（电路与系统专业论文）基于DSP的数字图像压缩系统的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 数字图像压缩是减小图像数据量，方便图像的传输、存储和处理 的有效手段，研究图像压缩的实时实现有着其重要的现实意义。数字 信号处理器( d s p ) 有其独特的硬件结构特别适合于数字信号处理领 域，大量地使用在各种便携式、实时信号处理场合。它的高速度和良 好的运算性能特别适合于图像处理。同时，e d a 技术以其自身的优点 在现代电子系统设计中占有的地位越来越重要，已成为a s i c 技术的 一个重要分支。本文结合数字信号处理和e d a 这两种技术，对图像采 集、处理系统进行了研究并提出了一种解决方案。 本文设计的系统采用以t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s p 和c p l d ( 复杂可编程 逻辑器件) 为核心的硬件结构和图像采集处理技术，完成了从输入的 模拟信号中采集数字信息，并对其进行压缩、处理的功能。 论文详细的介绍了该系统的软件实现和各部分的硬件实现，着重 对视频图像采集、d s p 应用系统电路设计、j p e g 编码算法的d s p 实现 等问题进行了比较系统的研究。 文章针对j p e g 算法中运算量最大的d c t 变换提出了一种新的计 算方法。实现的图像压缩算法可以满足低速率条件下对于电视图像信 号的压缩处理。设计利用d s p 对单幅画面采用j p e g 压缩方法，然后 以尽快连续方式将各单幅画面联系起来，为m j p e g 算法在d s p 系统上 的实现打下基础。 关键词：d s pc p l dj p e g 离散余弦变换 a b s t r a c t d i g t a li m a g ec o m p r e s s i n gc a nr e d u c ei m a g ed a t aa n dc o n v i e n i e n t l y p r o c e s si m a g eb yt r a n s t e r , s t o r a g ea n dp r o c e s s i n g i ti si m p o r t a n tt or e a l i z e ar e a l - t i m ei m a g ec o m p r e s ss y s t e m d s pi su s e di nr e a l - t i m ep r o c e s s i n g a n dp o r t a b l ea p p l i c a t i o n sw i m s p e c i a lh a r d w a r es 劬c m r e d s pw i mh i g h p r o c e s s i n gs p e e da n de x c e l l e n to p e r a t i o np e r f o r m a n c ei sp a r t i c u l a r l y a d a p t e dt oi m a g ep r o c e s s i n g o w i n gt ot h ea d v a n t a g e so fi t s e l f , e d a t e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h em o d e me l e c t r o n i cs y s t e m d e s i g n sa n di th a sb e e nab a s i l i ce m b r a n d n n e n ti na s i ct e c h n o l o g y m a k i n g u s eo ft h e s et w ot e c h n o l o g i e s ，t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n de d a t e c h n o l o g y , t h i st h e s i sr e s e a r c h e si n t oa ni m a g ec o l l e c t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e ma n d t h e np r e s e n t sas y s t e ms o l u t i o no f i t u s i n gt m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 d s pa n dc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) a sc o r e so f t h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o n ，t h es y s t e md e s i g n e d i nt h i st h e s i sf u l f i l l st h ef u n c t i o no fc o l l e c t i n gt