（通信与信息系统专业论文）基于tms320c6416的jpeg编码器的实现.pdf

里堕登堂茎查丕堂堕墨生堕三塑塑主兰垡堡塞 摘要 2 1 世纪人类进入了信息化社会，信息呈指数级的“爆炸式”增长，尤其是图像 视频信息，这导致巨大的信息数据与有限的存储介质和传输信道带宽成为不可调 和的矛盾因此，图像视频压缩编码成为通信领域的一个重点研究方向本论文 是基于某工程应用中对大图像的实时压缩传输项目，要求在一定的压缩比条件下 对4 0 0 8 x 2 6 7 2 大小的图像进行实时压缩传输。因为压缩比要求不高，敬选取算法 简单的j p e g 图像压缩标准，但对实时性要求较高，故选取主频较高的1 1 公司 弧悠3 2 0 “4 1 6 芯片，并进一步通过并行优化、汇编化处理来提高编码效率，达到 对大图像实时压缩传输的目的。 本文对j p e g 标准进行了研究，采用并行优化技术在t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 上实现了 j i e g 编码器。主要工作包括：( 1 ) 研究j p e g 标准，分析编码器各模块及其采用 的技术细节的计算复杂度；( 2 ) 分析t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的硬件结构和软件开发规范， 研究并行算法和并行优化的具体方法；( 3 ) 结合n 缁3 2 0 c 6 4 1 6 的结构特点，在研 究并行优化实现方法的基础之上，对j p e g 算法的各个具体模块进行汇编语言优化 实现。 本文实现的j p e g 编码器性能为：在主频为6 0 0 m h z 的n 岱3 2 0 c 6 4 1 6 芯片上 对4 0 0 8 2 6 7 2 大小的图片进行处理，在一定的保真度条件下，可以做到编码速度 达2 帧j 眇? 【关键词】j p e g 压缩编码t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 并行优化 第l 页 里堕型兰茎查盔兰塑茎兰堕三墨堡主兰丝丝苎 a b s t r a c t i nt h ei n f o r m a t i o ns o c 融y , t h ei n f o r m a t i o n , e s p e c i a l l yt h ei n f o r m a t i o i lo ft h e i m a g e sa n dt h ev i d e o si so l lt h ei n c r e a s ew i t hav e l o c i t yo f e x p o n e n t i a lm a g n i t u d e a n d i ti st o ol a r g e t os t o r eo rh - a a s m i t s ot h ei m a g e _ v e d i oc o m p r e s s i o nc o d i n gi sb e c o m i n g af o c u si nt h ec o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h t h i sp a p e ri sb a s e do i lt h ei t e mo fr e a l - t i m e c o m p r e s s i o na n dt r a n s m i s s i o nf o rl a r g ei m a g ei na l le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n , w h i c h d e m a n d sr e a l - t i m ec o m p r e s s i o na n dl z m 蝽- m i tt oai m a g eo f4 0 0 8 2 6 7 2s i z ea tac e r t a i n c o m p r e s s i n gr a t e b e c a u s ec o m p r e s s i n gt a t ei sn o ta s k e dv e r yh i g h , w ec h o o s et h ej p e g i m a g ec o m p r e s s i o ns t a n d a r d s ，w h o s ea l g o r i t h mi sv e r ys i n l p l e b u th i g h e rd e m a n df o r r e a l - t i m e ，s ow ec h o o s et h e1 m s 3 2 0 c “1 6c h i po ft ic o m p a n yw i t hh i g l l e rc p u f r e q u e n c y , a n df u r t h e ri m p r o v ec o d i n ge f f i c i e n c yt h r o u g hp a r a l l do p t i m i z a t i o na n d a s s e m b l yl a n g u a g e b a s e do rt h ea n a l y s i so f j p e g ；t h ee n c o d e ri si m p l e m e n t e do nt m s 3 2 0 c 6 4 1 6w i t h p a r a l l e l i n ga r i t h m e t i ca n do p t i m i z a t i o nm e t h o d s m o r es p e e i f i e a l i y ，t h i sd i s s e r t a t i o n i n c l u d e sf o l l o w i n gc o n t e n t s ： 。 