基于DSP芯片的超光譜圖像壓縮技術(shù)

1、基于DSP 芯片的超光譜圖像壓縮技術(shù)摘 要 基于DSP 的超光譜圖像壓縮系統(tǒng)中，一方面需要尋找優(yōu)秀的算法，另一方面需要結(jié)合DSP 芯片的特點，選取合適設(shè)計方案，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的功能。本文結(jié)合目前現(xiàn)狀，重點介紹了算法的設(shè)計，以及DSP 芯片的選取方法，并討論了如何有效地優(yōu)化系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞 DSP ；圖像壓縮；超光譜圖像1 引言超光譜圖像壓縮技術(shù)是現(xiàn)代信息處理技術(shù)中一項尤為重要的技術(shù)，近幾年來基于DSP 的圖像壓縮技術(shù)成為業(yè)內(nèi)焦點。然而，數(shù)據(jù)運(yùn)算量大、處理數(shù)據(jù)突發(fā)性強(qiáng)是圖像處理系統(tǒng)中最大的特點，尤其是超光譜圖像，每幅圖像一般有著上百層的光譜信息。同時，一方面，現(xiàn)有的JPEG 、JPEG2000等一些

2、標(biāo)準(zhǔn)算法并不適合超光譜圖像壓縮領(lǐng)域的要求，或者因為其算法的復(fù)雜度難于硬件實現(xiàn)等；另一方面，DSP 芯片的飛速發(fā)展，各芯片的性能有差異，完成的功能也不同。因此，算法的尋找與芯片的選擇，是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵步驟，也是開發(fā)者十分關(guān)注的問題。2 系統(tǒng)的算法設(shè)計圖像壓縮算法中，主要包括脈碼調(diào)制、量化法、預(yù)測編碼、變換編碼、矢量量化、子帶編碼等。在現(xiàn)有圖像編碼方法進(jìn)一步發(fā)展的同時，一些新的具有重要發(fā)展前景的圖像編碼方法如模型基圖像編碼方法，分形圖像編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等，取得了引人注目的進(jìn)展并取得了不少研究成果。它們的顯著特點是突破了常規(guī)編碼技術(shù)所依據(jù)的信源編碼理論的框架，效果更好。2.1 系統(tǒng)對算法的要求目前

3、，流行的圖像壓縮方法眾多，至于這些方法哪些更好或者哪些不好，還很難評價，而且各個算法的壓縮效率也是與具體的圖像數(shù)據(jù)和DSP 芯片密切相關(guān)，無法下統(tǒng)一的結(jié)論。但總的來說，在圖像壓縮技術(shù)中，大多是多種方法結(jié)合使用，很少有用單純一種方法完成的。一般來說，壓縮比越大，算法越復(fù)雜，實時壓縮解壓縮的困難程度越大，要求的硬件環(huán)境也越高。比如在可視電話中，若原圖像格式采用QCIF （176×144），則原始圖像有4.5Mb/s的數(shù)據(jù)量，若最后用28.8kb/S的MODEM 在PSTN 上傳輸，則要提供150多倍的壓縮。當(dāng)然，由于算法的復(fù)雜度增大，還需付出大量的軟件和硬件代價。對于不同的應(yīng)用系統(tǒng)，算法

4、有相應(yīng)的要求。如遙感超光譜圖像實時壓縮系統(tǒng)中，一般要求是無損壓縮，且芯片體積小，性能穩(wěn)定等；而在視頻圖像壓縮系統(tǒng)中，則要求較大的壓縮比，即使丟掉一些信息也是允許的，且芯片處理速度要快，能夠達(dá)到系統(tǒng)實時性的要求。即使在確定的系統(tǒng)中，選擇合適的算法也有著重要的意義。比如采用 ADI 公司Blackfin533系列DSP （定點DSP ），當(dāng)處理一幅大小為720×576的灰度圖片時，采用改進(jìn)后的DCT 算法共耗時252ms 。如果采用傳統(tǒng)的DCT 變換方法，僅DCT 變換耗時就達(dá)到330ms ?？梢姡惴ǖ倪x擇對系統(tǒng)的性能有著非常重要的作用。2.2 算法的選取到2007年為止，基于DSP

