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JPEG2000图像压缩算法在DSP上的移植和优化
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2017-10-25
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JPEG2000数字图像压缩标准是国际标准组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）联合制定的新一代静止图像压缩标准。与以往的压缩标准相比，JPEG2000标准具有很多优点。它不仅仅在图像编码过程中能保证良好的图像质量，而且还具有现代图像压缩所要求的新性能，如同时支持有损压缩和无损压缩两种模式、保证在图像传输过程中的容错性、支持感兴趣区域编码等。但是，由于新技术的引入，JPEG2000的算法复杂度也相应提高，在实际应用中，JPEG2000并不如想象中的那么应用广泛。而DSP由于其丰富灵活的指令集、特殊的内部结构、超强的数据吞吐能力及运算速度，使得以DSP处理器为核心的方法成为实现JPEG2000算法的一种有效途径。
1 JPEG2000系统的组成原理
JPEG2000相对于JPEG的最大改进就是以离散小波变换（DWT）代替了DCT编码。JPEG2000的编解码流程如图1所示。本系统首先对源图像数据进行离散小波变换，然后对变换后的小波系数进行量化，接着对量化后的数据熵编码，最后形成输出码流。解码器是编码器的逆过程，解码时，首先对码流进行熵解码，然后解量化和小波反变换，最后生成重建图像数据。
通过预处理可为不同类型的图像提供一个统一的接口，以便于后续使用同样的编码器进行处理，这一步骤是将多种类型的图像压缩加入到统一框架中的关键。它主要包括三个步骤：图像分片、直流平移和分量变换。
小波的多分辨率分析特性使之既可高效地描述图像的平坦区域，又可有效地表示图像信号的局部突变（即图像的边缘轮廓部分），它在空域和频域都有良好的局部性，因而能够聚焦到图像的任意细节。
优化截断嵌入块编码（The Embedded BlockCoding with Optimized Truncation，简称EBCOT）是JPEG2000标准的核心，它不仅能对图像进行有效压缩，同时，其产生的码流还具有分辨率可伸缩性、信噪比可伸缩性、随机访问和处理等非常好的特性。EBCOT分Tierl和Tier2两部分，EBCOT可将子带分成互不重叠的编码块，每个编码块的比特层编码称为Tierl；然后对所有编码块的编码流进行优化截断排序和打包等处理，以使其成为Tier2。
2 Blackfin56l处理器
Blackfin处理器是一类专为满足当今嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和功耗约束条件而设计的新型32位DSP。Blackfin处理器主要基于ADI和Intel公司联合开发的微信号架构（MSA），它将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加（MAC）信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在了一起。Blackfin561是Blackfin处理器系列中的新型对称双核处理器成员，可在相同的频率条件下实现性能的翻番。该器件具有以下特点：
（1）高性能的处理器内核
Blackfin处理器架构基于一个10级RISCMCU／DSP流水线和一个专为实现最佳代码密度而设计的混合16／32位指令集架构。Blackfin561具有两个内核频率可达600MHz的处理器，可提供高效RISC MCU控制任务执行能力。
（2）高带宽DMA能力
Blackfin561具有多个独立的DMA控制器，这些控制器可支持自动数据传输，而且所需的处理器内核开销极少。DMA传输可出现于内部存储器和诸多具有DMA功能的外设之间。传输也有可能出现于外设和与外部存储器接口相连的外部器件之间，包括SDRAM控制器和异步存储器控制器。
（3）专用视频指令
除了具有对8位数据以及许多像素处理算法所常用的字长的固有支持之外，Blackfin处理器架构还包括专为增强视频处理应用而定义的指令。
（4）高效控制处理
Blackfin561提供有各种各样的微控制器型外设，包括UARTS、SPI、PPI控制器、支持PWM的定时器、看门狗定时器、实时时钟和一个无缝同步和异步存储器控制器。因而为设计师提供了巨大的设计灵活性，并最大限度地降低了终端系统成本。