。 f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fj p e gt h ee f f e c to nc o d i n ge f f i c i e n c yb yt h ek e y m o d u l e so f j p e gi sa n a l y z e d s e c o n d l y , t h eh a l - d w 缸es t r u c t u r ea n dt h es o f l w a r ed e v e l o p m e n t s t a n d a r d so ft m s 3 2 0 c 6 4 1 6a r ea n a l y z e d , t h e p a r a l l e l i n ga r i t h m e t i ca n do p t i m i z a t i o n m e t h o d so fj p e ga r es t u d i e d t h i r d l y , b a s e do nt h ec o n f i g u r a t i o nf e a t u r e so f 1 1 s 3 2 0 c 6 4 1 6 t h ee n c o d c ro f j p e gi si m p l e m e n t e db yu s i n ga s s e m b l yl a n g u a g e t h ej p e ge n c o d e rt h a tw eh a v ei m p l e m e n t e d0 1 1t m s 3 2 0 c 6 4 1 6h a sah i e r a p r o c e s s i n gs p p 溉li tc a nc o m p r e s s2f r a m e so f i m a g e sp e rs e c o n d , t h es i z eo f t h ei m a g e s i s4 0 0 8 x 2 6 7 2 ，w h e nt h ec p u f i e q u e n c yo f t m $ 3 2 0 ( 2 6 4 1 6i s6 0 0 m h z k e y w o r d s j p e g ；c o m p r e s s i o n ；t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 ；p a r a l l e l i n g ；o p t i m i z a t i o n 第页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表目录 ， 表1 - 1 主观测试分级标准 表2 1 亮度和色度信号的计算公式表1 2 表2 - 2 亮度分量y 的量化表( 推荐) 1 7 袁2 - 3 色度分量u v 的量化表( 推荐) 。 表2 - 4d c 差分分组表二 表2 - 5a c 差分分组表 表3 - lt m s 3 2 0 c 6 4 1 6 功能单元及其用途2 3 表3 - 2t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 控制寄存器 表3 - 3 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 指令的流水线执行级操作 表3 - 4t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 t d s k 存储器地址映射表。 表4 - 1 无优化实验结果表 表4 - 2 最高优化级实验结果表 表4 3h i 册眦a n 模块优化效果统计表 表4 - 4 优化后消耗资源所占比例统计表4 3 表4 5 汇编并行优化前后性能对比表 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图目录 图2 1j p e g 编解码器结构框图 图2 2 正、负数点及其对称点位置的安排 图2 3 d c t 系统的z 形扫描 图2 4 直流差分编码。 图3 1n 衄3 2 0 c “1 6 结构框图。 图3 2 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的c p u 结构图2 2 图3 31 m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的c p u 数据通路。 