引言

　　隨著多媒體技術(shù)的不斷運(yùn)用，圖像壓縮要求更高的性能和新的特征。為了滿(mǎn)足靜止圖像在特殊領(lǐng)域編碼的需求，JPEG2000作為一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)處于不斷的發(fā)展中。它不僅希望提供優(yōu)于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的失真率和個(gè)人圖像壓縮性能，而且還可以提供一些現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不能有效地實(shí)現(xiàn)甚至在很多情況下完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能和特性。這種新的標(biāo)準(zhǔn)更加注重圖像的可伸縮表述。所以就可以在任意給定的分辨率級(jí)別上來(lái)提供一個(gè)低質(zhì)量的圖像恢復(fù)，或者在要求的分辨率和信噪比的情況下提取圖像的部分區(qū)域。原始圖像數(shù)據(jù)（例如。bmp位圖）首先進(jìn)行畫(huà)布坐標(biāo)標(biāo)定，然后在畫(huà)布坐標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行劃分：步先劃分為不同的分量（component），第二步將畫(huà)布區(qū)域劃分為大小相同的矩形“片”（tile），這兩個(gè)步驟可以互換。在畫(huà)布坐標(biāo)系統(tǒng)預(yù)處理之后，就是進(jìn)入JPEG2000的階段之一：離散小波分析（DWT）。小波分析被直接運(yùn)用于各個(gè)片，這樣每個(gè)片區(qū)域都被DWT分析，形成不同的分辨率級(jí)別，每個(gè)分辨率級(jí)別中含有四個(gè)子帶，這樣就為JPEG2000的分辨率遞進(jìn)的功能提供了可能。在這之后，就進(jìn)入了JPEG2000的第二個(gè)階段： 嵌入式優(yōu)化截?cái)嗑幋a（EBCOT）。首先將各個(gè)子帶進(jìn)行EBCOT的預(yù)處理過(guò)程：量化。量化對(duì)圖像有損壓縮負(fù)責(zé)，而此過(guò)程可有可無(wú)，用戶(hù)可以自由選擇，因而JPEG2000對(duì)有損和無(wú)損壓縮兼容。預(yù)處理過(guò)后，進(jìn)入EBCOT的編碼階段，該階段分為兩次，編碼主要是碼塊劃分和熵編碼，二次編碼主要是分層打包的過(guò)程。，碼流將會(huì)以封包流（pack-stream）的形式傳輸，包的主頭描述了原始圖像和不同的分解及編碼類(lèi)型以便查找、提取、解碼和重構(gòu)指定分辨率級(jí)、保真度、感興趣區(qū)域和其他特點(diǎn)的圖像部分。

　　1 JPEG2000系統(tǒng)的組成原理

　　JPEG2000相對(duì)于JPEG的改進(jìn)就是以離散小波變換（DWT）代替了DCT編碼。JPEG2000的編解碼流程如圖1所示。本系統(tǒng)首先對(duì)源圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行離散小波變換，然后對(duì)變換后的小波系數(shù)進(jìn)行量化，接著對(duì)量化后的數(shù)據(jù)熵編碼，形成輸出碼流。編碼器（encoder），是一種輸入模擬視頻信號(hào)并將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)格式，以進(jìn)一步壓縮和傳輸?shù)挠布?軟件設(shè)備。像視頻的mpeg4，音頻的mp3，ac3，dts等，這些編碼器可以將原始數(shù)據(jù)壓縮存放，剛才都是常用的編碼格式，還有些的編碼格式，一般家庭基本不會(huì)用到。為了在家用設(shè)備或者電腦上重放這些視頻和音頻則需要用到解碼軟件，一般稱(chēng)為插件。比如mpeg4解碼插件ffdshow，ac3解碼插件ac3fliter等。只有裝了各種解碼插件你的電腦才能重放這些圖像和聲音。

　　通過(guò)預(yù)處理可為不同類(lèi)型的圖像提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，以便于后續(xù)使用同樣的編碼器進(jìn)行處理，這一步驟是將多種類(lèi)型的圖像壓縮加入到統(tǒng)一框架中的關(guān)鍵。它主要包括三個(gè)步驟：圖像分片、直流平移和分量變換。

　　小波的多分辨率分析特性使之既可高效地描述圖像的平坦區(qū)域，又可有效地表示圖像信號(hào)的局部突變，它在空域和頻域都有良好的局部性，因而能夠聚焦到圖像的任意細(xì)節(jié)。

　　優(yōu)化截?cái)嗲度雺K編碼（The Embedded BlockCoding with Optimized Truncation，簡(jiǎn)稱(chēng)EBCOT）是JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的，它不僅能對(duì)圖像進(jìn)行有效壓縮，同時(shí)，其產(chǎn)生的碼流還具有分辨率可伸縮性、信噪比可伸縮性、隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)和處理等非常好的特性。

