摘要 通過程序結構的調整，編碼結構的優化及代碼的匯編級優化，完成編碼器的DSP高效實現。實驗結果表明，優化后的編碼器降低了運算復雜度，提高了CCSDS圖像壓縮算法的實時性。
關鍵詞 CCSDS；Blackfin533；編碼器；優化
空間數據咨詢會(CCSDS)于2005年11月提出的針對空間應用的CCSDS圖像壓縮算法，具有良好的圖像壓縮性能和抗誤碼能力，同時算法復雜度較低。但在具體硬件實現時，仍不能夠滿足實時高效的要求，因此，必須對該算法的硬件實現進行改進和優化。文中針對這一問題，提出編碼優化方案，提高算法的實時性。采用ADI公司的Blackfin533芯片以及Visual DSP++5．0仿真平臺，是實現CCSDS編碼器的有效途徑。
1 編碼優化
文中采用CCSDS圖像壓縮算法編、解碼的C程序源代碼。通過以下幾個方面實現優化：調整程序結構；編碼結構的優化；代碼的匯編級優化。
1．1 程序結構調整
選用的源代碼是符合CCSDS圖像壓縮算法標準流程的編、解碼器源代碼，代碼容量約為326 kB，對于實時圖像壓縮，其中含有大量的冗余代碼，而所用芯片的64 kB指令存儲器是遠遠滿足不了要求的，因此，要將CCSDS源代碼移植到DSP上，就必須調整程序結構，去掉冗余代碼，降低程序所占內存。
(1)刪除與編碼無關的代碼。(2)刪除冗余判斷。(3)刪除不必要的中間變量。(4)改寫編碼主函數。
經過以上優化，代碼容量降低為56 kB，這樣，所選用的Blackfin533芯片的L1指令存儲器就足以容納，而無需利用高速Cache和DMA進行指令的傳輸，提高了編碼效率。
1．2 主要函數和數據的優化
在以上優化的基礎上，采用Blackfin533芯片對Lena圖像進行壓縮，壓縮比率為8：1，時間為3425 ms，遠達不到實時性的要求。因此，還需對編碼結構和算法進行改進，以提高編碼速度。
(1)編碼選項的選取。
在CCSDS圖像壓縮算法中有多種編碼供選取，增大了算法的靈活性，但也增加了算法硬件實現的復雜度，并且這些編碼選項在實現時存在大量判斷語句。一般情況下，判斷分支會打斷DSP指令運行的流水線，從而影響編碼運行時間。所以在進行DSP移植時應進行編碼選項。
1)編碼段大小S的選取：如圖l所示，S>64時，重建圖像的客觀質量增加趨于平緩，所以在實現時選擇S大小為64，這樣一個編碼段所需的編碼原數據存儲量為8kB，從而可以保證對編碼段的編碼過程在數據存儲器L1中完成，而無需Cache和DMA在各級存儲器之間轉移數據，提高了編碼效率。
2)DC系數編碼選項k的選取：標準中提供了最優化和啟發式兩種k值選擇方式，文中選擇復雜度較低的啟發式選取方案。
(2)程序級優化。
1)Blackfin533是16位定點DSP處理器，而在源代碼中使用的是浮點DWT，移植在定點DSP中運行需要大量時間。測試結果表明：對512× 512的圖像進行浮點DWI變換耗時3000 ms以上，影響了CCSDS圖像壓縮算法的編碼效率。因此在實現過程中，采用定點化的方法實現浮點DWT，并最終匯編化，使對圖像進行浮點DWT處理的時間降低到12 ms以下。
2)源代碼中有大量數組類型的指針變量，其緩沖區是通過malloc和calloc等函數進行動態分配的，這樣會占用大量的編碼時間和可能會導致內存泄露以及導致DMA數組傳輸錯誤等問題，所以在實現過程中，由于所需編碼的圖像信息是可以事先得知的，于是可用靜態數組來代替動態申請的數組，這樣不僅指定了分配的位置，便于DMA傳輸，還縮短了編碼時間。