图3 4 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 t d s k 板结构框图 图4 1c d 程序优化及汇编代码生成流程图 2 3 2 6 3 2 独创性，声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以琼矗知致谢的她另乐论文中不包各其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料：与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 - - 中作了明确的说明并表示谢意 学位译文题目：基王婴2 1 q 逝! ! 曲i 堑籀堡墨垃塞煎 矗论拓；磊：翅叠盘童：日期：如厂聿? 歹月，日 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学彼术犬学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 。_ 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的金部或部分内容编入有若数据库进行检索， ， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、j 箱学位论文 ( 保密学位论文在解密后连用本授权书) ， 学位论文题1 1 学位论文作者 作者指导教师签名： 群萎掌 日期：如6 年月厂日 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文背景 ? 人类进入了二十一世纪，这是一个信息化的时代，信息技术飞速发展，信息 的内容也从简单的文字、语音发展到高清晰的图像、动画和实时的音频视频。多 媒体技术的发展大大提高了人们的生活质量，网上购物、远程医疗、在线电影和 3 d 游戏己经进入千家万户，数码相机、可视手机、m p 3 播放机等多媒体设备也越 来越普及然而，大量的多媒体信息带来了“信息爆炸”，大量数据的存储和传输成 为多媒体技术发展中一个棘手的瓶颈问题单纯用扩大存储器容量、增加通信干 线的传输率的方法是不现实的，而多媒体信源压缩编码是个行之有效的方法在 一定的图像保证度的前提下，对图像数据进行压缩后再存储和传输，既节约了存 储空间，又提高了通信干线的传输效率 本论文是基于某工程应用中对大图像的实时压缩传输项目，要求在一定的压 缩比条件下对4 0 0 8 x 2 6 7 2 大小的图像进行实时压缩传输。虽然j p e g 2 0 0 0 压缩新标 准已经公布，? 但由于该项目对压缩比要求不高，而在低压缩比的情况下j p e g 和 y p e ( 3 2 0 0 0 的性能是差不多的，但脱g 的算法复杂度远远低于j p e g 2 0 0 0 ，故选取 y p e g 压缩标准；由于项目对实时性要求较高，故需选取一款主频较高的d s p ，t i 公司近来推出的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片，主频最高可达1 1 g h z ，是n 公司推出的高 端产品的主流，故选其作为实现的硬件，并通过并行优化、汇编化处理进一步提 高编码的效率，达到对大图像实时压缩传输的目的 1 2 图像压缩编码技术 1 2 1 图像数据压缩的原理 信息论的观点认为图像中总是或多或少地含有自然冗余度，这些冗余度既来 自信源本身的相关性，又来自信源概率分布的不均匀性图像压缩编码是在对数 字图像进行大量统计分析，充分了解和掌握图像信息统计特性的基础上，充分利 用人眼的视觉效应和图像本身相关性强的特点，寻求消除和减少相关性，或改变 图像信源概率分布不均匀性的方法和手段，实现图像数据的压缩。 消除或减少图像的冗余度是实现图像压缩的基本依据。图像数据的冗余有以 下类型【1 1 ： 空间冗余 时间冗余 第1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 信息熵冗余 结构冗余 知识冗余 - 视觉冗余 局部相似性冗余 图像区域的相同性冗余 纹理统计冗余 1 2 2 图像数据压缩编码技术的分类 图像压缩编码技术近年来发展很快，新技术新方法不断涌现多数学者将图 像压缩编码技术分为在某种程度上可逆的和实际上不可逆的两大类冈 1 2 2 1 可逆压缩 可逆压缩通常称为冗余度压缩，又称为信息保持编码( b i t - p r e s e r v i n g ) 、无失真 编硝j ( 1 0 s s l e s s ) 或熵编码( e n t r o p yc o d i n g ) 消除或减少图像的冗余度是可逆压缩的工作原理可逆压缩没有信息的丢失， 可以根据压缩后的数据完全地恢复原来的数据为了消除或减少图像的冗余度， 常常需要应用图像的统计特性，或建立图像的统计模型 单符号信源可以用一个随机变量表示：x a la 2 ，a 3 ，a i ，a n ， 相应的概率分布为：p i = p ( a i ) ，i = l ，2 , 3 ，n 若各概率间相互独立，则信源的熵 为： j ll h ( x ) = p i l o g ( a ( 1 1 ) i l 11 图像所含有的平均信息量缡，是无失真编码的理论极限低于此极限的 无失真压缩编码方法是找不到的，而等于或大于此极限时，总是可以找到某种适 宜的编码方法，达到或逼近信息的熵值 。 