基于DSP的JPEG視頻壓縮系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1 引言
??? 隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，視覺(jué)通信的重要性和需求急劇增加，如桌面視頻會(huì)議、移動(dòng)終端、基于因特網(wǎng)的視頻通信等。這些視覺(jué)信息內(nèi)涵豐富，但數(shù)據(jù)量大，必須壓縮數(shù)據(jù)。但采用多種方法壓縮圖像數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量仍然巨大，這就對(duì)計(jì)算機(jī)處理速度、傳輸介質(zhì)、傳輸方法和存儲(chǔ)介質(zhì)提出較高要求。因此，數(shù)據(jù)壓縮作為數(shù)據(jù)圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)研究圖像壓縮編碼技術(shù)具有重要價(jià)值。
??? 嵌入式微處理器中，DSP具有靈活、高速、便于嵌入式應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，特別適合復(fù)雜算法處理的應(yīng)用。數(shù)字視頻圖像壓縮系統(tǒng)利用DSP作為其嵌入式平臺(tái)，充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，較好地提高編碼效率，滿足圖像實(shí)時(shí)處理需要。因此，這里介紹一種基于TMS320VC5509A型DSP的視頻壓縮系統(tǒng)。

2 靜止圖像的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG
??? JPEG(Joint Photographic Experts Group)是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提出面向靜止圖像編碼的標(biāo)準(zhǔn)，其處理方法依次使用離散余弦變換、量化、Z行掃描、游程編碼和不變字長(zhǎng)編碼。JPEG算法定義了以下4種運(yùn)行模式：
??? (1)基于DCT順序型模式按照從左到右、從上到下的順序?qū)D像進(jìn)行掃描和編碼，稱為基本系統(tǒng)。
??? (2)基于DCT遞增模式 按照從粗到細(xì)的順序?qū)σ环鶊D像進(jìn)行編碼，適用于傳輸時(shí)間長(zhǎng)、用戶喜歡圖像從粗糙到清晰的場(chǎng)合。
??? (3)無(wú)失真編碼模式保證重建圖像與原始圖像完全相同。
??? (4)分層編碼 采用各種分辨率對(duì)圖像進(jìn)行編碼。
??? 該系統(tǒng)采用基本系統(tǒng)模式。圖1是JPEG的編碼框圖。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??? 該視頻壓縮系統(tǒng)直接與PAL制攝像頭的輸出端相連，來(lái)采集、預(yù)處理和壓縮現(xiàn)場(chǎng)圖像，再以USB或RS232方式將處理后的圖像數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。圖2為視頻壓縮系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

??? 該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以TI公司的TMS320VC5509A型數(shù)字信號(hào)處理器為核心，包括視頻采集電路、FPGA預(yù)處理電路、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、系統(tǒng)電源和看門(mén)狗電路等。系統(tǒng)中TMS320VC5509A為中央處理器；SDRAM為DSP外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；Flash為程序存儲(chǔ)器，用于系統(tǒng)上電自舉；模擬攝像頭與視頻 A／D轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)視頻圖像采集；FPGA用于地址譯碼、隔行運(yùn)算，控制兩片SRAM用于緩存視頻A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字圖像。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本考慮，這里選用Altera公司的可編程邏輯器件EPIC6Q240C8型FPGA。該器件是Cyclone系列器件中一款非BGA封裝的可用I／O引腳最多的 FPGA。

3．1 視頻采集電路
??? 該系統(tǒng)選用的視頻解碼器為Philip公司的高性能視頻A／D轉(zhuǎn)換器SAA7111。該器件是一款廣泛應(yīng)用于桌面視頻、多媒體、數(shù)字電視、圖像處理、視頻電話的高性能視頻輸入處理器件。該器件采用3．3 V的CMOS電路，高度集成模擬前端和數(shù)字視頻編碼器；包括2路模擬視頻處理通道，1個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，1個(gè)自動(dòng)箝位和自動(dòng)增益控制電路，1個(gè)多制式數(shù)字解碼器，1個(gè)亮度／對(duì)比度／飽和度控制電路，以及色彩空間矩陣。SAA7111輸出為16位VPO總線，支持不同位寬的數(shù)據(jù)輸出格式。SAA7111支持的輸出格式包括：12位YUV411，16位YUV4：2：2，8位CCIR-656、16位565RGB以及24位的888RGB。圖3為視頻采集電路。

