基于DSP芯片的超光谱图像压缩技术

1、基于DSP芯片的超光谱图像压缩技能摘要基于DSP的超光谱图像压缩体系中，一方面必要探求良好的算法，另一方面必要结合DSP芯片的特点，拔取符合方案方案，实现体系方案的成效。本文结合如今近况，重点先容了算法的方案，以及DSP芯片的拔取要领，并讨论了怎样有效地优化体系。关键词DSP；图像压缩；超光谱图像超光谱图像压缩技能是当代信息处置惩罚技能中一项尤为紧张的技能，近几年来基于DSP的图像压缩技能成为业内核心。然而，数据运算量大、处置惩罚数据突发性强是图像处置惩罚体系中最大的特点，尤其是超光谱图像，每幅图像一样平常有着上百层的光谱信息。同时，一方面，现有的JPEG、JPEG2000等一些尺度算法并不得

2、当超光谱图像压缩范畴的要求，大概由于其算法的庞大度难于硬件实现等；另一方面，DSP芯片的飞速生长，各芯片的性能有差异，完成的成效也差异。因此，算法的探求与芯片的选择，是体系方案的关键步调，也是开拓者非常存眷的题目。图像压缩算法中，重要包罗脉码调制、量化法、猜测编码、变更编码、矢量量化、子带编码等。在现有图像编码要领进一步生长的同时，一些新的具有紧张生长远景的图像编码要领如模子基图像编码要领，分形图像编码和神经网络要领等，获得了引人注目的希望并获得了不少研究结果。它们的明显特点是打破了通例编码技能所根据的信源编码理论的框架，结果更好。2.1体系对算法的要求如今，盛行的图像压缩要领浩繁，至于这些要

3、领哪些更好大概哪些欠好，还很难评价，并且各个算法的压缩服从也是与详细的图像数据和DSP芯片严密相干，无法下同一的结论。但总的来说，在图像压缩技能中，大多是多种要领结合利用，很少有效单纯一种要领完成的。一样平常来说，压缩比越大，算法越庞大，及时压缩解压缩的困难程度越大，要求的硬件环境也越高。好比在可视 中，假设原图像格式接纳QIF176144，那么原始图像有4.5b/s的数据量，假设末了用28.8kb/S的DE在PSTN上传输，那么要提供150多倍的压缩。固然，由于算法的庞大度增大，还需支付大量的软件和硬件代价。对付差异的应用体系，算法有相应的要求。如遥感超光谱图像及时压缩体系中，一样平常要求是

4、无损压缩，且芯片体积小，性能不变等；而在视频图像压缩体系中，那么要求较大的压缩比，纵然丢掉一些信息也是容许的，且芯片处置惩罚速率要快，可以或许到达体系及时性的要求。纵然在确定的体系中，选择符合的算法也有着紧张的意义。好比接纳ADI公司Blakfin533系列DSP定点DSP，当处置惩罚一幅巨细为720576的灰度图片时，接纳革新后的DT算法共耗时252s。假设接纳传统的DT变更要领，仅DT变更耗时就到达330s。可见，算法的选择对体系的性能有着非常紧张的作用。2.2算法的拔取到2022年为止，基于DSP的图像压缩技能中，最常见的是变更编码和熵编码。前者通过变更，重新构造数据，使图像能量相对会合

5、于较少的几个系数，而其他的系数值只具有很小能量，如许通过按捺能量小的系数，即可实现数据压缩，压缩要领是有损照旧无损也由变更编码中是否抛弃一些高频能量来决定，如小波变更和离散余弦变更等；后者那么是在编码历程中不丧失信息量，即要求保存信息熵，是按照消息出现概率的漫衍特性而举行的，是无损压缩编码。在超光谱图像压缩体系中，每每是要求无损或近无损，一样平常接纳传统的猜测编码DP要领，它不颠末变更，直接探究像素与像素之间的相干性和波段与波段之间的相干性。一样平常在波段之间接纳猜测编码，波段内接纳变更编码，去掉波段和像素之间的相干性，然后再接纳熵编码。对付DSP硬件体系来说，最擅长的事情是算法简朴的加法和移