可逆压缩编码方法比较典型的有三种：一是利用概率分布特性的h u f f m a n 编 码，它是无失真交长编码的最佳编码方法另一种利用概率分布特性的嫡编码方 法是上个世纪7 0 年代末、8 0 年代初发展起来的算术编码( a r i t h m e t i cc o d i n g ) 利用 相关特性的游程编码( r u nl e n g t hc o d i n g ) 方法是又一种熵编码方法 1 2 2 2 不可逆压缩 不可逆压缩是一类有失真的o o s s y ) 编码方法，信息论中称为熵压缩( e n t r o p y c o m p r e s s i o n ) 熵压缩导致信息量的减少，有信息损失，而且损失的信息根本无法 恢复，所以熵压缩编码是一个不可逆过程 熵压缩的关键在于量化方式的选取。源的数字化常采用脉冲编码调制( p c m ) 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 的方法，时间离散的采样信号再经过量化过程变为幅度离散的值若时间采样满 足奈奎斯特定律采样的条件，则采样值包含了全部原始信息，是可逆过程而一 旦对幅度( 或变换系数) 进行了量化，信号就不能完全恢复也就是说，只要进行了 量化，就一定是有损压缩编码 量化可以分为标量量化( s c a l a rq u a n t i z a t i o n ) 和矢量量化( v e c t o rq u a n t i z a t i o n ，简 称v q ) 闭标量量化是对每个信号逐个地进行的量化，与其它信号无关，因此又称 为零记忆量化；矢量量化则将k ( k 2 2 ) 个信号形成一个矢量一起进行量化矢量 量化是近年来图像、语音信号编码技术中颇为流行的种新型量化编码方法，这 种方法具有较高的压缩效率，它是一种有损编码方法。矢量量化是低比特率图像 编码的一种有效方法采用矢量量化算法进行图像压缩有两个优点，一是编码效 率高，采用这种方法进行图像压缩，先将输入图像分割成m 个方块，每个块的尺 寸为n 2 ，然后把每一个方块以列堆叠成中k 维矢量，然后对这些矢量依次进行量 化，只传输或存储矢量的地址因此能大大地降低数码率矢量量化总是优于标 量量化，这是因为矢量量化有效地利用了矢量中各分量问的四种相关性( 线性依赖 性、非线性依赖性、概率密度函数和矢量维数) 来去除冗余度矢量量化可以看作 是标量量化的多维扩展矢量量化的另一个优点是译码器非常简单，只需作查表 运算 1 2 2 3 混合编码技术 冗余度压缩与熵压缩的结合形成了混合编码技术，它体现了不同类型技术的 交叉和综合。实际上许多国际标准如j p f _ 珏j p e g 2 0 0 0 ，m p e g 和h 2 6 x 等都采用了 混合编码技术。比如，j p e g 2 0 0 0 中采用的5 3 滤波器小波变换、游程编码、自适 应算术编码都属于可逆压缩编码方法；而嵌入式最优化截断( e b c o a 3 ) g 于量化压 缩编码方法l l j 1 2 3 图像压缩系统的性能评价和度量 评价图像压缩技术和系统的性能，主要考虑三个关键参数 压缩比r 在达到所要求的恢复图像质量的条件下，压缩比越高越好 图像质量一图像质量的评估包括两个方面：一个是图像保真度，即被压缩 处理的待评价图像与原始图像之间的偏离程度；另一个是可懂度，它是指图像向 人或机器提供信息的能力 压缩解压的简易性包括压缩懈压的速度，软件和硬件的开销或占用的资 源。 1 2 3 1 图像压缩效率的评定标准 图像压缩系统是可以通过冗余度、编码效率、和压缩比等指标来衡量信源特 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 性和编解码设备性能的设原始图像的平均码长为r ，熵为日岱) ，压缩后图像的 平均码长为厶，则定义： 冗余剧月= 志一1 编码效率，7 = 挈= 两1 乒缩比：c = 云l ( 1 国 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 其中m ( s ) - - - z p , l o g ：忍 ( 丑为像素点灰度概率) ，从上面公式可以知道， k - i 图像压缩效率主要由压缩比c 来衡量，压缩比越高，图像压缩率越大，反之亦然。 1 2 3 2 图像质量的评定标准 在对一幅图像进行压缩处理过程中，由于包括的环节很多，最终恢复出来的 图像的性能的优劣到底如何，这就需要有一个对图像质量进行评判的标准图像 质量的含义最主要是包含了两层意义第一就是是恢复出来的图像的逼真度，即 被压缩处理的待评价图像与原始图像之问的偏离程度；第二就是图像的可懂度， 它是指图像向人或机器提供信息的能力一般来说，图像质量评价方法分为主观 评价方法和客观评价方法 表1 - 1 主观测试分级标准 级别质量损伤 比较 5 优不能觉察好得多 4 良刚觉察不讨厌相同 3由 有点讨厌 略坏 2 次很讨厌 坏 l 劣不能用坏得多 图像的主观评价是由评价者直接对一幅图像进行观察，按照一定规则并根据 自己的经验对图像的优劣作质量判断，从感觉上去度量其失真程度，给出质量评 价级别，对所有评价者给出的分数进行加权平均，所得结果即为主观评价结果， 如表1 1 所示这种评价结果必然符合人的视觉感受但这种主观感受一方面不能 用数学模型对其进行描述，不能直接用于视频图像压缩编码过程中的质量评价与 控制；另一方面，主观评价容易受到评价者的主观因素的影响，如年龄、性格、 