3．2 存儲(chǔ)器選型
??? 選擇存儲(chǔ)器應(yīng)從以下方面考慮：首先圖像壓縮算法中間數(shù)據(jù)量大，要求處理器的片上內(nèi)存盡可能大，盡量避免對(duì)外部存儲(chǔ)器讀寫(xiě)操作。VC5509A的片上存儲(chǔ)器包括32 Kx16位DARAM，96 Kx16位SARAM，共128 K位的存儲(chǔ)空間。其中DARAM為雙地址，在每個(gè)周期內(nèi)可以對(duì)其進(jìn)行兩次操作(2次讀，兩次寫(xiě)，一次讀和一次寫(xiě))，這樣大大增加片上存儲(chǔ)器的利用率；其次，VC5509A片上資源豐富，包括I2C總線(多主從接口)，3個(gè)McBSPs(1個(gè)與多媒體卡／數(shù)字加密卡MMC/SD串行接口復(fù)用引腳)。利用 FC總線對(duì)SAA7111的片內(nèi)控制寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，非常方便實(shí)時(shí)控制SAA711 1的工作狀態(tài)；利用McBSP配合DMA，軟件編程實(shí)現(xiàn)UART功能，無(wú)需專門(mén)的硬件UART，從而節(jié)省電路板空間：VC5509A采用144引腳 LQFP封裝，便于安裝、調(diào)試；VC5509A功耗小，工作在200 MHz主頻下，功耗僅100 mW，非常適合嵌入式應(yīng)用。
3．3 DSP供電電源電路
??? DSP基本系統(tǒng)由獨(dú)立的電源系統(tǒng)供電，而硬件平臺(tái)的其他器件共用另一套電源供電系統(tǒng)。為了降低系統(tǒng)功耗，DSP一般采用低電壓供電．并且采用I／O和 CPU內(nèi)核分開(kāi)供電方式。VC5509A不同的工作頻率要求不同的核電壓，200 MHz為1．6 V，144 MHz為1．35 V，108 MHz為1．2 V。DSP的I／O電壓為3．3 V。
??? DSP供電電源電路如圖4所示。選用TI公司的兩款LDO電源器件TPS76801和TPS75833分別為DSP提供內(nèi)核電壓和I／O電壓。

TPS76801能給CPU內(nèi)核提供最大1 A的電流，電壓在1．2～3 V范圍內(nèi)可調(diào)。

??? 調(diào)整TPS76801的輸入電阻值得到1．6 V，1．35 V，1．2 V的核電壓，DSP相應(yīng)工作在200 MHz，144 MHz，108 MHz的頻率下。而TPS75833能提供最高3 A的I／O電流，對(duì)于低功耗的TMS320VC5509A，這已足夠保證其工作在最大負(fù)荷狀態(tài)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要功能是實(shí)時(shí)采樣現(xiàn)場(chǎng)的視頻信號(hào)，然后對(duì)網(wǎng)像數(shù)據(jù)編碼壓縮并通過(guò)USB總線或RS232串口將圖像數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示，該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可分為系統(tǒng)初始化、圖像采集、壓縮編碼和數(shù)據(jù)傳輸4個(gè)主要模塊。

??? 系統(tǒng)上電后，DSP首先初始化，初始化主要包括：通過(guò)I2C總線初始化SAA7111，設(shè)置其工作模式；空間分配，EMIF的配置以保證外部存儲(chǔ)器的正常訪問(wèn)；配置USB模塊；設(shè)定DMA通道以及設(shè)定外部中斷。然后DSP等待FPGA的中斷。當(dāng)DSP接收到FPGA的中斷后，DSP設(shè)定標(biāo)志寄存器，啟動(dòng) DMA讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行編碼。當(dāng)編碼結(jié)束后，DSP把數(shù)據(jù)交付USB模塊，通過(guò)USB總線傳送至上位機(jī)，同時(shí)DSP向FPGA發(fā)送空閑信號(hào)，通知FPGA 繼續(xù)發(fā)送下一幀。

5 JPEG優(yōu)化
??? JPEG算法在DSP上實(shí)現(xiàn)需要解決編碼速度問(wèn)題。片上內(nèi)存資源的有限性使得大部分的程序代碼和數(shù)據(jù)不得不放在片外，大量的圖像數(shù)據(jù)在慢速的SDRAM存儲(chǔ)器中，對(duì)其訪問(wèn)和算術(shù)運(yùn)算是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。因此，應(yīng)從內(nèi)存分配和代碼優(yōu)化兩個(gè)方面來(lái)優(yōu)化程序，提高編碼效率。
5．1 數(shù)據(jù)內(nèi)存優(yōu)化
??? 由于VC5509A的片上存儲(chǔ)器包括32 Kx16位DARAM，96 Kx16位SARAM，共128 K位的存儲(chǔ)空間。其中DARAM為雙訪問(wèn)內(nèi)存，即在一個(gè)周期內(nèi)可完成兩次數(shù)據(jù)訪問(wèn)，SARAM為單訪問(wèn)內(nèi)存，即在一個(gè)周期內(nèi)只能完成一次數(shù)據(jù)訪問(wèn)，片外內(nèi)存為擴(kuò)展的SDRAM，訪問(wèn)其需要額外的等待時(shí)間，執(zhí)行效率比較低。因此在算法設(shè)計(jì)中應(yīng)合理安排內(nèi)存分配，盡量將訪問(wèn)頻繁的程序代碼和數(shù)據(jù)放在片內(nèi)內(nèi)存中，特別是DARAM中，可以提高編碼效率。