5、的圖像壓縮技術(shù)中，最常見的是變換編碼和熵編碼。前者通過變換，重新組織數(shù)據(jù)，使圖像能量相對集中于較少的幾個系數(shù)，而其他的系數(shù)值只具有很小能量，這樣通過抑制能量小的系數(shù)，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，壓縮方法是有損還是無損也由變換編碼中是否丟棄一些高頻能量來決定，如小波變換和離散余弦變換等；后者則是在編碼過程中不丟失信息量，即要求保存信息熵，是根據(jù)消息出現(xiàn)概率的分布特性而進(jìn)行的，是無損壓縮編碼。在超光譜圖像壓縮系統(tǒng)中，往往是要求無損或近無損，一般采用傳統(tǒng)的預(yù)測編碼（DPCM ）方法，它不經(jīng)過變換，直接探索像素與像素之間的相關(guān)性和波段與波段之間的相關(guān)性。一般在波段之間采用預(yù)測編碼，波段內(nèi)采用變換編碼，去掉波段和

6、像素之間的相關(guān)性，然后再采用熵編碼。對于DSP 硬件系統(tǒng)來說，最擅長的工作是算法簡單的加法和移位運(yùn)算。如果需要保持較高的編碼效率，則要盡可能采用運(yùn)算簡單，避免乘法、查找和判斷的算法，盡量保持軟硬件的流水線結(jié)構(gòu)。因此，目前能在DSP 平臺實現(xiàn)的圖像編碼中，采用的算法大多具有這些特點。比如變換編碼中的整數(shù)小波變換，乘法器占用很大的硬件資源，不利于芯片實現(xiàn)，但由于小波濾波器的系數(shù)是固定的，因此把乘法操作優(yōu)化為移位寄存器和加法器操作，即只存在簡單的移位和加法操作，速度很快，占用內(nèi)存少，非常利于硬件實現(xiàn)。而熵編碼中的算術(shù)編碼，2001年就有人提出一種改進(jìn)的Q-coder 算術(shù)編碼算法2，采用重整化方法，

7、可以用來解決硬件實現(xiàn)中的進(jìn)位翻轉(zhuǎn)問題，采用移位加來代替原算法中的乘法，可以在硬件花費(fèi)較少的情況下顯著提高算法的編碼效率。3 系統(tǒng)的芯片選擇在系統(tǒng)設(shè)計過程中，選擇DSP 芯片是非常重要的一個環(huán)節(jié)。只有選定了DSP 芯片，才能進(jìn)一步設(shè)計其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。超光譜圖像壓縮系統(tǒng)中DSP 芯片的選擇應(yīng)考慮實際應(yīng)用的需要而確定。 第一，要確定采用哪個公司或哪個系列的芯片。DSP 的主要供應(yīng)商有TI ，ADI ，Motorola ，Lucent 和Zilog 等，其中TI 占有最大的市場份額。另外ADI 公司也占有一定的市場，與TI 公司相比，ADI 公司的DSP 芯片系統(tǒng)時鐘一般不經(jīng)分頻直接使用，

8、串行口帶有硬件壓擴(kuò)，可從8位EPROM 引導(dǎo)程序，可變成等待狀態(tài)發(fā)生器等。由于工作時鐘較高的原因,TI 公司的DSP 芯片在單芯片處理能力上優(yōu)于ADI 公司的產(chǎn)品, 但是在多芯片集成處理上ADI 公司的DSP 芯片性能更好一些。其他如ALTEAR 公司的產(chǎn)品也有著部分市場。例如，APEX20K 系列的APEX20K200EFC484-2X 器件，在H.264標(biāo)準(zhǔn)中，先對算術(shù)編碼的結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，用查表代替了乘法操作，并采用流水線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，它的算術(shù)編碼器的速度可以達(dá)到0.2bit/cycle3。圖像壓縮領(lǐng)域中，我國市場上最常見的是TI 公司的C6000系列芯片。盡管C5000系列芯片也可用于圖像處