3)編碼塊的數據格式選取：源代碼中是將一個編碼塊按照二維數組的格式進行存儲的，即8×8的格式。在實現過程中發現，DC系數編碼及AC系數字的映射過程對二維數組的索引取值耗時很長，因此可以將編碼塊改成一維數組，即1×64的組織形式，這樣在實現過程中可以減少編碼時間。
4)用查表法代替大量的判斷分支：AC系數熵編碼函數RiceCoding中有大量的分支判斷語句，占據大量的編碼時間，用查表法替換這里的分支判斷語句，可以使函數的編碼時間減少80％以上。此外，CCSDS編碼器代碼中的大量分支判斷語句和RiceCoding函數一樣，也可用查表法實現。這正是以空間換時間的典型應用。
5)在源代碼中，為了節省存儲器空間，在結構中使用了位域，但Blackfin 533在處理位域操作時效率極低，若將位域類型改為char或sh-ort類型，雖然在一定程度上增加了編碼時所需的存儲容量，但卻能夠明顯縮短編碼時間。
6)碼流輸出函數BitsOutput的功能是輸出指定位數的數據到碼流文件，在源代碼中占到總編碼時間的約1／5。據統計，在壓縮比率為8：1的 Lena圖時，程序調用BitsOutput函數達14萬多次。若將該函數改為32位的形式輸出，并通過移位方式進行碼流輸出以及在程序中減少該函數調用的方法進行優化，可使其占用周期減少到原來的20％。另外，編碼時只輸出一位的情況很多，將這些地方換成單獨的函數可進一步減少編碼時間；
7)循環優化：保持循環體內代碼簡單，減少分支判斷。避免循環中依賴前次循環的數據，這樣可以實現并行處理。內外循環合并，可以使優化器專注于內循環。減少數據跨切層數。利用Blackfin533的零開銷循環，將代碼中的循環層數控制在兩層以內。
(3)匯編級優化。
通過以上方式進行的CCSDS編碼器的優化，使得圖像編碼的時間縮短，但是，這樣實現的算法運行效率還是比較低，這是因為所有的代碼都是由C語言編寫的，并沒有完全利用DSP的各種性能。因此必須結合DSP本身的特點，對其進一步優化，才能使CCSDS高效的對圖像進行編碼。
C語言匯編化的優化方法有：
(1)節省寄存器資源。Blackfin提供了8個32位數據寄存器及一系列地址寄存器。對于這些寄存器，應盡可能做到一個寄存器多次使用，同時盡量使用較短的數據類型。
(2)利用指令的流水線結構，盡量展開C語言中的循環體，減少分支判斷，盡量減少流水線的打斷。
(3)使用并行指令。大多數指令都存在相應的可并行的指令，如一條運算指令可以并行兩條數據讀取指令。使用并行指令可以成倍地提高代碼的執行速度。
(4)將除法轉化為乘法或查表實現。Blackfin中提供了乘法器但沒有除法器，執行除法指令將花費幾十甚至上百個指令周期，因此將除法轉化為乘法或查表，可減少這種開銷。
(5)使用專用指令。Blackfin533提供了大量的圖像視頻專用指令，通過使用這些指令，能在很大程度上提高代碼的執行效率。
2 優化結果
選用Lena圖像和Area圖像在壓縮比率為8的情況下進行測試，測試結果如表1所示，可見文中的優化方案可將編碼時間由原來的3 425 ms優化至48 ms，時間節省98．6％，提高了CCSDS圖像壓縮算法編碼的實時性能。
3 結束語
文中首先介紹了CCSDS算法結構的一般流程，接著針對編碼器的DSP移植提出了優化方案，包括算法編碼選項的選取優化、系統級優化、程序級優化以及匯編優化，最后給出了對比結果。可見，文中提出的優化方法縮短了編碼時間，提高了算法效率。