教育程度、背景以及评价时的心情等因而这种评价方法在实际应用中受到了很 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 大的限制，甚至根本不适合某些应用场合 人的视觉能力有限，在一定的条件下，一定的视频失真人眼根本无法觉察出 来，所以对视频质量的主观评价和客观度量不同点在于人眼的视觉特性，其中之 一是视觉掩蔽效应由于视觉掩蔽效应，一定的视频失真被掩蔽掉了，从主观评 价的角度看，这部分损伤并没有计入视频失真之内而从客观度量评价的角度看， 任何偏离原始视频的误差都被认为是失真，这是主客观评价不一致的主要原因 所谓客观方法，就是定义一个数学公式，然后对待评价的图像进行运算，得 到个唯一的数字量作为测度结果，这种方法最常用于对图像的逼真度评价对 于静止图像的客观评价是用重构图像偏离原始图像的误差来衡量的，常用的有均 方误差( m s e ) 和峰值信噪比( p s n r ) ( 1 ) 均方误差的定义为： 脚2 志萎翟邝，_ ，) 一厂蜘) 】2 ( 1 s ) 式中m ，n 图像宽和高的像素点数； ，u ，刀原始图像的灰度值； _ ，。u 力重建图像的灰度值。 ( 2 ) 峰值信噪比的定义为： 删= 1 0 1 0 9 l o 等 ( 1 6 ) 有时候评价的结果往往和人的视觉感受不一致这主要是由于误差的均匀程 度造成的，因为均方误差( m s e ) 和峰值信噪比( p s n r ) 是从总体上反映原始图 像和重构图像的差别，并不能反映局部差别。一般来讲，误差均匀时视觉效果较 好，反之视觉效果相对较差一般的情况下，对图像的质量测度都可以用峰值信 噪比来评判，但有时在特殊的情况下，峰值信噪比对图像质量的评判的结果可能 和主观上评判的结果不相符合 1 3 图像压缩技术的国际标准及发展 近年来，国际标准化组织( i s 0 ) 和国际电信联盟( r r u ) 先后制定了多个图 像，视频编码的标准如二值图像编码标准( j b i g ) 、静止图像编码标准( j p e g 、 j p e g l s 和j p e g 2 0 0 0 ) ，以及各种面向视频序列的压缩标准下面简单介绍静止压 缩编码的标准【4 】 。 1 3 1 静止图像压缩标准 第5 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 1 3 1 1j b i g 标准 通常将只有黑、白两色的图像又称为二值图像，是连续色调静止图像的一个 特例，对此，。i s o i e cj t c l ，s c 2 9 和删- t 的二值图像专家组( j b i g ) 专门制定 了用于压缩二值图像的n u t 建议t 8 2 ( i 蓍际标准i s o i e c1 1 5 4 4 ，俗称j b i g 标 准) 嘲 随前产业发展的牵引和技术进步的推动，科技界特别是许多跨国公司对研究 更高效的图像压缩技术的热情越来越高，观念也在不断更新面对信息时代新形 势，p e g 和j b i g 又制定了新一代“跨世纪”的静止图像压缩新标准口】。j b i g 的新 标准为i s o m c1 4 4 9 2 ，俗称j b i g 2 ( 而上述的j b i g 则改称为j b i g 1 ) ，用于 传真、w w w 图形库和个人数字助理( p d a ) 等 1 3 1 2j p e g 标准 早在2 0 世纪8 0 年代中期，来自国际电信联盟( 盯u ) 和国际标准化组织o s o ) 的科研人员为制定一个基于静态灰度图像、彩色图像的压缩标准，成立了联合图 像专家组( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p 简称 p e g ) 它是一个在国际标准组织 下从事静态图像压缩标准制定的委员会该委员会于1 9 9 2 制定出第一套国标静态 图像压缩标准：i s 0 1 0 9 1 8 1 嘲就是我们所说的p e g ，其全称是p e g ( i s o i e c t i c i ) ，d i t i g a lc o m p a n i o na n dc o d i n go f c o n t i n u o u s - t o n es t i l li m a g e ，中文名称 为“连续色调静止图像的数字压缩与编码”f h 于p e g 优良的品质，使得它在短短 的几年内就获得极大的成功，主要应用于彩色传真，静止图像、可视通信、印刷 出版、新闻图片、医学和卫星图像的传输、检索和存贮等诸多领域目前网站上 百分之八十的图像都是采用p e g 的压缩标准。 p e g 的目标是开发一种用于连续色调图像压缩的方法，这种方法必须满足以 下4 点要求： 。 ( 1 ) 应用当前的先进图像压缩技术在保证压缩率的同时，图像质量要好，即 失真程度要在一定的范围之内。编码器的参数中应该包括控制压缩比和图像质量 的成分。 ( 2 ) 适用于所有的连续色调图像，不应对图像的尺寸、彩色空间和像素纵横比 等特性进行限制，也不应对图像的场景( 如复杂度、彩色范围或统计特性等) 有任何 要求 ( 3 ) 具有适中的计算复杂度，从而使得压缩算法既可以用软件实现，也可以用 硬件实现，并具有较好的性能 ( 4 ) 具有下述4 种操作模式：顺序编码；累进编码；无失真编码； 层次编码 为了达到这些要求，p e g 专家组经过两轮测试，并对测试结果进行了四轮评 第6 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 判，最后从三个方案中选出基于d c t 编码的方案作为标准于1 9 9 2 年正式颁布， 编号为i s 0 月匣c1 0 9 1 8 1 3 1 37 j p e gl s 标准 j p e g 的有损压缩新标准为i s o m c1 5 4 4 4 ，俗称j p e g 2 0 0 0 ，而j p e g 的无损 近无损压缩新标准为简称j p e gl s ，1 9 9 4 年开始征集算法提案，并于1 9 9 8 年2 月作为删一t 建议t 8 7 ( 草案) ( 国际标准i s o i f c1 0 9 1 8 ) 正式公布，用于取代 原j - p e g 的连续色调静止图像的无损压缩模式上下文建模是j p e gl s 区别于 j p e g 标准的一个标志，是j p e q 编码算法的基础，使用的建模方法是基于对_ls 上下文的认识建立上下文模型时，一个象素值的编码要以它周围几个象素为条 件 。 1 3 1 4j p e g 2 0 0 0 标准 为了弥补目前标准的不足，适应2 l 世纪图像压缩的需要，早在1 9 9 7 年， i s o i t u - t 组织下的i e cj t c l s c 2 9 ，w g i 小组便开始着手制定新的静止图像压 缩标准一珂e g 2 0 0 0 并于2 0 0 0 年1 2 月推出标准的第一部分，即j p e g 2 0 0 0p a r t i ( i s o1 5 4 4 4 t ) m 与j p e g 不同，j p e g 2 0 0 0 基于小波变换，采用当前最新的嵌入 式编码技术，在获得优于目前j p e g 标准压缩效果的同时，生成的码流有较强的功 能，可应用于多个领域 j p e g 2 0 0 0 的主要目标如下： j p e g 2 0 0 0 标准致力于建立一个能够适用于具有各种不同特性( 自然图像、科学 图、医学图、遥感图像、文本等) 不同类型( 单色图、灰度图、真彩色) 的图像，允 许在不同工作模式( 客户，服务器、实时传播、电子图书馆等) 下使用统一的标准。 ( 1 ) 优异的低比特率性能； ( 2 ) 连续色调和二值图像的压缩； ( 3 ) 压缩大幅图像； ( 4 ) 无损压缩和有损压缩； ( 5 ) 累进传输； ( 6 ) 随机码流访问和处理； 输出比特率的可控性； ( 8 ) 对比特错误具有鲁棒性 1 3 2 图像压缩系统的应用和发展 图像压缩编码的意义在于： 减少信息的存储量； 降低传输速率，压缩频带； 第7 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 压缩信息量，进行特征提取，以达到高速检索和识别 数字图像压缩与信息的传输( 如各种媒体的局域或广域通l 言) 、传播( 如数字电 视) 和存储息息相关。换而言之，数字图像压缩技术是信息产业中三大支柱产业一 通信、计算机和消费类电子产品( 主要以图像、视频产品为主要代表) 的共性核心技 术之一，也是三大网络一电信网、计算机网和电视网逐步融合，逐步走向三网 合一的技术基础之一 自上个世纪8 0 年代以来，图像，视频压缩编码技术及其标准化工作取得了一系 列重大成就例如1 1 7 3 一的i - i 2 6 1 ，1 - 1 2 6 3 ，i - 2 6 4 和i s o i f c 的j p e g ；j p e g 2 0 0 0 ， m p e g - 1 、m p e g - 2 、m p e g - 4 、m p e g - 7 以及m p e g - 2 1 等，成为信息产业不可缺 少的关键技术 s 1 1 4t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片简介 实时信号处理系统通过一定的算法对采集到的数字信号进行快速处理一般 来说，它具有处理大数据的能力，来保证系统的实时性实时信号处理系统可以 采用f p g a 专用芯片实现，也可以采用数字信号处理器d s p 通用芯片来实现，这 两种实现方法各有优缺点：采用f p g a 专用芯片容易满足实时性要求，但其可扩 展性、可升级性低：采用d s p 通用芯片可扩展性、可升级性好，调试方便，但需 对算法程序进行优化处理才能保证实时性要求 t m s 3 2 0 c 6 4 x 【9 】系列芯片是t 1 公司推出的新一代适用于并行处理的定点数字 信号处理器它采用v e l o e i t l 2 体系结构，具有如下特点：片内拥有两个各自独立 的数据通道、两个寄存器组( a 、b 各3 2 个寄存器) 、四个功能单元、s 、d 、m ) ， 两个数据通道之间含有两个数据交叉通道；采用超长指令字( v l i w ，v e r yl o n g l n s l r u o t i o nw o r d ) 结构，每个时钟周期最高可提供8 条3 2 位指令，总字长为2 5 6 位的指令包同时分配到8 个并行处理单元；具有双1 6 b i t 扩充功能，芯片能在一个 周期内完成双1 6 b i t 的乘法、加减法、比较、移位等操作；采用l i l 2 两级高速缓 存结构：1 6 k b y t e 程序高速缓存l 1 p 、1 6 k b ”e 数据高速缓存l i d 、1 0 2 4 k b ”e 内 存l 2 ( s r a m c a c h e 可设置) 1 m