（5）分层的存储器架构
Blackfin561支持改进的哈佛结构，该结构是具有分级的存储器结构的组合。BF56l器件的地址总线宽度为32位，可以访问4G字节的地址空间。Blackfin处理器的存储器架构在器件实现中可提供Level l（L1）和Level 2（L2）存储模块，并可以通过EBIU外接L3处理器（SDRAM、Flash等）。
1 JPEG2000系统的组成原理
JPEG2000相对于JPEG的最大改进就是以离散小波变换（DWT）代替了DCT编码。JPEG2000的编解码流程如图1所示。本系统首先对源图像数据进行离散小波变换，然后对变换后的小波系数进行量化，接着对量化后的数据熵编码，最后形成输出码流。解码器是编码器的逆过程，解码时，首先对码流进行熵解码，然后解量化和小波反变换，最后生成重建图像数据。
通过预处理可为不同类型的图像提供一个统一的接口，以便于后续使用同样的编码器进行处理，这一步骤是将多种类型的图像压缩加入到统一框架中的关键。它主要包括三个步骤：图像分片、直流平移和分量变换。
小波的多分辨率分析特性使之既可高效地描述图像的平坦区域，又可有效地表示图像信号的局部突变（即图像的边缘轮廓部分），它在空域和频域都有良好的局部性，因而能够聚焦到图像的任意细节。
优化截断嵌入块编码（The Embedded BlockCoding with Optimized Truncation，简称EBCOT）是JPEG2000标准的核心，它不仅能对图像进行有效压缩，同时，其产生的码流还具有分辨率可伸缩性、信噪比可伸缩性、随机访问和处理等非常好的特性。EBCOT分Tierl和Tier2两部分，EBCOT可将子带分成互不重叠的编码块，每个编码块的比特层编码称为Tierl；然后对所有编码块的编码流进行优化截断排序和打包等处理，以使其成为Tier2。
2 Blackfin56l处理器
Blackfin处理器是一类专为满足当今嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和功耗约束条件而设计的新型32位DSP。Blackfin处理器主要基于ADI和Intel公司联合开发的微信号架构（MSA），它将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加（MAC）信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在了一起。Blackfin561是Blackfin处理器系列中的新型对称双核处理器成员，可在相同的频率条件下实现性能的翻番。该器件具有以下特点：
（1）高性能的处理器内核
Blackfin处理器架构基于一个10级RISCMCU／DSP流水线和一个专为实现最佳代码密度而设计的混合16／32位指令集架构。Blackfin561具有两个内核频率可达600MHz的处理器，可提供高效RISC MCU控制任务执行能力。
（2）高带宽DMA能力
Blackfin561具有多个独立的DMA控制器，这些控制器可支持自动数据传输，而且所需的处理器内核开销极少。DMA传输可出现于内部存储器和诸多具有DMA功能的外设之间。传输也有可能出现于外设和与外部存储器接口相连的外部器件之间，包括SDRAM控制器和异步存储器控制器。
（3）专用视频指令
除了具有对8位数据以及许多像素处理算法所常用的字长的固有支持之外，Blackfin处理器架构还包括专为增强视频处理应用而定义的指令。
（4）高效控制处理
Blackfin561提供有各种各样的微控制器型外设，包括UARTS、SPI、PPI控制器、支持PWM的定时器、看门狗定时器、实时时钟和一个无缝同步和异步存储器控制器。因而为设计师提供了巨大的设计灵活性，并最大限度地降低了终端系统成本。
（5）分层的存储器架构
Blackfin561支持改进的哈佛结构，该结构是具有分级的存储器结构的组合。BF56l器件的地址总线宽度为32位，可以访问4G字节的地址空间。Blackfin处理器的存储器架构在器件实现中可提供Level l（L1）和Level 2（L2）存储模块，并可以通过EBIU外接L3处理器（SDRAM、Flash等）。
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lvchenalcn
2021-01-06
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