基于DSP的JPEG图像压缩的设计与实现

一、引言 　　

　　JPEG算法是一种数字图像压缩编码算法，具有压缩比例高、失真小的特点，并已被确定为国际标准[1]。该标准被广泛应用于数码相机、监视系统、手机、可视电话等等诸多方面。它的应用与实现不仅限于PC机，更多的则是基于嵌入式系统。嵌入式系统有其体积小、成本低、可靠性高、速度快、环境适应性强等优点。嵌入式编码实现方式也比较多，有的采用专用集成芯片，有的基于FPGA，有的基于DSP，ARM。采用专用芯片的方式实现简单，技术成熟可靠，但灵活性以及可扩展性差。基于FPGA的方式，压缩算法纯硬件实现，并行处理速度高，可实现高速处理，但由于JPEG压缩算法比较复杂，开发难度大些，费时费力。基于通用DSP实现方式优点是：灵活性强，能满足特殊处理需求，具有很好的可扩展性、可升级性和易维护性。

二、系统硬件设计

考虑到系统的二次开发性本系统采用DSP开发方案，选用TMS320C6713芯片作为系统主处理器，该嵌入式系统能完成视频图像信号的采集、处理、压缩、编码、显示、存储等一系列功能。

　　本图像处理系统由底板与子板两部分组成，底板主要由DSP处理器TMS320C6713、一片256K×16bit Flash，四片4M×16bitSDRAM、外部存储器接口EMIF(External Memory Interface)和其他通用外设接口如RS-232，音频接口等组成。子板是在底板的EMIF上扩展出来的，主要由视频解码A/D芯片、采集和显示时序控制芯片CPLD等。

　　（一）CCD摄像头用来采集模拟视频图像数据。

　　（二）视频解码A/D芯片Philips SAA7113将模拟视频电视信号（本系统PAL制）数字化。输出为符合CCIR.601标准的数字视频码流。

　　（三）FIFOAL422B作为A/D与C6713DSP之间的数据缓冲，使A/D的转换速度与DSP读取A/D数据的速度匹配。

　　（四）TMS320C6713DSP为主处理器，实现对视频数据的压缩编码处理。在存储FIFO，存储SDRAM和压缩码流输出SDRAM采用DMA方式进行数据传输，可以提高数据传输的速率。

　（五）SDRAM作为DSP的片外扩展存储器，用于存储A/D的图像数据，中间过程的部分数据以及压缩后的图像数据。选用了4片ISSI公司的4M×16bit SDRAM芯片IS42S16400，构成了一个8M×32bit的外部存储器。映射到DSP的CE0存储空间。

　　（六）Flash 采用芯片256K×16bit的AM29LV400B，用于DSP上电或复位后的程序加载。

　　（七）CPLD采用Laitiice公司的LC4821V，作为视频A/D对FIFO进行写操作，DSP对FIFO进行读操作的时序控制。

图像采集与存储关键问题与解决方法：

　　本设计中解码CCD摄像头的模拟视频信号是采用专用的模拟视频信号解码器SAA71113， SAA71l13视频解码器是双通道模拟预处理电路、自动钳位和增益控制电路、时钟产生电路、数字多标准解码器、亮度/对比度/饱和度控制电路、彩色空间矩阵的组合，是一款功能完善的视频处理器。SAA711l3只需要单一的3．3V电源供电，与C6713的I/O电压一致。
SAA7113A接收CVBS(复合视频)或S-video模拟视频输入，可以自动将PAL、SECAM、NTSC模式的彩色视频信号解码为CCIR-60l/656兼容的彩色数字分量值，器件功能通过I2C接口控制。图像采集过程可以全部在后台完成，基本上不需要CPU的干预，可以节约大量的CPU时间。但是这样设计有一个难点：由模拟视频信号解码得出的数字视频信号数据量非常大，而且由于是实时视频信号，所以数据输出速率也非常高；但是相反，DSP外部存储器接口的读出速率却比较慢。为了解决这个问题，本设计采取是高速FIFO，对数据进行暂存以缓解速度上的差异，即采用FIFO来暂存10行图像数据，视频解码器直接向FIF0中写入图像数据。当FIFO中写入了10行图像数据后，由CPLD向DSP发出中断INT4请求；同时，DSP接到中断请求后，启动DMA方式将10行图像数据从FIFO中读入到其外部RAM中存放。这样在采集的同时，DSP就可以读取已采集的10行数据，而不必等待一帧图像数据采集完成。这样提高DSP的处理效率。CPLD主要控制解码器向FIFO中写入数据以及DSP从FIFO中读出数据。

系统可以采集到一帧图像的尺寸为320点/行*240行，从SA71113输出的是4:2:2的YcrCb数据格式，一个像素用2个字节表示，一个字节表示Y，另一个字节为Cb和Cr，那么总的数据量为320×240×2=150KB。对于亮度信号，每个像素Y占一个字节，一行共320个字节，用320个存储单元存储一行的Y数据，对于色度信号Cb，一行共320点，每两个像素共用一个色度信号Cb，占一个字节，共160个字节，用160个字节单元存放一行的数据，对于色度信号Cr，存储格式与Cb一样。这样一帧图像数据需要的缓冲区大小为：320×240+160×240×2=150KB。对此选