s 3 2 0 c 6 4 x 系列芯片性能是目前业内先导一 1 m s 3 2 0 c 6 2 x 系列的l o 倍，非常适用于m p e g 2 、m p e g 4 、h 2 6 4 等视频编解码 器，其市场应用前景十分广泛 n 岱3 2 0 c 6 4 1 6 芯片主频可达1 1 g h z ，最高处理能力高达8 8 0 0m d s 1 m s 3 2 0 c “1 6 为关键的3 g 无线算法集成了协处理器： l 、l r b o 协处理器( t c p ) 完 成无线数据信道的t u r b o 解码；v i t e r b i 协处理器( v c p ) 完成无线语音信道的卷积 解码 s 3 2 0 c 6 4 xd s p 指令集是t m s 3 2 0 c 6 x t md s p 指令集的超指令集，1 1 的 第s 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 c c s 1 0 1 ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 集成开发环境( m e ) 提供了业界最完备和先进 的开发工具组，方便了d s p 代码的执行而且c c s 平台包括了优化c 编译器，可 以在c 源程序进行开发调试，大大提高算法的开发速度和可读性，方便软件的调 试、修改：同时可以在该c c s 平台上用汇编语言进行开发，更为合理的利用芯片 硬件资源，提高代码执行效率 1 5 主要工作及论文结构 本论文以国际电信联盟( i t u ) 和国际标准化组织a s o ) 联合组成的联合图像专 家组( j p e g ) 公布的i s 0 1 0 9 1 8 - 1 ，也就是我们所说的j p e g 图像压缩编码标准为 基础，在c c s 3 0 软件编译环境下，对j p e g 图像压缩编码器的并行优化实现展开 研究。通过分析n 髂3 2 0 c 6 4 1 6 的硬件结构和软件开发规范、研究并行算法和并行 优化的具体方法，实现了j p e g 编码器的核心模块的并行优化 主要工作包括以下几方面： ( 1 ) 研究j p e g 标准，分析编码器各模块及其采用的技术细节的计算复杂度。 ( 2 ) 分析t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的硬件结构和软件开发规范，研究并行算法和并行 优化的具体方法。 ， ( 3 ) 结合t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的结构特点，在研究并行优化实现方法的基础之上， 对j p e g 算法的各个具体模块进行汇编语言优化实现。 本论文共分为五章，各章的内容安排如下： 绪论部分介绍了本文的研究背景，图像压缩编码的原理、评价图像压缩质量 的性能指标及相关静止图像压缩编码的国际标准，t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片简介，论文 的主要内容以及结构安排 第二章介绍j p e g 国际标准的发展以及分析其各个模块的技术细节 第三章介绍了n 髑3 2 0 c 6 4 1 6 芯片的基本结构，总结了其适于并行处理的硬件 特点介绍了硬件开发工具t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 td s k 板和集成开发环境c c s 3 0 ，分 析了适宜并行运行的指令最后介绍了对t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片进行软件编程的一般 规范及硬件资源对编程的限制。 第四章分析了i p e g 算法的具体技术细节。在研究j p e g 算法和并行优化技术 的基础上，结合s 3 2 0 c 6 4 1 6 的结构特点，提出了肫g 算法的并行优化实现方 法最后在工程实践基础上，介绍了j p e g 算法各模块的并行实现和优化效果，以 及j p 王i g 编码器最终在d s p 上的编码性能 最后对全文进行了总结，指出了目前存在的问题，并讨论进一步的研究方向 和关键技术难点 第9 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第二章j p e g 标准的算法研究 2 1j p e g 标准简介 8 0 年代以来，随着图像处理应用的日益发展，各种图像压缩的软硬件产品纷 纷面市在基本不影响图像质量的前提下，压缩比可达到1 0 ：1 到5 0 ：1 之间但是， 仅有压缩技术是不够的，因为涉及存储或传送的数字图像应用系统种类众多，分 布很广为了使不同厂商的产品具有兼容性，各公司和一些研究单位都非常重视 建立通用的图像压缩标准国际电报电话咨询委员会( c c r r r ) 建议的二值图像压缩 标准c c r 玎f a xg 3 和c c i t tf a x 3 4 就是两个典型的例子，这两个标准规定了传 真机的图像压缩方法，对于厂家保持产品的标准化和兼容性提供了极大的方便 f a x g 3 仅处理二值图像，对连续色调的彩色图像并不适用。 国际标准化组织f l s o ) 于1 9 8 0 年建立了第8 工作组专门研究图像编码。