TMS320C5409实现JPEG图像压缩系统设计
系为:
D0=I0+I1
O1=I0-I1
需要2次加法完成,倍乘因子的输入/输出关系比较简单:,只需1次乘法,旋转因子的运算关系为:
只需要3次乘法、3次加法。其中,
和差都是已知系数,可通过查表获得。
由此计算可知,一个8点DCT的Loeffler算法共需要11次乘法和29次加法。从DSP汇编语言编程的角度来看,一个代数运算应包括取操作数、运算、存操作数三个步骤。因此,该算法大约需要120条指令。C5409的运算能力很强,支持单周期加/减法和单周期乘法运算,并且能够在单周期内完成两个16位数的加/减法运算,再加上DSP中有3组数据总线,因而可以利用长操作数(32位)进行长字运算。在长字指令中,给出的地址存取的总是高16位操作数,因而只需5条长字指令即可计算2个蝶形运算。加上采取其它优化措施,大约需90条指令完成Loeffler算法。
虽然Loeffler算法运算量最小,但是运用于本文系统并不是最优。因为该算法是为高级语言设计,没有利用汇编语言的特点和DSP硬件的特点。本文提出了基于DSP乘法累加单元的DCT快速算法。
DSP的乘法累加单元能在单周期内完成一次乘法和一次累加运算。如汇编指令运用于DCT运算,将大大简化程序的复杂度并减少计算时间。具体算法如下,利用蝶形运算:
从上面表达式可以看出,y(0)-y(7)都是乘法累加运算,而s0-s7可由x(0)一x(7)经过蝶形运算得到,因此,DCT算法由原来的4级运算变成两级,即第一级蝶形运算和第二级乘法累加运算,第一级蝶形运算共要10+4=14(10次计算操作和4次辅助操作)条指令,第二级运算中,每个输出要4+1+1=6条指令(做4次乘法累加运算、1次读取操作和1次存储操作),一共48条指令,这样,计算一个8点DCT要62条指令,大大缩减了运算时间,提高了CPU的工作效率,增强系统的实时性。
量化运算优化
本文提出了基于实际情况的自适应量化方法,即量化阶段采用二次计算的方法,其算法主要分为两步:(1)对变换后的图像系数进行自适应处理;(2)构造新的量化表。具体方法如下:
首先求出亮度分量和两个色度分量在频域中所有8×8子块的63个交流系数绝对值的平均值P(u,v),其中,u,v=0…7为位置信息。接下来求出163个交流系数平均值中的最大值,Z1(u,v)=MAX[P1(u,v)],最后将63个交流系数平均值进行归一化处理,同时加入频率位置信息,分别得出亮度和色度量化表中63个交流分量的矫正系数,计算过程为:
由此可以得到量化表的矫正式Qpl(u,v)=Q1(u,v)/X1(u,v),对JPEG量化表进行矫正。
将上述矫正后的量化表作为最终的量化表,对图像进行标准JPEG压缩,形成完全符合JPEG格式的压缩文件。本算法的解码过程与标准.JPEG解码过程完全相同,可以看出它也是标准.IPEG编码过程的逆过程。
实验结果
快速DCT运算
将本文提出的算法、Loeffler的DSP优化算法和纯Loeffler算法分别进行测试。结果见表1,可以看到本文算法较Loeffler的DSP优化算法大约节省了1/4的时间,较纯Loeffler算法大约节省了一半时间,其效果是十分明显的。
自适应量化
对自适应量化器进行仿真。本文采用中等复杂度的标准图像作为测试图,与基本JPEG系统进行性能比较(基于峰值信噪比(PSNR))。只将JPEG标准方法中的量化表更改为修正的量化表,就可以在同等压缩比下,提高恢复图像的质量。表2为不同压缩比下,采用JPEG量化表和自适应量化表两种方法的峰值信噪比。从压缩比和峰值信噪比的对比结果可看出,自适应量化JPEG方法的压缩比略高于标准JPEG方法。
结语
该系统的优点是提高了JPEG的运行速度,增强了图像的压缩率和质量,并且易于硬件实现。这一方案可应用于需要对视频图像进行实时采集、压缩及存储的绝大部分场合。
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