　　2 Blackfin56l處理器

　　Blackfin處理器是一類(lèi)專(zhuān)為滿(mǎn)足當(dāng)今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計(jì)算要求和功耗約束條件而設(shè)計(jì)的新型32位DSP。Blackfin處理器主要基于ADI和Intel公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的微信號(hào)架構(gòu)（MSA），MSA（MeasurementSystemAnalysis）使用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和圖表的方法對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的分辨率和誤差進(jìn)行分析，以評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)的分辨率和誤差對(duì)于被測(cè)量的參數(shù)來(lái)說(shuō)是否合適，并確定測(cè)量系統(tǒng)誤差的主要成分。同時(shí)，MSA（maritime safety administration）也是海事安全管理局的英文簡(jiǎn)稱(chēng)。該器件具有以下特點(diǎn)：

　?。?）高性能的處理器內(nèi)核

　　Blackfin處理器架構(gòu)基于一個(gè)10級(jí)RISCMCU／DSP流水線(xiàn)和一個(gè)專(zhuān)為實(shí)現(xiàn)代碼密度而設(shè)計(jì)的混合16／32位指令集架構(gòu)。

　?。?）高帶寬DMA能力

　　Blackfin561具有多個(gè)獨(dú)立的DMA控制器，這些控制器可支持自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，而且所需的處理器內(nèi)核開(kāi)銷(xiāo)極少。DMA傳輸可出現(xiàn)于內(nèi)部存儲(chǔ)器和諸多具有DMA功能的外設(shè)之間。

　?。?）專(zhuān)用視頻指令

　　除了具有對(duì)8位數(shù)據(jù)以及許多像素處理算法所常用的字長(zhǎng)的固有支持之外，Blackfin處理器架構(gòu)還包括專(zhuān)為增強(qiáng)視頻處理應(yīng)用而定義的指令。

　?。?）高效控制處理

　　Blackfin561提供有各種各樣的微控制器型外設(shè)，包括UARTS、SPI、PPI控制器、支持PWM的定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和一個(gè)無(wú)縫同步和異步存儲(chǔ)器控制器。

　?。?）分層的存儲(chǔ)器架構(gòu)

　　Blackfin561支持改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是具有分級(jí)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的組合。BF56l器件的地址總線(xiàn)寬度為32位，可以訪(fǎng)問(wèn)4G字節(jié)的地址空間。Blackfin處理器的存儲(chǔ)器架構(gòu)在器件實(shí)現(xiàn)中可提供Level l（L1）和Level 2（L2）存儲(chǔ)模塊，并可以通過(guò)EBIU外接L3處理器。

　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的采集和壓縮處理。它有效利用了Blackfin561的專(zhuān)用視頻接口PPI和其它豐富的接口資源，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、便于軟件編程的特點(diǎn)。圖2所示其系統(tǒng)工作流程及連接框圖。

　　由圖2可見(jiàn)，本系統(tǒng)首先由CCD攝像頭來(lái)采集圖像，輸入的模擬信號(hào)經(jīng)ADV7183視頻編碼芯片轉(zhuǎn)換成ITU一656格式的數(shù)字視頻流，該視頻流通過(guò)BF561的PPI傳輸?shù)絊DRAM。然后由DSP從SDRAM讀入圖像，并執(zhí)行JPEG2000編碼操作，將壓縮視頻流輸入到輸出模塊進(jìn)行傳輸。

　　4 JPEG2000算法移植

　　如果用戶(hù)導(dǎo)入的Blackfin處理器的C代碼能夠兼容ANSI C語(yǔ)言，那么，就能直接在Blackfin上進(jìn)行構(gòu)建并執(zhí)行這個(gè)“現(xiàn)成的”代碼程序。但是結(jié)合嵌入式應(yīng)用環(huán)境，移植時(shí)還需注意以下幾點(diǎn)：

　　首先要注意不同的平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)類(lèi)型的長(zhǎng)度定義可能是不一樣的。在程序移植中可以對(duì)數(shù)據(jù)類(lèi)型使用typedef宏進(jìn)行定義，如“typedef intINT32；”這樣便于移植時(shí)更改。

　　其次，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)中的存儲(chǔ)空間有限，而且是分級(jí)的，且不同級(jí)別的處理器大小和運(yùn)算速度均不同。因此，在定義變量時(shí)需要考慮其存放地址。通過(guò)section（“存儲(chǔ)器段名”）語(yǔ)句可以將變量和代碼放入指定地址。其中“存儲(chǔ)器段名”可在ldf件中設(shè)置。

　　第三為了程序調(diào)用方便，PC平臺(tái)下的C程序會(huì)經(jīng)常使用大量的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配（如calloc、realloc、new等）?？紤]到嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，即需要不停的循環(huán)處理，因此，應(yīng)該用靜態(tài)數(shù)組代替動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。這樣不僅可以避免動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配造成的內(nèi)存碎片問(wèn)題，同時(shí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)也更加清楚明了。

　　此外，由于源程序中有許多文件操作，而嵌入式系統(tǒng)并不直接支持文件操作，所以應(yīng)予以剔除，用讀寫(xiě)數(shù)組的方式來(lái)替代。