1 9 8 6 年，c c i t r 和i s o 两个国际组织建立联合图片专家组( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t g r o u p ，简称j p e g ) ，其任务是建立第一个适用于连续色调图像压缩的国际标准 p e g 组织在i s o 内的号码是j i c l s c 2 w g l 0 。j p e g 和c c r r t 第8 工作组密切协 作，共同完成标准的制订任务 ， j p e g 的目标是开发一种用于连续色调图像压缩的方法，这种方法必须满足以 下4 点要求； ( 1 ) 应用当前的先进图像压缩技术在保证压缩率的同时，图像质量要好，即 失真程度要在一定的范围之内编码器的参数中应该包括控制压缩比和图像质量 的成分 ( 2 ) 适用于所有的连续色调图像，不应对图像的尺寸、彩色空间和像素纵横比 等特性进行限制，也不应对图像的场景( 如复杂度、彩色范围或统计特性等) 有任何 要求 ( 3 ) 具有适中的计算复杂度，从而使得压缩算法既可以用软件实现，也可以用 硬件实现，并具有较好的性能 ( 4 ) 具有下述4 种操作模式： 顺序编码 累进编码 无失真编码 层次编码 根据p e g 的要求，研究人员提出了1 2 种建议方案1 9 8 6 年6 月在哥本哈根 电话公司研究实验室对最初的1 2 个方案进行评估，评估的根据主要是图像质量， 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 最后选出如下3 种方案： 自适应离散余弦交换( a d a p t i v ed i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ，简称a d c r ) 自适应二进制算术编码器( a d a p t i v eb i n a r ya r i t h m e t i cc o d e r ，简称a b a c ) 块分离的累进编码0 3 l o c ks e p a r a t e dp r o g r e s s i v ec o d i n g ，简称b s p c ) 在这次测试中，对1 0 种有效的建议算法进行了测试。测试时使用4 个标准测 试图像，要求建议的算法把图像压缩率设置为o 2 5 ，o 7 5 和4 位像素 j p e g 专家组对所产生的1 2 0 幅图像的质量进行了评价，结果是：a d ( 玎建议在 o 7 5 位率时图像质量最好，在这种情况下，对多种应用都能产生较好的图像质量。 a b a c 建议在o 2 5 位率时效果最好，它更适用于诸如图像数据库之类需要快速查 找的应用 继1 9 8 6 年的第l 轮测试后，于1 9 8 8 年1 月又对剩下的3 个建议( a d c r 建议、 a b a c 建议和b s p c 建议) 进行了第2 轮测试这次j p e g 专家组对参加测试的3 个算法提出了更高的要求要压缩比率为o 0 8 ，o 2 5 ，o 7 5 和2 2 5 位艨素，选择了 5 幅新的测试图像。根据作这个规定，共产生6 0 幅压缩图像( 3 4 x 5 ) p e g 专家组的3 l 位专家对这6 0 幅图像分别进行打分，并且为了保证公正性， 专家们在打分的时候并不知道特定的图像所用的算法种类为了排除随机性，打 分过程共进行了4 轮。结果是a d c t 为最佳方案。 根据1 9 8 8 年1 月的测试结果，j - p e g 专家组一致同意以a d c t 为基础提出一 个i s o 标准草案，该标准草案于1 9 9 0 年3 月得到通过，并把这个标准草案命名为 j p e g1 9 9 2 年j p e g 正式成为国际标准，编号为i s o i e c1 0 9 1 8 p e g 标准中定义了两种不同性能的系统：基本系统a s e l i n es y s t e m ) 和扩展系 统( e x t e n d e ds y s t e m ) 基本系统采用顺序工作方法，在熵编码阶段使用h u f f m a n 编码方法来降低冗 余度，解码器只存储两个h u f f m a n 表扩展系统提供增强功能，它是基本系统的 扩展，使用累进方法工作，编码过程采用自适应的算术编码 之所以在舰g 中定义两种性能不同的系统，主要是考虑到j p e g 设备的兼容 性和实现的方便性每个标准解码器都应该能解释用基本系统编码方法编码的数 据在扩展中，仅当编码器和解码器都配置相应的选项时才具有增强功能 2 2j p e g 的编码流程分析 图2 1 是基于d c t ( d c t - b a s e d ) 编码器和解码器的方框简图上方为编码器结 构，下方为解码器结构编码器包括预处理、离散余弦变换、量化和熵编码四个 模块由于解码仅为编码的逆过程，本章将按照j p e g 的编码流程来详细分析各编 码模块的功能 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 原始图像 数据 恢复图像 数据 2 2 1 色彩模型 圈2 1j p e g 编解码器结构框图 众所周知，计算机图像显示模型基本采用r g b 颜色模型，即一幅彩色图像信 号由g b 三基色光的三幅图像信号相加而成。而在j p e g 的图片使用的是y c r c b 颜色模型y c r c b 模型更适合图形压缩因为人眼对图片上的亮度敏感，对图像 的色度不敏廖，所以在处理亮度信号时保证其清晰度，在处理色度信号时可