系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整個(gè)系統(tǒng)主要由n臺(tái)PC基站、m×n臺(tái)手持移動(dòng)終端(每臺(tái)PC基站負(fù)責(zé)m臺(tái)手持移動(dòng)終端)組成。其中PC基站以USB2.0為核心，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)手持移動(dòng)終端與基站的高速通信。手持移動(dòng)終端以TMS320VC5402為核心實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，以TMS320C6713為處理器實(shí)現(xiàn)JPEG2000圖像編碼算法。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
硬件結(jié)構(gòu)
如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)采用類似于PC104的棧式結(jié)構(gòu)，主要由LM9627攝像頭、圖像處理子板和系統(tǒng)控制主板三個(gè)部分組成。LM9627模塊設(shè)計(jì)為了提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，本系統(tǒng)把攝像頭作為單獨(dú)的一個(gè)模塊設(shè)計(jì)，主要包括模擬部分、數(shù)據(jù)接口和控制接口三個(gè)部分。其中J2為數(shù)據(jù)接口，連接到圖像處理子板的FPGA上
；J1為控制接口，連接到系統(tǒng)控制主板上。圖像處理子板圖像處理子板由采集控制協(xié)處理器FPGA、C6713和兩片“乒乓”工作的SRAM組成。兩片視頻采集FPGA芯片EP1C6Q240分別采集奇數(shù)幀和偶數(shù)幀(每幀包含奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng))圖像，每個(gè)FPGA對(duì)LM9627的視頻流進(jìn)行格式分析，將相應(yīng)的RGB分量轉(zhuǎn)換為YUV分量，并以4:1:1的格式存儲(chǔ)在SRAM內(nèi)。兩片SRAM以“乒乓”的方式工作，即同一時(shí)刻一片用于采集視頻圖像，另一片用做DSP的圖像緩沖區(qū)。兩片C6713實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的JPEG2000壓縮算法。為了后續(xù)的擴(kuò)展，使得C6713能夠處理更大尺寸的圖像，每片DSP擴(kuò)展16MB的SDRAM，SDRAM以100MHz的頻率工作，滿足圖像壓縮過(guò)程中大量數(shù)據(jù)交換的要求。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
系統(tǒng)控制主板
系統(tǒng)控制主板以DSP C5402為核心處理器，主要負(fù)責(zé)三個(gè)任務(wù)：通過(guò) 控制LM9627攝像頭；讓多塊圖像處理子板協(xié)調(diào)工作，通過(guò)MailBox—FIFO讀取它們的壓縮結(jié)果；將讀取的壓縮結(jié)果按照藍(lán)牙協(xié)議發(fā)送到PC基站。為了滿足高的數(shù)據(jù)交換速度，主處理器TMS320VC5402以100MHz工作，一邊通過(guò)MailBox—FIFO讀取壓縮結(jié)果，一邊將讀取的壓縮結(jié)果按照藍(lán)牙協(xié)議發(fā)送到PC基站，從而實(shí)現(xiàn)JPEG2000的實(shí)時(shí)壓縮與解碼顯示。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
圖像采集軟件設(shè)計(jì)為了讓系統(tǒng)做到實(shí)時(shí)，可通過(guò)LM9627的I2C控制總線讓它工作在隔行掃描方式，則輸出640×480分辨率的圖像數(shù)據(jù)。而場(chǎng)頻，則：幀頻 (隔行掃描)，行頻。本文采用Verilog HDL語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了LM9627的實(shí)時(shí)圖像采集。C6713上JPEG2000算法設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的JPEG2000編碼算法在C6713上的開(kāi)發(fā)包括兩個(gè)階段。
算法實(shí)現(xiàn)第一階段：