h ed i g i t a li m a g ef r o mt h e i n p u ta n a l o gs i g n a l s , 私w e l la st h ef u n c t i o no fp r o c e s s i n gt h ed i 垂t a l i m a g e t h i st h e s i sd e t a i l e di n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e mi n s o r w a r ea n dh a r d w a r eo ft h i ss y s t e m i tt a k e sm o r ec a r ei nt h es y s t e m i c r e s e a r c ho f v i d e oi m a g ec o l l e c t i o n ，c i r c u i td e s i g ni nd s p p r a c t i c es y s t e m , r e a l i z a t i o no f j p e ge n c o d i n gb yd s pa n ds oo n a sf o l l o w s ，t h ep a p e rb r i n g su pan e wc a l c u l a t i o nm e t h o da b o u t d c t , w h i c hi st h em o s to p e r a t i o np a r ti nj p e g 。t h i sd e s i g no fi m a g e c o m p r e s s i o ns y s t e mb a s e do nd s p , i tc o m b i n e st h ej p e ga l g o r i t h mt o p r o c e s s t h es i n g l ei m a g e ，t h e na c tt h es i n g l ei m a g ef a s t l y ，t h es y s t e mh a s ap r a c t i c a lv a l u ef o rm j p e ga l g o r i t h m w i t ht h en e wd c tc a l c u l a t e m e t h o d ，d s pc a ar e a l - t i m e l yc o m p r e s st vi m a g e 州t l ll o w e rb i t sr a t i o k e y w o r d s ：d s p c p l dj p e gd c t 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：厍也早 西7 年f 月27 日 i 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期闻论文工作的知识产权单位属湖南师范大学 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ”) 作者签名：虏也彳日期：办口7 年，月。7 日 导师签名：至赫日期：年月日 基丁d s p 的数字图像压缩系统的研究与设计 第一章图像压缩编码技术综述 1 1 图像压缩的目的、发展状况和方法 随着计算机技术、电子技术、和通信技术的发展，数字图像压缩 在计算机和便携式系统中的应用越来越广泛。例如在可视电话、数码 相机、数字电视、图像监控、照相手机、视频会议等场合都得到了更 深的应用。数字化图像使得图像信号可以高质量地传输，并便于图像 的检索、分析、处理和存储。但是数字图像的表示需要大量的数据， 由于存储空间和网络带宽的限制，对图像进行存储，处理和传输之前 先要对图像进行压缩。即使采用多种方法对图像数据进行了压缩，其 数据量仍然巨大，对传输介质、传输方法和存储介质的也会要求较高。 因此图像压缩编码技术的研究碍意义特别显著，也正是由于图像压缩 编码及传输技术的不断发展、更新，推动了现代多媒体技术应用的迅 速发展。 1 1 1 图像压缩目的 在中国视频标准为7 2 0 x 6 2 5 的p a l 制式信号，如果模数转换芯 片按照y ：u ：v = 4 ：2 ：2 转换数字信号，若一个像素用1 6 b i t 表示，那么 一帧图像的容量大小为7 2 0 6 2 5 1 6 b i t = 7 2 m b i t ；若在3 3 6 k b s 的m o d e n 上传送需要花费大约2 1 4 秒的时间；若其采样速率为2 5 帧 秒，则1 秒钟的数字量为7 2 0 6 2 5 x1 6 b i tx 2 5 = 1 7 1 6 m b i t 。要传输 或存储这样大的数据量是非常困难的，必需对其进行压缩编码，在满 足实际需要的前提下，尽量减少要传输或存储的数据量。 虽然数字图像的数据量巨大，但图像数据是高度相关的。一幅图 像内部相邻象素之间，相邻行之间和视频序列中相邻图像之间有大量 的冗余信息一一空间相关性和时间相关性，可以使用各种方法尽量 去除这些冗余信息，减少图象的数据量。除了时间冗余和空间冗余 外，在一般的图象数据中还存在信息熵冗余、结构冗余、知识冗余和 视觉冗余”。