视频编码应用的JPEG2000压缩算法实现

　　系统结构

　　整个系统主要由n台PC基站、m×n台手持移动终端（每台PC基站负责m台手持移动终端）组成。其中PC基站以USB2.0为核心，通过蓝牙无线传输协议实现手持移动终端与基站的高速通信。手持移动终端以TMS320VC5402为核心实现系统控制，以TMS320C6713为处理器实现JPEG2000图像编码算法。

　　系统硬件设计

　　硬件结构

　　如图1所示，整个系统采用类似于PC104的栈式结构，主要由LM9267摄像头、图像处理子板和系统控制主板三个部分组成。LM9627模块设计为了提高系统的可扩展性，本系统把摄像头作为单独的一个模块设计，主要包括模拟部分、数据接口和控制接口三个部分。其中J2为数据接口，连接到图像处理子板的FPGA上；J1为控制接口，连接到系统控制主板上。图像处理子板图像处理子板由采集控制协处理器FPGA、C6713和两片“乒乓”工作的SRAM组成。两片视频 采集FPGA芯片EP1C6Q240分别采集奇数帧和偶数帧（每帧包含奇数场和偶数场）图像，每个FPGA对LM9627的视频流进行格式分析，将相应的 RGB分量转换为YUV分量，并以4:1：1的格式存储在SRAM内。两片SRAM以“乒乓”的方式工作，即同一时刻一片用于采集视频图像，另一片用做 DSP的图像缓冲区。两片C6713实现复杂的JPEG2000压缩算法。为了后续的扩展，使得C6713能够处理更大尺寸的图像，每片DSP扩展16MB的SDRAM，SDRAM以100MHz的频率工作，满足图像压缩过程中大量数据交换的要求。

　　

　　图1 系统硬件框图

　　系统控制主板

　　系统控制主板以DSP C5402为核心处理器，主要负责三个任务：通过 控制LM9627摄像头；让多块图像处理子板协调工作，通过MailBox—FIFO读取它们的压缩结果；将读取的压缩结果按照蓝牙协议发送到PC基站。 为了满足高的数据交换速度，主处理器TMS320VC5402以100MHz工作，一边通过MailBox—FIFO读取压缩结果，一边将读取的压缩结果 按照蓝牙协议发送到PC基站，从而实现JPEG2000的实时压缩与解码显示。

　　系统软件设计

　　图像采集软件设计为了让系统做到实时，可通过LM9627的I2C控制总线让它工作在隔行扫描方式，则输出640×480分辨率的图像数据。而场频，则： 帧频 （隔行扫描），行频。本文采用Verilog HDL语言，实现了LM9627的实时图像采集。C6713上JPEG2000算法设计本系统的JPEG2000编码算法在C6713上的开发包括两个阶段。

　　算法实现第一阶段：

　　用C语言模拟DSP的JPEG2000算法，以判断代码的正确性，验证JPEG2000算法的复杂度、可靠性，以及JPEG2000自身的压缩性能。本系 统的JPEG2000编码器包括小波变换（wavelet）、熵编码（MQenc）、码率控制和打包（rateallocation）三个主要模块。 LM9627输出为RGB，把它转化为Y:U：V=4:1：1的视频数据流，分别对三个分量进行DC位移、小波变换、熵编码，然后将三个分量所有码块的编 码流根据码率控制要求进行分层组织，其中包括码流截断操作，编码器的输出即是打包后的分层位流。进行DC电平位移（预处理）的目的是为了在解码时能够从有 符号的数值中正确恢复重构无符号采样值。传统小波变换的运算量相当大，而且往往将8位图像数据变换为浮点型，在编码中引入量化失真，不利于图像数据的无损 压缩，因此JPEG2000主要采用基于UMDFB（抽2取1滤波器组）提升小波算法。其优点在于速度快、运算复杂度低、所需的存储空间少，而且得到的小 波系数与使用传统小波变换得到的结果相同。

　　JPEG2000选用两种滤波器：LeGall5/3滤波器和Daubechies9/7滤波器。考虑到本系统的实时性要求以及无损压缩需求，选用5/3 小波运算。当小波分解级数提高的时候分解系数的能量更为集中，但小波分解级数的提高会使编码效率有所下降，对于本系统，4CIF（704×576）分辨率 采样图像进行5级小波分解，CIF（352×288）图像进行4级小波分解就足够了。由于采用整型模式运算，所有的量化步长均被置为1，即量化过程可以忽略。多分辨率支持可通过小波变换来实现，多失真度支持则可通过熵编码来解决。