用C語(yǔ)言模擬DSP的JPEG2000算法，以判斷代碼的正確性，驗(yàn)證JPEG2000算法的復(fù)雜度、可靠性，以及JPEG2000自身的壓縮性能。本系統(tǒng)的JPEG2000編碼器包括小波變換(wavelet)、熵編碼(MQenc)、碼率控制和打包(rateallocation)三個(gè)主要模塊。LM9627輸出為RGB，把它轉(zhuǎn)化為Y:U:V=4:1:1的視頻數(shù)據(jù)流，分別對(duì)三個(gè)分量進(jìn)行DC位移、小波變換、熵編碼，然后將三個(gè)分量所有碼塊的編碼流根據(jù)碼率控制要求進(jìn)行分層組織，其中包括碼流截?cái)嗖僮鳎幋a器的輸出即是打包后的分層位流。進(jìn)行DC電平位移(預(yù)處理)的目的是為了在解碼時(shí)能夠從有符號(hào)的數(shù)值中正確恢復(fù)重構(gòu)無(wú)符號(hào)采樣值。傳統(tǒng)小波變換的運(yùn)算量相當(dāng)大，而且往往將8位圖像數(shù)據(jù)變換為浮點(diǎn)型，在編碼中引入量化失真，不利于圖像數(shù)據(jù)的無(wú)損壓縮，因此JPEG2000主要采用基于UMDFB(抽2取1濾波器組)提升小波算法。其優(yōu)點(diǎn)在于速度快、運(yùn)算復(fù)雜度低、所需的存儲(chǔ)空間少，而且得到的小波系數(shù)與使用傳統(tǒng)小波變換得到的結(jié)果相同。
JPEG2000選用兩種濾波器：LeGall5/3濾波器和Daubechies9/7濾波器。考慮到本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求以及無(wú)損壓縮需求，選用5/3小波運(yùn)算。當(dāng)小波分解級(jí)數(shù)提高的時(shí)候分解系數(shù)的能量更為集中，但小波分解級(jí)數(shù)的提高會(huì)使編碼效率有所下降，對(duì)于本系統(tǒng)，4CIF(704×576)分辨率采樣圖像進(jìn)行5級(jí)小波分解，CIF(352×288)圖像進(jìn)行4級(jí)小波分解就足夠
了。由于采用整型模式運(yùn)算，所有的量化步長(zhǎng)均被置為1，即量化過(guò)程可以忽略。多分辨率支持可通過(guò)小波變換來(lái)實(shí)現(xiàn)，多失真度支持則可通過(guò)熵編碼來(lái)解決。
傳統(tǒng)Huffman編碼采取依次對(duì)每個(gè)系數(shù)進(jìn)行熵編碼的方式；JPEG2000編碼系統(tǒng)則是將小波變換后的子帶劃分成小的碼塊，并將碼塊中的小波系數(shù)組織成若干位平面進(jìn)行編碼。以“位平面”為編碼元，有兩點(diǎn)好處：可以更好地利用圖像局部的統(tǒng)計(jì)特性，為隨機(jī)獲取圖像壓縮位流提供支持；有助于提高壓縮碼流的抗誤碼性能。在進(jìn)行塊編碼時(shí)，JPEG2000強(qiáng)調(diào)多截?cái)帱c(diǎn)的支持，截?cái)帱c(diǎn)越多，表明圖像可提供更多的質(zhì)量選擇。如果對(duì)每個(gè)碼塊僅進(jìn)行位平面編碼，那么對(duì)于數(shù)據(jù)最高位數(shù)為N的塊，最多可得到N個(gè)截?cái)帱c(diǎn)。很多時(shí)候這種截?cái)嗍谴植诘亩医財(cái)帱c(diǎn)數(shù)目過(guò)少。為了獲得更多的截?cái)帱c(diǎn)，EBCOT引入“編碼通道”的概念，將每個(gè)位平面進(jìn)一步分成子位平面(編碼通道)。在JPEG2000編碼系統(tǒng)中使用三個(gè)編碼通道:有效性通道、幅度細(xì)化通道和清除通道。這樣對(duì)某個(gè)碼塊Bi來(lái)說(shuō)，可能的截?cái)帱c(diǎn)可以有3N個(gè)。進(jìn)行位平面編碼時(shí)，JPEG2000采用的是快速自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼。
算法實(shí)現(xiàn)第二階段
編寫JPEG2000匯編代碼，并抽出對(duì)性能影響比較大的代碼段進(jìn)一步優(yōu)化。TMS320C67l3基于TI的VLIW技術(shù)，利用VLIW結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序可以充分利用DSP多個(gè)功能單元并行工作的特性。DSP的每一個(gè)通道都有四個(gè)功能單元(L、S、M、D)，每個(gè)功能單元負(fù)責(zé)完成一定的邏輯或者算術(shù)運(yùn)算，另外A、B兩個(gè)通道的互訪可以通過(guò)交叉單元1x、2x完成。TM320C6713的大部分指令都可在單周期內(nèi)完成，可以直接對(duì)8/16/32位數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。同時(shí)，它最多可以有8條指令并行執(zhí)行；所有指令均可條件執(zhí)行。