各种冗余就是压缩图像数据的出发点。其次，允许图 像编码有事实上的失真也是图像可以压缩的一个重要方面，一般并不 硕士学位论文 要求经压缩及复原以后的图像和原图像完全相同，而允许有少量失 真，只要这些失真并不被人眼所察觉。这给压缩比的提高提供了十分 有利的条件。图像质量允许的损失愈多，可以实现的压缩比就愈大， 这种有失真的压缩编码称为有失真编码n ”。图像压缩的目的就在于， 在保证质量要求的前提下，减少或消除图像中的冗余，达到节省存储 和传输的带宽。在需要时，再对压缩图像进行解码和重构。 1 1 2 图像压缩发展状况和方法 图像压缩的基本理论起源于2 0 世纪4 0 年代末香农( s h a n n o n ) 的信息理论n 1 。香农的编码定理告诉我们，在不产生任何失真的前提 下，通过合理的编码，对于每一个信源符号分配不等长的码字，平均 码长可以任意接近于信源的熵。在这个理论框架下，出现了几种不同 的无失真信源编码方法，如h u f f m a m 编码、算术编码、词典编码等n 。 这些方法可以应用于一幅数字图像，能获得一定的码率压缩。但无失 真编码的压缩率是很有限的，对较复杂的自然的图像，压缩率一般不 超过2 。 无失真信源编码的压缩率的限制，使其难以满足大多数图像存储 和传输的需要。根据应用的需要，人们对有失真压缩进行了广泛的研 究。有失真压缩的目的是去除图像数据中的冗余信息和对视觉不很重 要的细节分量，以尽可能少的码字来表示所处理的图像。给定一幅数 字图像，它的原始表示一般是空间像素阵列，这是它的空间域表示。 在空间域表示中，相邻的像素之间存在很强的相关性，冗余信息分布 在较大范围的空间像素集中，直接处理比较困难，最常用的处理方法 是通过一种变换，将图像从空间域映射到变换域中，在变换域可以进 行简捷和有效的处理。对于变换的第一种要求是：将强相关的空间像 素阵映射成完全不相关的、能量分布紧凑的变换系数阵，占少数的大 的变换系数代表了图像中最主要的能量成分，占多数的小的变换系数 表示了一些不重要的细节分量，通过量化去除小系数所代表的细节分 量，用很少的码字来描述大系数所代表的主要能量成分，从而达到高 的压缩比。这是用变换技术进行有失真编码能够达到高压缩比的主要 原因。对于变换的第二种要求是：变换系数阵的物理含义要明确，使 基丁id s p 的数字图像压缩系统的研究与设计 其容易与人们关于b v s ( h u m a mv i s u a ls y s t e m , 人类视觉系统) 的知 识相结合，以便有效地去除视觉冗余，尽可能地保留重要的视觉信息叫。 人们一直在寻求高压缩比和实效的压缩编码算法，具备理想的去 相关和最强的能量紧致性的变换是k l 变换，k l 变换使得变换系数之 间是统计不相关的。但l ( l 变换的基是不固定的，由像素的相关系数 矩阵的特征向量列构成，特征分析的复杂性和需要额外存储变换基， 使得k l 变换应用不现实。后来，人们找到了i ( l 变换的一个很好的逼 近。d c t ( 离散余弦变换) ，它是一种实数域的变换，使的d c t 变 换广泛用于图像压缩h 1 。 正是在这个背景下，2 0 世纪8 0 年代开始制定了静止图像压缩编 码的国际标准j p e g ，采用了二维d c t 变换编码为核心算法。j p e g 处 理方法是依次是使用8x8 图像分块，二维d c t 变换、d c t 系数量化， z 字形扫描，行程编码和不变字长编码。但是d c r 交换编码也有其难 以克服的缺点。在实际应用中，为了便于实现和后处理，图像被划分 成8 8 或1 6 1 6 的小块，对每一个块进行单独的变换和后处理。这 种块之间的单独处理带来了压缩效率上的限制和块效应问题，尤其是 当压缩倍数较高时，块效应成为限制d c t 变换编码质量的主要因素“。 2 0 世纪9 0 年代后，出现了许多新的传输媒体。其中，以 i n t e r n e t ( 也包括无线i n t e r n e t ) 最有影响力。i n t e r n e t 上的图像浏 览和传输有许多新要求，例如嵌入式码流和多分辨码流，这要求在图 像压缩算法实现中，能灵活地提供关于质量、分辨率等的分级结构。 小波变换的发展提供了一种新的有效的多分辨信号处理工具，也为各 种可分级图像编码算法的实现奠定了基础。小波变换应用在很多领 域，最成功的应用领域之一就是图像压缩。小波变换的理论和算法一 个关键思想是多分辨率分解。小波变换与f f f 、d c t 变换相比，是时 间( 空间) 频率的局部化分析，他通过伸缩平移运算对信号逐步进行多 尺度细化，最终实现高频处时阎细分，低频处频率细分。小波变换将 信号频谱按倍频程分割，原始信号被划分成多个高频带数据和一个低 频带数据。对于图像数据来说，这些高频带就是删j ，l h j 和h l j 三 个频带系列，低频带则是最后的l l 。小波图像压缩的研究表明，现 代应用所需要的许多特征如多分辨、多层质量控制、嵌入式码流等与 硕士学位论文 小波图像编码结构非常自然地融合在一起，在较大压缩比下，小波图 像压缩的重构质量也明显好于d c t 变换方法。因此，产生了新一代静 止图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 ，其首先对源图像分成各个成分( 包括亮度 信号和色度信号) ，然后把图像和它的各个成分分解成矩形图像片。 