9、理系統(tǒng)，但滿足不了實時性的要求。比如在指令周期為10ns 的C5402上對一個1M 大小的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流進(jìn)行算術(shù)編碼, 需0.4s 4, 若處理一副512*512*8的圖像，最少需要800多秒，不能滿足實際的應(yīng)用。另外還有C8x 系列多核DSP 集成系統(tǒng)等, 但由于價格昂貴和開發(fā)復(fù)雜也將被淘汰。第二，確定選擇定點或是浮點DSP 。系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)格式?jīng)Q定了它所處理信號的精度、動態(tài)范圍和信噪比，且不同數(shù)據(jù)格式的易用性和開發(fā)難度也不一樣。目前定點DSP 品種最多，處理速度為202400MIPS；浮點DSP 基本由TI 公司和ADI 公司壟斷，處理速度為40M1GFLOPS。浮點DSP 和定點DSP 相

10、比，有以下幾個方面的區(qū)別：首先，浮點運(yùn)算DSP 比定點運(yùn)算DSP 的動態(tài)范圍要大很多。比如，對于處理8bit/pixel的灰度圖來說，用16bit 定點DSP 即可；如果大于16bit/pixel，則需選用浮點DSP 來捕捉更大的動態(tài)范圍。其次，浮點DSP 處理速度大大高于定點DSP ，這一優(yōu)點在實現(xiàn)高精度復(fù)雜算法時尤為突出。比如做JPEG 標(biāo)準(zhǔn)這樣復(fù)雜的算法，一般采用浮點DSP 。2005年有人使用TI 的C6711芯片，實現(xiàn)了JPEG 算法，盡管處理時間為56秒，但若充分發(fā)揮芯片的潛能，處理速度還可以得到大幅度改善5。另外，浮點DSP 的尋址空間比定點DSP 大得多。這一方面為大型復(fù)雜算法

11、提供了可能，另一方面也為高級匯編語言編譯器、DSP 操作系統(tǒng)等高級工具軟件的應(yīng)用提供了條件?？梢钥闯?，浮點DSP 的處理速度與精度、存儲器的容量、編程的靈活性和方便性要好于定點DSP ；但在功耗、成本、體積上定點DSP 有它顯著的優(yōu)勢，且易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好。第三，其他因素。除了上面的因素外，超光譜圖像壓縮系統(tǒng)選擇DSP 芯片還需綜合考慮片內(nèi)資源、開發(fā)工具、芯片價格、封裝形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情況、生命周期等。尤其是對于芯片的體積，封裝形式和生命周期等方面的要求，比一般的圖像處理系統(tǒng)要高。目前采用最多的，也是壓縮性能較好的是整數(shù)小波變換和算術(shù)編碼。其改進(jìn)的算法有著不錯的效果，且能用定點DSP 實現(xiàn)

12、，如TMS320C62x 和C64x ，尤其是對于整數(shù)小波變換，幾乎所有的C6000系列都可以實現(xiàn)；但是對于比較復(fù)雜和需要查表一類的算法，采用浮點的比較多，如JPEG 和JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)算法，Huffman 編碼等等，則需要選用如C67x 浮點DSP 。例如，對一幅大小512×512，24 位真彩圖作為標(biāo)準(zhǔn)測試圖像，可選擇TMS320C6711DSP （浮點DSP ），若使用JPEG2000 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮，則優(yōu)化后的壓縮時間約為 4.8s ，解碼時間約為 2.2s ，壓縮率為 20 倍，同時主觀視覺效果良好6。4 系統(tǒng)性能優(yōu)化系統(tǒng)的性能優(yōu)化包括軟件優(yōu)化和硬件優(yōu)化。在圖像處理算法中

13、，存在大量的循環(huán)操作，因此充分地利用軟件流水線技術(shù)，能極大地提高程序的運(yùn)行速度，還可以節(jié)約硬件成本, 使系統(tǒng)變得簡單, 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，在模板匹配算法中，對于模板大小為 32×16，匹配范圍為112×56，采用最小絕對差和判定法（SAD ）進(jìn)行逐點匹配，假設(shè)采用TMS320C6203芯片，所有的運(yùn)算和操作都串行執(zhí)行，且耗時都只1個 CPU 時鐘周期，則總共需要512×5×3200=8192000個CPU 時鐘周期，耗時32ms 。而進(jìn)行軟件優(yōu)化后，處理速度提高了約21.8，效果是十分明顯的7。另外在2006年有人研究了去相關(guān)、內(nèi)聯(lián)函數(shù)、短整型數(shù)據(jù)