　　應(yīng)注意Visual DSP++兼容的C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)。由于它不能識(shí)別<malloc.h>等庫(kù)文件名稱(chēng)，而calloc、malloc等動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配函數(shù)均包含在<stdlib.h>中。所以，若要使用malloc，只需在程序中包入<stdlib.h>即可。注意以上幾點(diǎn)，C語(yǔ)言源程序就可以在VisualDSP++下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)其功能了。

　　5 程序優(yōu)化

　　由于移植后的算法只是簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了圖像編碼功能，而遠(yuǎn)不能保證其實(shí)時(shí)性，因而需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化主要涉及浮點(diǎn)轉(zhuǎn)定點(diǎn)運(yùn)算、代碼優(yōu)化和存儲(chǔ)器優(yōu)化。

　　5.1 浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)定點(diǎn)運(yùn)算

　　Blackfin處理器是一款定點(diǎn)處理器。該處理器本身并不支持float、double等浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類(lèi)型，而只能通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)，所以，用Blackfln直接進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算是很費(fèi)時(shí)的。因而應(yīng)將小波變換及其它涉及浮點(diǎn)運(yùn)算的模塊全部定點(diǎn)化。

　　可以將浮點(diǎn)系數(shù)乘以一個(gè)尺度因子，使其變換成整數(shù)。然后在運(yùn)算過(guò)程中再除以尺度因子，這樣就避免了浮點(diǎn)操作。同時(shí)，Blackfin處理器是針對(duì)小數(shù)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，它提供了大量的運(yùn)算指令，可以快速的執(zhí)行定點(diǎn)和小數(shù)運(yùn)算。下面給出小波變換定點(diǎn)化的一段程序：

　　5.2 代碼優(yōu)化

　　設(shè)計(jì)時(shí)可以結(jié)合具體的硬件環(huán)境對(duì)代碼本身做出大量?jī)?yōu)化，以使得編譯器能夠充分的使用硬件循環(huán)、軟件流水化、矢量化等技術(shù)。但是，也應(yīng)注意一下幾個(gè)方面：

　　首先，因?yàn)檠h(huán)是程序中時(shí)間消耗的部分，所以要把主要精力集中在循環(huán)程序的設(shè)計(jì)上。應(yīng)盡量使用短循環(huán)；避免循環(huán)執(zhí)行的依賴(lài)性；確保內(nèi)部循環(huán)次數(shù)比外部的多；在循環(huán)中應(yīng)避免條件代碼，否則會(huì)出現(xiàn)大量控制流延遲；在循環(huán)體中不要放函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句。

　　其次，定點(diǎn)處理器本身不直接支持除法操作，所以，應(yīng)該盡量避免除法。如“if（X／Y>A／B）”可以寫(xiě)成“if（X*B>A*Y）”。通過(guò)移位操作同樣可以避免除法，如除以8可以用左移3位來(lái)代替。，通過(guò)查詢(xún)表的方法也可以避免一些復(fù)雜運(yùn)算。

　　5.3 存儲(chǔ)器優(yōu)化

　　存儲(chǔ)器（Memory）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)程序、中間運(yùn)行結(jié)果和終運(yùn)行結(jié)果都保存在存儲(chǔ)器中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。有了存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途存儲(chǔ)器可分為主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）和輔助存儲(chǔ)器（外存），也有分為外部存儲(chǔ)器和內(nèi)部存儲(chǔ)器的分類(lèi)方法。外存通常是磁性介質(zhì)或光盤(pán)等，能長(zhǎng)期保存信息。內(nèi)存指主板上的存儲(chǔ)部件，用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，但僅用于暫時(shí)存放程序和數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源或斷電，數(shù)據(jù)會(huì)丟失。

　　Blackfin56l中的存儲(chǔ)器采用分層結(jié)構(gòu)，距離核近的Ll存儲(chǔ)器運(yùn)行速度快，但容量很小。因此需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的存儲(chǔ)器資源分配，以使得絕大多數(shù)操作都集中在L1存儲(chǔ)器。下面以小波變換為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

　　本系統(tǒng)中待處理的圖像位于SDRAM中。圖3所示是DMA雙緩沖操作示意圖，DMA優(yōu)化的總體思想是以一行圖像數(shù)據(jù)為基本單位，然后通過(guò)DMA把要處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到Ll，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效處理。傳輸可采用雙緩沖乒乓操作，這樣可避免DMA傳輸數(shù)據(jù)所耗費(fèi)的時(shí)間。

　　為了驗(yàn)證JPEG2000編碼器在BF56l上移植和優(yōu)化后的效果，我們對(duì)一幅512x512x8bit圖像進(jìn)行測(cè)試并給出了相關(guān)數(shù)據(jù)。表l所列為16倍壓縮率下優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　JPEG2000是新一代圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)JPEG2000圖像壓縮算法在DSP上的移植和優(yōu)化，壓縮后的圖像具有較高的信噪比。同時(shí)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，其編碼器的運(yùn)算速度也得到了很大的提高，可以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。的結(jié)果。