图像片是指原始图像被分成互不重叠的矩形块，是原始图像和重建图 像的基本处理单元。对每个图像片数据进行离散小波变换，然后对变 换后的小波系数进行量化并组成矩形的编码块。再对在编码块中的系 数“位平面”熵编码，最后形成输出码流。解码器是编码器的逆过程， 首先对码流进行熵解码，然后解量化和小波反变换，最后生成重建图 像数据。采用新的压缩编码方案，进一步提高压缩比和图像质量是图 像研究的一大热门，目前已提出和正在进行研究的图像编码方法主要 列举如下5 朋： ( 1 ) 多分辨率编码。最早提出的是金字塔编码，后来是子带编码 ( s u b b a n dc o d i n g ) ，最近是用小波变换进行图像编码。 ( 2 ) 利用人工神经网络的压缩编码。 ( 3 ) 利用分形几何的图像编码。 ( 4 ) 利用数学形态学的图像编码等。 从总体上看，图像编码的发展一方面追求压缩比和效果，另一方 面要适应各种应用领域的需要。如：编码图像对用户更具开放性和灵 活性，使用更加简单、更具有亲和力；编码技术能有效的适应内容检 索的需要；编码技术能适应有噪信道等等拍“。 1 2 本论文研究的背景与意义 实现与应用数字图像处理的方式一般可分为三类：第一种是纯软 件方法，独立使用计算机，通过软件的方法实现数字图像处理，采用 这种方法的优点是系统资源( 软硬件资源) 丰富，处理效果好，但是由 于不能脱离计算机，缺乏灵活性尤其是不能适应于便携式处理场合； 第二种是硬件实现方法，采用基于专用的v l s i 实现，例如基于f p g a 的方式，处理算法纯硬件实现，并行处理速度高，可实现高速处理， 如实现j p e g 压缩算法的c l 5 5 0 ，s t i l l 4 ，l s 4 7 0 2 ，实现m p e g 的 c l 9 5 0 ，s t l 3 5 0 0 等芯片1 。此类方法十分有效，因为可以针对专门算 基于d s p 的数字图像压缩系统的研究与设计 法进行高度优化，同时可以控制将系统的开销降为最低，其缺点在于 系统中有大量的专用模块，当算法需要修改时，便无法适应新的需要， 只能重新设计；第三种方法是软硬结合方法，其典型代表是d s p 在数 字图像处理领域的应用，这种方法以d s p 为核心辅以少量外围器件构 成一个数字图像处理硬件平合，在此基础上通过软件方法实现数字图 像处理。 数字信号处理器( d s p ) 是一种专门针对数字信号处理的具有特 殊结构和的高性能微处理器。d s p 最突出的两大特色是强大的数据处 理能力和高效运行速度，加上具有可编程性，实现运行速度可达每秒 数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器。d s p 有针对数字 信号处理算法而设计的特殊的硬件结构，并行执行的总线结构，专用 的指令集，例如m a c ( 乘累加运算硬件单元) 指令。d s p 的外围接口 丰富。d s p 配备有完善的开发、调试工具，完善的开发调试工具使基 于d s p 的系统开发更容易，对d s p 的开发可以更注重于算法的高效实 现。随着半导体技术的快速发展，数字信号处理器的性能不断提高， 而价格却逐步降低，d s p 被广泛应用于包括军事、工业、通信、医疗 等在内的各个领域。 以d s p 搭建的硬件平台不失通用性，采用d s p 的c c s 软件开发平 台的汇编语言和c c + + 语言混合程序设计可以高效地实现各类数字图 像处理算法，同一系统可以适应不同的数字图像处理应用，只需增加 相应的算法功能模块即可。这种方案方便灵活，适应范围广，随着 d s p 器件性能的不断提高，己逐渐成为数字图像处理的一种趋势。同 时d s p 器件在性能、功耗、灵活性等方面的优势更使d s p 成为便携式 和实时数字信号处理的主流工具哺1 。 本文的研究内容和目标是研究并实现一种基于d s p 的便携式图 像压缩处理系统，既可单独作为图像压缩处理系统，也可以做一个通 用的数字图像处理平台，例如对图像进行二值化，反色，d c t i d c t 变换等。 在系统硬件设计中，微处理器选用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 d s p 芯片。1 m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 具有最高1 6 0 m i p s 处理能力，能完成复杂计算， 以及强大的外围接口能力可以对外提供丰富的接口资源。以 硕士学位论文 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 处理器为核心设计了图像采集卡接口电路和必要的存 储器、电源监控、复位电路等，整体上构成一个完整的图像处理平台。 硬件平台接口丰富，系统体积小，大容量的存储系统使系统可以很容 易地完成图像的处理。系统的总体框图见3 - i 。 整个系统包括图像采集卡接口电路，存储器扩展电路的时序控制 和译码由一片辅助处理器c p l d 芯片完成，使用的c p l d 是l a t t i c e 公 司的i s p l s l 2 0 6 4 v e ，采用硬件描述v h d l 语言编程完成所有的外接电 路的时序控制和地址译码。