機(jī)，手機(jī)等多種嵌入式系統(tǒng)中。同時(shí)，該壓縮系統(tǒng)可以通過PCI總線控制，將壓縮后的碼流通過JPEG文件的形式傳輸給PC機(jī)。另外，該壓縮系統(tǒng)可以成為一個(gè)通用的視頻圖像采集壓縮平臺(tái)，在該平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)JPEG2000，H.263，MPEG-2等多種多媒體壓縮標(biāo)準(zhǔn)。