14、用整型處理和軟件流水技術(shù)，解決了軟件效率問題，采用基于DSP 核及其數(shù)據(jù)鏈路特征的優(yōu)化方法，可以使軟件效率提高515倍。并把這些優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用在基于DSP6416平臺的實時圖像壓縮系統(tǒng)中，在輸入數(shù)據(jù)率82M byte/s110M byte/s、輸出碼流29M byte/s的條件下，使該系統(tǒng)達(dá)到了實時處理的能力，該算法已在國家某重點項目中成功運(yùn)用。硬件優(yōu)化方面，需要考慮存儲空間，充分利用快速存儲器，盡量節(jié)省程序和數(shù)據(jù)的存儲空間。一般把核心的代碼和常用函數(shù)放在速度較快的內(nèi)部RAM 中，可以提高系統(tǒng)的速度；若數(shù)據(jù)放在速度較慢的片外存儲空間，讀取數(shù)據(jù)時便會造成DSP 流水線的停頓。因此，可以利用DMA

15、模塊將待處理數(shù)據(jù)搬移到片內(nèi)存儲空間，可以大大提高處理性能。如2006年提出的一種采用乒乓緩存策略的二維整型提升小波的并行體系結(jié)構(gòu)，用移位操作代替乘法操作，大大減少了算法的運(yùn)算量。整個結(jié)構(gòu)采用流水線設(shè)計，提高了硬件資源的利用率和降低了算法的中間存儲量，與原算法相比，速度提高了15倍，達(dá)到了每秒85幀；重構(gòu)圖像的峰值信噪比也達(dá)到了42dB 以上8。總之，系統(tǒng)優(yōu)化的時候，要針對具體芯片的特點，把軟件算法與硬件結(jié)構(gòu)融合，才能大大提高系統(tǒng)的效率。以C64x 為例，由于C64x 具有雙16位擴(kuò)充功能，能在一個周期內(nèi)完成雙16位乘法、加減法、比較、移位等操作，因此可以將短整型數(shù)據(jù)用整型處理或更長的數(shù)據(jù)類型進(jìn)

16、行處理，這樣一次可以把兩個16位的數(shù)據(jù)讀入一個32位寄存器，然后用內(nèi)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行處理，充分利用C64x 的雙16位擴(kuò)充功能，效率可以提高60多倍9。5 總結(jié)與展望目前，圖像壓縮技術(shù)發(fā)展越來越快。一方面，壓縮算法不斷的完善；另一方面，DSP 性能的不斷提高，使得基于DSP 的圖像壓縮技術(shù)成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點。本文結(jié)合當(dāng)前DSP 芯片在圖像壓縮領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，給出了超光譜圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計過程中，算法的設(shè)計和芯片的選擇方法，提出了解決軟件算法和硬件結(jié)構(gòu)之間的矛盾的思路，并討論了系統(tǒng)的優(yōu)化?？梢灶A(yù)料，今后DSP 將朝著系統(tǒng)高度集成、高速高性能、可靈活編程、與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方向發(fā)展，同時，開發(fā)人員也更專注開發(fā)

17、專用DSP ，將它應(yīng)用于如遙感超光譜圖像壓縮、醫(yī)學(xué)圖像處理等領(lǐng)域，在實際應(yīng)用中發(fā)揮它的巨大優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)1蔣青松, 王建宇. 多光譜圖像的信息分析及數(shù)據(jù)壓縮J.紅外技術(shù),2004,Vol.26(No.1:44-472彭云, 任俊彥, 葉凡, 周翔. 一種適于硬件實現(xiàn)的算術(shù)編碼算法J.通信學(xué)報,2001,Vol.22(No.2:49-533陳光化, 陸桂富, 武凱. 基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼的硬件實現(xiàn)J.微電子學(xué)與計算機(jī), 2006, Vol.23 (No.11:16-254羅鈞, 張國彬.JPEG2000中的二進(jìn)制算術(shù)編碼及其DSP 實現(xiàn)J.重慶大學(xué)學(xué)報,2003:Vol.26(No.4:34-375蘇艷玲, 孫德輝. 基于DSP 的圖像編碼與實現(xiàn)D.北方工業(yè)