这样减轻了d s p 的负担，加快了译码速度， 同时解决了多个外围接口电路的时序控制和地址译码这个关键问题 9 】 o 在硬件系统的基础上，实现以单幅画面j p e g 算法为主，然后以 尽快连续方式将各单幅画面联系起来，为m j p e g 算法在d s p 系统上的 实现打下基础，基中包括图像8 x 8 分块，二维离散余弦变换( d c t ) ， d c t 系数的量化，h u f f m a m 编码等。并且对j p e g 算法进行改进，主要 是针对d c t 变换进行改进和优化的。d c t 是j p e g 算法中运算量最大 和耗费时间最多的部分，我们提出了一种新的d c t 计算方法，改进后 d c t 算法结构适合在t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 d s p 上实现。系统实现的压缩算法 做灵活的修改，可以应用到其他的嵌入式系统当中n 。 1 3 论文完成的工作 本文研究如何以d s p 和c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 为核心构 建硬件系统，完成基于d s p 和c p l d 的图像采集，处理的核心模块设 计。这些模块包括d s p 、c p l d 、图像采集卡、存储器( s r a m ) 等，大 致概括如下： ( 1 ) 深入研究t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的结构特点和c c s 提供的软件开发 支持能力基础上，规划设计出系统的整体方案。 ( 2 ) 实现完成本系统的硬件平台电路板的设计，包括d s p ，c p l d ， 存储器芯片，图像采集卡选型，系统原理图设计，p c b 布线和硬件调 试。 ( 3 ) 采用v h d l 语言对c p l d 编程实现外围接口电路的时序和地址 译码。 基t - d s p 的数字图像压缩系统的研究与设计 ( 4 ) 进行软件调试，包括实现图像处理的二值化、反色、图像分 块、d c t 变换、反o c t 变换、系数量化，编码等处理和算法。提出了 一种快速d c t 变换的计算方法，从算法结构上对d c t 算法进行改进， 改进后o c t 算法结构适合在c 5 4 系列d s p 上实现。 ( 5 ) 研究以改进的d c t 变换为主的单幅画面j p e g 算法，然后以尽 快连续方式将各单幅画面联系起来，为m t p e g 算法在d s p 系统上的实 现打下基础，该算法经灵活修改可适应多种图像处理平台。 硕士学位论文 第二章d s p 的特点介绍及其芯片选择 2 1 d s p 的含义及其用途 自从2 0 世纪8 0 年代初期第一片数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a p r o c e s s o r ) 问世以来，d s p 就以数字器件特有的稳定性、可 重复性、可大规模集成，尤其是可编程性和易于实现自适应处理的特 点，给数字信号处理的发展带来巨大的机遇，使得信号处理手段更加 灵活，功能更加强大。近年来，d s p 作为一种新型的微处理器在各种 消费类、通信、医疗和工业产品中得到了非常广泛的应用。d s p 处理 器是一类针对数字信号处理领域进行了优化的微处理器。和普通的微 处理器相比，它们具有特殊的硬件结构特别适合各类数字信号处理算 法的实现，从而使得产品易于实现和维护。用d s p 开发的产品其成 本和风险也比定制的i c 产品相对要低，特别是对于批量比较低的产 品，如果用定制i c 来实现开发成本将难以忍受。同时与其它类型的 微处理器相比，d s p 的指令执行周期速度快，d s p 在速度、成本、功 耗方面具有不可取代的优势。 d s p 有两种解释：其一是d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 的缩写， 即数字信号处理；其二是d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 即数字信号处 理器的意思。前者数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数 字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等 处理，以得到符合人们需要的信号形式。后者数字信号处理器是用来 完成数字信号处理要求的具有特殊结构的一种微处理器，即我们经常 所说的d s p 器件“。 数字信号处理的一个重要技术领域是实时数字信号处理。实时信 号处理是指系统必须在有限的时间内随外部输入信号完成指定的处 理功能，即信号处理速度应当大于信号更新( 传输) 速度。一个典型的 实时信号处理系统如图2 一l 。输入信号可能是人的语音信号、传真机 信号或在数字链路中传输的视频图像信号。输入信号在进行a d 采样 时，根据奈奎斯特采样定理，采样频率至少是输入带限信号最高频率 的2 倍，在实际应用中一般为4 倍以上。数字信号处理一般是用d s p 基于d s p 的数字图像压缩系统的研究与设计 芯片及其内部运行的实时处理软件对a d 转换后的数字信号进行特 定的处理。最后，经过处理后的信号经过d a 转换、内插和平滑滤波 得到连续的模拟信号。