　　传统Huffman编码采取依次对每个系数进行熵编码的方式；JPEG2000编码系统则是将小波变换后的子带划分成小的码块，并将码块中的小波系数组织 成若干位平面进行编码。以“位平面”为编码元，有两点好处：可以更好地利用图像局部的统计特性，为随机获取图像压缩位流提供支持；有助于提高压缩码流的抗 误码性能。在进行块编码时，JPEG2000强调多截断点的支持，截断点越多，表明图像可提供更多的质量选择。如果对每个码块仅进行位平面编码，那么对于 数据最高位数为N的块，最多可得到N个截断点。很多时候这种截断是粗糙的而且截断点数目过少。为了获得更多的截断点，EBCOT引入“编码通道”的概念， 将每个位平面进一步分成子位平面（编码通道）。在JPEG2000编码系统中使用三个编码通道：有效性通道、幅度细化通道和清除通道。这样对某个码块Bi 来说，可能的截断点可以有3N个。进行位平面编码时，JPEG2000采用的是快速自适应二进制算术编码。

　　算法实现第二阶段：

　　编写JPEG2000汇编代码，并抽出对性能影响比较大的代码段进一步优化。TMS320C67l3基于TI的VLIW技术，利用VLIW结构设计程序可 以充分利用DSP多个功能单元并行工作的特性。DSP的每一个通道都有四个功能单元（L、S、M、D），每个功能单元负责完成一定的逻辑或者算术运算，另 外A、B两个通道的互访可以通过交叉单元1x、2x完成。TM320C6713的大部分指令都可在单周期内完成，可以直接对8/16/32位数据进行操 作。同时，它最多可以有8条指令并行执行；所有指令均可条件执行。

　　以上所有特点提高了指令的执行效率、减小了代码长度、提高了编码效率。C6713只有两个D单元负责数据存取，在一个时钟周期中最多有两条数据存取指令并 行执行，并且从存储区取数据的LDB/LDH/LDW指令有4个时钟周期的延时，严重影响了CPU的效率。为此在编码时应尽量减少从存储区中取数据的次 数。 例如在小波变换中，我们在对SRAM里的8位采样值数据进行取操作（LDB）时，可以充分利用C6713的32位寄存器，一次从存储区中取地址相邻的4个 8位数（用32位操作指令LDW），然后分别进行运算，这样就充分利用了CPU的资源，减少了4倍的数据存取量。流水线操作是DSP实现高速度、高效率的 关键技术之一。当一条指令的处理已经准备好后到流水线的下一级，但是那一级却还没有准备接收新的输入时，流水线冲突就不可避免。

　　流水线冲突可以分为三大类：跳转冲突、寄存器冲突和存储器冲突。为解决流水线冲突问题，在使用汇编语言时需要特别注意C6000指令的延迟情况，有些指令 并不是立刻就能得到结果。此外，为了保证代码效率，必须提前知道每一条指令的运行周期数，并提前安排该指令或重新调整指令顺序。只有尽量将这些指令的前后 指令放在它们所需的延迟间隙内并行执行，才能达到减少等待周期、提高程序效率的效果。经过C语言模拟算法到全汇编实现的优化，然后再对汇编代码进行优化， 使得系统的性能大大提高。

　　基站的设计

　　PC基站主要由蓝牙接收和上位机JPEG2000解码两个部分组成，其原理如图2所示。而上位机解压软件主要包括LM9627传感器设置和图像采集控制， 前者主要发送从地址和设置值给终端，终端通过 设置LM9627；后者控制系统的图像采集分辨率和压缩比。

　　

　　图2 基站设计

　　测试结果主观图像质量比较由于采取了上述技术，理论上JPEG2000应提供更好的性能和更多的功能，下面通过几组对比数据加以验证。用作参考的JPEG算法是当前业界硬件平台上使用最广泛的压缩算法，测试图片为24位真彩色lenna图。

　　实验采用的压缩性能度量是峰值信噪比（PSNR）：PSNR反映的是图像信噪比变化情况的统计平均，它是目前广泛应用的衡量图像主观质量的方法。由表1的 数据可以得出以下结论：在较高压缩比率情况下，JPEG2000的信噪比均高出JPEG 6~9dB；在高分辨率情况下，JPEG2000的信噪比值下降度低于码率下降度，这意味着，分辨率越高，越能体现JPEG2000的高压缩比性能。当信 噪比低于26dB时，JPEG的重构图由于严重的马赛克效应已经无法分辨，而此时的JPEG2000重构图像虽然在细节部分已经有所损失，但是图像轮廓仍 旧比较明晰。表中“—”表示此时图像质量已经很低，计算的PSNR值不再具有实际意义。系统处理速度本系统在系统控制主板DSP—VC5402的控制下， 让两块图像处理子板稳定可靠地并行工作，具体测试结果如表2所示。

　　结语

　　本系统以低成本实现了高质量的图像压缩功能，具有广泛的应用价值。主要应用领域可概略分成两部分：一为传统的JPEG市场，像打印机、扫描仪和数码相机 等，一为新兴的应用领域，像网络传输、无线通信和医疗图像等。由于早先的Motion JPEG不提供无损模式，未能广泛应用到视频编码领域。而本系统所采用的JPEG2000算法结合DSP系统的高效率处理性能，能够很好地把静态图像压缩技术引入视频编码领域。