5．2 C代碼優(yōu)化
??? 在JPEG的編碼中，根據(jù)VC5509A結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及結(jié)合圖像數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，提高編碼效率，考慮程序編寫(xiě)和優(yōu)化如下：
??? (1)利用編譯器優(yōu)化，開(kāi)啟編譯器的優(yōu)化選項(xiàng)，包括基本優(yōu)化、文件級(jí)優(yōu)化和程序級(jí)優(yōu)化。
??? (2)使用本征(intrinsics)函數(shù)，C55x提供了一種特殊函數(shù)一本征函數(shù)，可迅速優(yōu)化C代碼。本征甬?dāng)?shù)前有個(gè)下劃線“一”，調(diào)用方法和普通函數(shù)相同。
??? (3)使用圖像庫(kù)，TI提供基于C55x的圖像庫(kù)IMGLIB，庫(kù)中都是圖像處理常用的函數(shù)，而且可以用C語(yǔ)言調(diào)用，匯編優(yōu)化好，執(zhí)行效率高，因此盡量用庫(kù)函數(shù)。在JPEG編碼中比較關(guān)鍵的是DCT變換可調(diào)用庫(kù)函數(shù)中的IMG_sw_fdct_8x8(short*fdct_data，short， *inter_buffer)，該函數(shù)完成一次DCT變換需用1 078個(gè)時(shí)鐘周期。大大提高JPEG的編碼效率。
??? (4)高效使用MAC硬件，C55x有專門(mén)的硬件高效執(zhí)行MAC運(yùn)算。一個(gè)周期中可以執(zhí)行一個(gè)單乘加或一個(gè)雙乘加(dual-MAC)運(yùn)算。
??? (5)使用特殊數(shù)據(jù)類型(register類型、volatile類型、const類型)，對(duì)于需要多次重復(fù)訪問(wèn)的變量，如for循環(huán)中的變量值，一般可設(shè)置為register型變量。聲明變量為register型能提高效率，但必須小心使用。在某些編譯器中，優(yōu)化器會(huì)自動(dòng)分配一些變量為register 型。
??? (6)減少判斷循環(huán)，在使用判斷方式選取控制語(yǔ)句時(shí)應(yīng)盡量減少判斷轉(zhuǎn)移。DSP多采用流水線結(jié)構(gòu)。由于TMS320C55X采用7級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，頻繁的轉(zhuǎn)移指令使得流水線難以發(fā)揮作用。
??? 另外。DSP的大多數(shù)指令為單周期指令，但轉(zhuǎn)移類指令卻通常要耗費(fèi)較多的機(jī)器周期。因此，應(yīng)盡可能減少程序中的轉(zhuǎn)移分支，以提高程序的效率。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
6．1 壓縮效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果
??? 通過(guò)改變量化因子Q，改變圖像的壓縮比。壓縮比越大，壓縮過(guò)程中的視覺(jué)損失越大，壓縮后的圖片越不清晰。圖6為采用不同的量化因子Q的壓縮前后效果比較圖。其中，圖6a為未壓縮，大小57．4 KB的原始BMP圖像，圖6b為壓縮后大小為5．18 KB的圖像，圖6c為壓縮后大小5．18 KB的圖像。由圖知，壓縮后的圖像與原始圖像在視覺(jué)效果上相差不大。當(dāng)Q=50時(shí)，壓縮后圖像所需存儲(chǔ)空間僅為原圖像的1／14。

6．2 壓縮耗時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
??? 對(duì)于一個(gè)8x8數(shù)據(jù)塊，各步耗時(shí)如下：分塊：1．335μs；DCT變換：5． 39μs；量化：1．355μs；哈夫曼編碼：3．375μs。說(shuō)明一個(gè)8x8數(shù)據(jù)塊總耗時(shí)為11．455μs，一幀720x576灰度圖像的壓縮總耗時(shí)為90x72x11．455=74 228．4μs，再加上其他輔助操作，實(shí)際耗時(shí)約75 ms。根據(jù)上述結(jié)果，在1 s內(nèi)向上位機(jī)發(fā)送13幀720x576的灰度圖像，基本滿足系統(tǒng)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)
??? 介紹基于TMS320VC5509A DSP的JPEG視頻壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用DSP+FPGA的方案，充分發(fā)揮了各自優(yōu)勢(shì)；而軟件設(shè)計(jì)針對(duì)C55x的結(jié)構(gòu)進(jìn)行程序結(jié)構(gòu)和算法優(yōu)化，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證達(dá)到較好的實(shí)時(shí)效果。由于該系統(tǒng)體積小、功耗低，適用于一些野外圖像采集、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等需要連續(xù)傳輸圖像的場(chǎng)合。