应当指出，并非所有的d s p 系统都具有图2 - i 模型中的部件。例如c d 和m p 3 播放器的输入信号本身就是数字信号。 i 虱2 - i 典型实时数字信号处理系统原理囤 2 2d s p 的基本硬件结构特点 世界上有许多生产d s p 的厂家，如t i 公司的一系列t m s 3 2 0 c 5 4 x 、 t m $ 3 2 0 c 6 0 0 0 ，m o t o r o a l 公司的d s p 5 6 2 0 0 等。各厂家生产的芯片的 具体功能有所不同，但是一般而言d s p 作为数字信号处理领域的专用 微处理器，d s p 芯片有一些共同的硬件结构，下面详细介绍d s p 的通 用硬件结构。 2 2 1m a c 运算硬件单元 在数字信号处理算法中，乘法和累加是基本的运算，通常它们 在数字信号处理运算占有很大的比例。例如，在卷积运算、数字滤波、 快速付氏变换、相关运算、矩阵运算等算法中，都有大量的卷积运算， 用数学公式表达乘累加为： n - 1 y ( ”) = a ( i ) b ( n o ( 2 - 1 ) f = o 另外，一些函数在计算机中用二进制运算实现时，通常采用幂级 数( 泰勒级数) 展开的方法，用数学公式表达为： m ：1 4 ( f = o 比如一个角度为0 的正弦或余弦函数，可以展开成泰勒级数，可 取其前5 项进行近似写成式： 硕七学位论文 s i n 口：工一+ 王一王+ 兰( 2 一- 3 ) f = 工一一+ + 一 t ， 31517191 式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 中相似地出现了相乘后乘积再求和的通 用形式。通用计算机的乘法是靠软件来实现的，往往需要若干个机器 周期才能完成。d s p 中针对这类运算专门设置了乘法累加器的硬件结 构和m a c ( 乘法并累加) 一类的指令。从硬件上实现了乘法器与累加器 的并行工作，可在单周期内完成一次乘法并将乘积求和的运算。因此 当对有限n 项求和时，采用d s p 则运算仅需要n 个指令周期，这样使 得d s p 作乘法累加这种数字信号处理基本运算的速度大为提高。 2 2 2 存储器和总线结构 d s p 处理器有着更高的存储器带宽。2 0 世纪8 0 年代早期，通用 微处理器通常都只有一条总线连到存储器，每个时钟周期只能访问一 次存储器，即所谓的冯诺伊曼结构。为解决对存储器带宽的需求问题， d s p 处理器发展了新的存储器和总线结构，即哈佛结构。哈佛结构允 许在单周期可以进行多次存储器访问。哈佛结构最通常的方法就是使 用多个存储器，每个存储器都有自己的总线，不同的的存储器在一个 周期内可以同时读写。通常指令存在一个存储器中，数据存在另一个 存储器中。这样的安排使得处理器可以同时获取指令和数据。即采用 多总线结构，它在片内至少有四套总线：程序地址总线、程序数据总 线、数据的地址总线和数据的数据总线。这种分离的程序和数据总线， 可允许同时获得来自程序存储器的指令字和来自数据存储器的操作 数而互不干扰，这样使得其可以同时对数据和程序进行寻址。图2 2 给出了两种不同的结构。 融 i 璺 噼娩 曩鼍 融 技 i i 图2 - 2 两种不阿的计算体系结构 在改进的哈佛结构的基础上，大多数d s p 芯片采用流水线技术， 基于d s p 的数字图像压缩系统的研究与设计 即每条指令的执行划分为取指、译码、取数、执行等步骤，由片内多 个功能单元分别完成。则相当于多条指令并行执行，从而大大提高了 运算速度。 2 2 3 寻址方式 和传统的微处理器相比，d s p 提供了更多的寻址方式，以适应 d s p 的特定处理要求，更多的寻址方式使d s p 应用方便灵活。以t i 公司的c 5 4 x 系列d s p 为例，在它的间接寻址方式中，除了通常所使 用的增量、减量和变址寻址功能。还增加了位码倒序寻址、循环寻址 等功能。 在f f t 算法中，经常要用到位码倒序寻址。在传统的微处理器上， 必须通过软件编程的方法来实现，消耗大量的存储空间和c p u 周期。 而在c 5 4 xd s p 上，利用如下两条指令就可以向外设口( p a ) 输出整序 后的f f t 变换结果了： r p t # 1 5 p o r t w* a r 2 十o b ，p a ； a r 2 中存放的是数据存储器中数据存放的基地址， ；a r o 中存放的则是f f t 长度的一半 d s p 算法中的存储器访问模式往往是可以预知的。例如，对f i r 滤波器中的每次采样，滤波系数的访问是从头到尾连续的，然后当处 理下一次采样的时候，再从系数矢量的开始进行访问。d s p 处理器的 地址生成单元利用这种访问模式的可预知性，可以支持特殊的寻址模 式，使得在处理一些算法时，处理器能够有效的访问数据。c 5 4 x d s p 处理器支持“循环寻址”，这种寻址模式允许处理器访问一块连续存 放的数据，然后再自动回到块的开始，这正是f i r 滤波中访问系数的 模式。循环寻址对于f i f o 缓冲的实现也是非常有用的。 2 3d s p 系统的设计流程 使用d s p 进行系统设计的一般流程如图2 - 3 所示，包括硬件 设计流程和软件开发步骤。其设计步骤为： ( 1 ) 算法模拟阶段，即根据应用系统目标确定系统性能指标。首 硕士学位论文 先应根据系统要求进行算法仿真和高级语言模拟实现。