以上所有特點(diǎn)提高了指令的執(zhí)行效率、減小了代碼長(zhǎng)度、提高了編碼效率。C6713只有兩個(gè)D單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存取，在一個(gè)時(shí)鐘周期中最多有兩條數(shù)據(jù)存取指令并行執(zhí)行，并且從存儲(chǔ)區(qū)取數(shù)據(jù)的LDB/LDH/LDW指令有4個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)，嚴(yán)重影響了CPU的效率。為此在編碼時(shí)應(yīng)盡量減少?gòu)拇鎯?chǔ)區(qū)中取數(shù)據(jù)的次數(shù)。 例如在小波變換中，我們?cè)趯?duì)SRAM里的8位采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行取操作(LDB)時(shí)，可以充分利用C6713的32位寄存器，一次從存儲(chǔ)區(qū)中取地址相鄰的4個(gè)8位數(shù)(用32位操作指令LDW)，然后分別進(jìn)行運(yùn)算，這樣就充分利用了CPU的資源，減少了4倍的數(shù)據(jù)存取量。流水線操作是DSP實(shí)現(xiàn)高速度、高效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)一條指令的處理已經(jīng)準(zhǔn)備好后到流水線的下一級(jí)，但是那一級(jí)卻還沒(méi)有準(zhǔn)備接收新的輸入時(shí)，流水線沖突就不可避免。
流水線沖突可以分為三大類：跳轉(zhuǎn)沖突、寄存器沖突和存儲(chǔ)器沖突。為解決流水線沖突問(wèn)題，在使用匯編語(yǔ)言時(shí)需要特別注意C6000指令的延遲情況，有些指令并不是立刻就能得到結(jié)果。此外，為了保證代碼效率，必須提前知道每一條指令的運(yùn)行周期數(shù)，并提前安排該指令或重新調(diào)整指令順序。只有盡量將這些指令的前后指令放在它們所需的延遲間隙內(nèi)并行執(zhí)行，才能達(dá)到減少等待周期、提高程序效率的效果。經(jīng)過(guò)C語(yǔ)言模擬算法到全匯編實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化，然后再對(duì)匯編代碼進(jìn)行優(yōu)化，使得系統(tǒng)的性能大大提高。
基站的設(shè)計(jì)
PC基站主要由藍(lán)牙接收和上位機(jī)JPEG2000解碼兩個(gè)部分組成，其原理如圖2所示。而上位機(jī)解壓軟件主要包括LM9627傳感器設(shè)置和圖像采集控制，前者主要發(fā)送從地址和設(shè)置值給終端，終端通過(guò) 設(shè)置LM9627；后者控制系統(tǒng)的圖像采集分辨率和壓縮比。
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bsp; 圖2 基站設(shè)計(jì)
測(cè)試結(jié)果主觀圖像質(zhì)量比較由于采取了上述技術(shù)，理論上JPEG2000應(yīng)提供更好的性能和更多的功能，下面通過(guò)幾組對(duì)比數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。用作參考的JPEG算法是當(dāng)前業(yè)界硬件平臺(tái)上使用最廣泛的壓縮算法，測(cè)試圖片為24位真彩色lenna圖。
實(shí)驗(yàn)采用的壓縮性能度量是峰值信噪比(PSNR)：PSNR反映的是圖像信噪比變化情況的統(tǒng)計(jì)平均，它是目前廣泛應(yīng)用的衡量圖像主觀質(zhì)量的方法。由表1的數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：在較高壓縮比率情況下，JPEG2000的信噪比均高出JPEG 6~9dB；在高分辨率情況下，JPEG2000的信噪比值下降度低于碼率下降度，這意味著，分辨率越高，越能體現(xiàn)JPEG2000的高壓縮比性能。當(dāng)信噪比低于26dB時(shí)，JPEG的重構(gòu)圖由于嚴(yán)重的馬賽克效應(yīng)已經(jīng)無(wú)法分辨，而此時(shí)的JPEG2000重構(gòu)圖像雖然在細(xì)節(jié)部分已經(jīng)有所損失，但是圖像輪廓仍舊比較明晰。表中“—”表示此時(shí)圖像質(zhì)量已經(jīng)很低，計(jì)算的PSNR值不再具有實(shí)際意義。系統(tǒng)處理速度本系統(tǒng)在系統(tǒng)控制主板DSP—VC5402的控制下，讓兩塊圖像處理子板穩(wěn)定可靠地并行工作，具體測(cè)試結(jié)果如表2所示。
結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)以低成本實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的圖像壓縮功能，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。主要應(yīng)用領(lǐng)域可概略分成兩部分：一為傳統(tǒng)的JPEG市場(chǎng)，像打印機(jī)、掃描儀和數(shù)碼相機(jī)等，一為新興的應(yīng)用領(lǐng)域，像網(wǎng)絡(luò)傳輸、無(wú)線通信和醫(yī)療圖像等。由于早先的Motion JPEG不提供無(wú)損模式，未能廣泛應(yīng)用到視頻編碼領(lǐng)域。而本系統(tǒng)所采用的JPEG2000算法結(jié)合DSP系統(tǒng)的高效率處理性能，能夠很好地把靜態(tài)圖像壓縮技術(shù)引入視頻編碼領(lǐng)域。