为了得到最佳 系统性能，在这一步骤应当确定最佳处理方法。例如，为实现针对移 动通信的视频显示，需要在给定的实现目标上作算法选择、模拟和实 现。最终找到既能满足设计需要，运算量又尽可能少的实现算法。 ( 2 ) 选择d s p 芯片。根据算法要求( 运算速度、运算精度要求、存 储器要求等) 选择d s p 芯片，设计实时d s p 系统。此阶段包括硬件设 计和软件设计两个方面。硬件设计主要根据系统要求设计d s p 芯片外 围电路和其他电路( 如转换、控制、存储、输出等电路 。软件设计主 要根据系统要求和所选的d s p 芯片编写相应的d s p 汇编软件。如果系 统运算量不大，可以采用高级语言c 和汇编语言混合编程。 ( 3 ) 硬件和软件调试阶段。硬件调试一般采用硬件仿真器进行。 软件调试一般借助d s p 开发上具有如软件模拟器、d s p 开发系统或仿 真器等进行。通过比较在d s p 所执行的实时程序和模拟程序执行情况 来判断软件设计是否正确。 ( 4 ) 集成和系统测试阶段。调试阶段完成后，实时程序被固化在 e p r o m 或者f l a s h 里面。 设计嚣求规范 确定设计目标 算j 圭研究与系统模拟实现 定义系统性能指标 硬件设计 硬件调试 暮统集成和测试 戟件犏程 二工 较件调试 图2 - 3d s p j 统设计漉程 基丁d s p 的数字图像压缩系统的研究与设计 2 4d s p 芯片的选择 d s p 系统设计中关键的一个环节是d s p 芯片的选择场合和设计目 标的不同，d s p 选择的依据重点也不同。一般地需要考虑如下因素： ( 1 ) 运算速度。当算法确定后其运算量和限定地完成时间就确定 了。由此估算出所需d s p 运算速度地下限。d s p 的运算速度可以用下 面几种指标来衡量： 指令周期：即执行一条指令所需要的时间，以纳秒为单位。如 果d s p 芯片平均在一个时钟周期内可以完成一条指令，则其指令周期 等于d s p 主频的倒数。 m a c 时间：即执行一次乘法累加运算的时间。大多数d s p 芯片 可以在一个指令周期内完成一次r a c 运算。 f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需时间。f f t 是典 型的数字信号处理算法，它可以作为综合衡量d s p 运算能力的一个指 标。 m i p s m f l o p s ：其含义是每秒百万条指令和每秒百万条浮点操 作。则两个参数分别对应于定点d s p 和浮点d s p 芯片。 ( 2 ) 运算精度。一般地浮点d s p 精度高于定点d s p ，但耗电量和 价格也比定点d s p 贵。一般定点d s p 芯片的字长为1 6 位或2 4 位，浮 点字长位3 2 位。累加器都为4 0 位。虽然适当的算法可以提高、保证 运算精度，但要相应增加程序复杂度和运算量。所以运算精度要求是 个折中问题，需要在算法确定阶段予以认真考虑。 ( 3 ) 片内硬件资源。通过对算法程序和应用目标的仔细分析可以 大致判定对d s p 芯片片内资源的要求。几个重要的考虑因素为：片内 r a m 和r o m 、外部存储器扩展空间、总线接口、d i c t a 通道、定时器、 中断、串口，主机通信，通用端口和j t a g 口等。用户需要参考厂家 推荐d s p 芯片典型应用来考虑此项要求。 ( 4 ) 芯片价格。芯片价格是d s p 应用产品民用化的重要决定因素。 般成熟稳定的比较适中。 在本图像处理系统中，需要用到处理速度非常快的d s p 芯片。在 选择芯片时考虑到芯片的资源的可用性以及性价比，根据t i 公司资 硕士学位论文 料，一款中高档的数字信号处理器t 淞3 2 0 v c 5 4 1 6 可以满足本课题的 要求。 2 4 1t m s 3 2 0 v c 5 4 16 介绍 本文采用的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 n 1 1 处理器在c 5 4 x 系列中处于先进水 平，它的程序r o m 为1 6 k 字，1 2 8 k 字r a m ，包括6 4 k 字双存取 r a m ( d a r a m ) ，1 个并行口，3 个多通道缓冲串口，设备电压3 3 v ，核 心电压1 6 v ，指令周期为6 2 5 n s ，提供了符i e e e l 4 9 1 边界扫描逻 辑接口标准的片上边界扫描仿真逻辑。因此t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 具有运算 速度快，内部存储空间大，外部接口性能好等优点。所以本系统选择 了技术上比较先进，价格可以接受的v c 5 4 1 6 作为硬件开发对象。 2 4 i 1t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的总线结构 v c 5 4 1 6 体系结构由8 条主要的1 6 位总线( 4 条程序数据总线和4 条地址总线) 构成，其中：程序总线( p b ) ：从程序存储器装载指令码和 立即操作数。3 条数据总线( c b ，踞，e b ) ：负责将片上的各个不同的 部分相互连接，例如c p u ，数据地址产生逻辑，程序地址产生逻辑， 片上外设和数据存储器。其中，c b 和d b 从数据存储器读取操作数。 e b 把操作数写到数据存储器。4 条地址总线( p a b ，c a b ，d a b ，e a b ) ： 负责装载指令执行所需要的地址。 p b 能加载保存于程序存储空间的搡作数( 如系数表) 到乘法器和 加法器进行乘累加操作或利用数据移动指令( m v p d 和r e a d a ) 把操作 数移动到数据存储空阅的目的地址中。这种性能，与双操作数读取的 特性一起，使v c 5 4 1 6 支持单周期三操作数指令。v c 5 4 1 6 还有一条双 向的片上总线用于访问片上外设。这条总线轮流使用d b 和e b 与c p u 连接啪) 。 2 4 1 2t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的存储器组织 v c 5 4 1 6 存储器被组织进三个独立的可选择的空间：程序存储 基于d s p 的数字图像压缩系统的研究与设计 空间、数据存储空间和i o 空间。 数据存储器最大寻址空间位6 4 k 字，当地址访问在边界以内时 d s p 自动产生片内访问，访问地址超出数据存储器边界后自动产生片 外访问。 v c 5 4 1 6 的程序空间最大可寻址到8 m 字。片内的r a m 和r o m 单元 可以被软件重新定位到程序空间。当这些r a m r o m 单元被定位到程序 空间以后，访闯地址在这些单元边界以内时，产生片内访问，否则， 产生片外访问。t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的程序空间最大可扩展为8 m 字，d s p 也提供了额外的支持，包括2 3 根地址线而不是通常的c 5 4 x 的1 6 位 地址总线，增加了一个存储器映射寄存器x p c 用以指明所选定的页 数，增加了六条指令来支持扩展寻址。 v c 5 4 1 6 的i 0 空间为6 4 k 字，1 o 空间均在片外。可以通过两条 指令对其进行( 输入指令p o r t r 和输出指令p o r t w ) r i o 空间寻址。 2 5c p l d 选型 c p l d 是复杂可编程逻辑器件，它是在g a l ，p a l 的基础上发展起 来的，规模大，比较适合时序、逻辑电路应用场合，在信号处理领域 的应用也非常活跃。大容量和多i o 引脚的特点更加扩大了其使用范 围，它可以代替几十甚至上百块通用i c 芯片，具有编程灵活和实现 方案容易改动等特点。即使电路板设计时有错误，也不必在板上飞线 或重新制板，只要在c p l d 软件设计中进行修改就可以改正，这样有 利于使用者将更大规模的电路实现在一块芯片中，给系统集成带来了 方便。 为了增加系统的集成度、可扩展性以使其具有更高的性能，从而 达到小型化的目的，系统增加了一片c p l d 来完成整个系统的逻辑控 制，如控制图像采集卡、存储器片选、地址译码、数据锁存等功能。 它是l a t t i c e 公司的i s p l s l 2 0 6 4 v e “，采用v h d l 语言编程完成所有 的外接电路的时序控制和地址译码。这样的方案降低了译码电路的级 数，加快了译码速度，减轻了d s p 芯片的负担，同时也很好地解决了 多接口电路的时序控制和地址译码问题。 硕士学位论文 3 1 系统方案选择 第三章系统硬件设计 实现与应用数字图像处理的方式一般可分为三类：第一种是纯软 件方法，独立使用计算机，通过软件的方法实现数字图像处理，采用 这种方法的优点是系统资源( 软硬件资源) 丰富，处理效果好，但是由 于不能脱离计算机，缺乏灵活性尤其是不能适应于便携式处理场合： 第二种是硬件实现方法，采用基于专用的v l s i 实现。例如基于f p g a 的方式，处理算法纯硬件实现，并行处理速度高，可实现高速处理； 如实现j p e g 压缩算法的c l 5 5 0 ，s t i l l 4 ，l s 4 7 0 2 ，实现肝e g 的 c l 9 5 0 ，s t l 3 5 0 0 等芯片”。此类方法十分有效，因为可以针对专门算 法进行高度优化，同时可以控制将系统的开销降为最低，其缺点在于 系统中有大量的专用模块，当算法需要修改时，便无法适应新的需要， 只能重新设计：第三种方法是软硬结合方法，其典型代表是d s p 在数 字图像处理领域的应用，这种方法以d s p 为核心辅以少量外围器件构 成一个数字图像处理硬件平台，在此基础上通过软件方法实现数字图 像处理。 3 2d s p 系统电路设计 本文设计的图像压缩系统板，其硬件设计目标是作为图像处理的 一个通用平台，系统可以在不修改硬件的基础上应用于较为广泛的便 携式图像处理场合，只需对其中的算法模块进行修改和扩充即可。 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 是本系统的中央处理器，以它为核心扩展了包括 存储器扩展、j t a g 接口电路、电源监控电路，复位电路，图像采集 卡接口电路以及这些外围的时序控制电路等，如图3 - i 所示。建立稳 定，正常的硬件电路是本系统设计的关键。 基于d s p 的数字图像压缩系统的研究与设计 图3 - i 系统硬件板原理图 3 2 1 d s p 外围时序控制电路的设计 由于在本系统中各种外围接口电路多，系统的时序控制较为复 杂，而且由于d s p 的通用i o 口少，需要扩