6、位运算。假设必要保持较高的编码服从，那么要尽大概接纳运算简朴，制止乘法、查寻和断定的算法，只管保持软硬件的流水线布局。因此，如今能在DSP平台实现的图像编码中，接纳的算法大多具有这些特点。好比变更编码中的整数小波变更，乘法器占用很大的硬件资源，倒霉于芯片实现，但由于小波滤波器的系数是结实的，因此把乘法操纵优化为移位存放器和加法器操纵，即只存在简朴的移位和加法操纵，速率很快，占用内存少，非常利于硬件实现。而熵编码中的算术编码，2001年就有人提出一种革新的Q-der算术编码算法2，接纳重整化要领，可以用来办理硬件实现中的进位翻转题目，接纳移位加来取代原算法中的乘法，可以在硬件消耗较少的环境下明显

7、进步算法的编码服从。在体系方案历程中，选择DSP芯片黑白常紧张的一个环节。只有选定了DSP芯片，才气进一步方案其外围电路及体系的其他电路。超光谱图像压缩体系中DSP芯片的选择应思量现实应用的必要而确定。第一，要确定接纳哪个公司或哪个系列的芯片。DSP的重要供给商有TI，ADI，trla，Luent和Zilg等，此中TI占据最大的市场份额。别的ADI公司也占据必然的市场，与TI公司比拟，ADI公司的DSP芯片体系时钟一样平常不经分频直接利用，串行口带有硬件压扩，可从8位EPR引导步伐，可酿成等候状态产生器等。由于事情时钟较高的缘故原由,TI公司的DSP芯片在单芯片处置惩罚本领上优于ADI公司的产

8、物,但是在多芯片集成处置惩罚上ADI公司的DSP芯片性能更好一些。其他如ALTEAR公司的产物也有着部门市常比方，APEX20K系列的APEX20K200EF484-2X器件，在H.264尺度中，先对算术编码的布局做了革新，用查表取代了乘法操纵，并接纳流水线布局实现，它的算术编码器的速率可以到达0.2bit/yle3。图像压缩范畴中，我国市场上最常见的是TI公司的6000系列芯片。只管5000系列芯片也可用于图像处置惩罚体系，但满意不了及时性的要求。好比在指令周期为10ns的5402上对一个1巨细的二进制数据流举行算术编码,需0.4s4,假设处置惩罚一副512*512*8的图像，最少必要800

9、多秒，不克不及满意现实的应用。别的另有8x系列多核DSP集成体系等,但由于代价昂贵和开拓庞大也将被镌汰。第二，确定选择定点或是浮点DSP。体系接纳的数据格式决定了它所处置惩罚信号的精度、动态范畴和信噪比，且差异数据格式的易用性和开举事度也不一样。如今定点DSP品种最多，处置惩罚速率为202400IPS；浮点DSP根本由TI公司和ADI公司把持，处置惩罚速率为401GFLPS。浮点DSP和定点DSP比拟，有以下几个方面的区别：起首，浮点运算DSP比定点运算DSP的动态范畴要大许多。好比，对付处置惩罚8bit/pixel的灰度图来说，用16bit定点DSP即可；假设大于16bit/pixel，那么

10、需选用浮点DSP来捕获更大的动态范畴。其次，浮点DSP处置惩罚速率大大高于定点DSP，这一长处在实现高精度庞大算法时尤为突出。好比做JPEG尺度如许庞大的算法，一样平常接纳浮点DSP。2022年有人利用TI的6711芯片，实现了JPEG算法，只管处置惩罚时间为56秒，但假设充实发挥芯片的潜能，处置惩罚速率还可以得到大幅度改进5。别的，浮点DSP的寻址空间比定点DSP大得多。这一方面为大型庞大算法提供了大概，另一方面也为高级汇编语言编译器、DSP操纵体系等高级东西软件的应用提供了条件。可以看出，浮点DSP的处置惩罚速率与精度、存储器的容量、编程的机动性和便利性要好于定点DSP；但在功耗、本钱、体

11、积上定点DSP有它明显的上风，且易于实现，不变性好。第三，其他因素。除了上面的因素外，超光谱图像压缩体系选择DSP芯片还需综合思量片内资源、开拓东西、芯片代价、封装情势、质量尺度、供货环境、生命周期等。尤其是对付芯片的体积，封装情势和生命周期等方面的要求，比一样平常的图像处置惩罚体系要高。如今接纳最多的，也是压缩性能较好的是整数小波变更和算术编码。其革新的算法有着不错的结果，且能用定点DSP实现，如TS32062x和64x，尤其是对付整数小波变更，险些全部的6000系列都可以实现；但是对付比力庞大和必要查表一类的算法，接纳浮点的比力多，如JPEG和JPEG2000尺度算法，Huffan编码等等

12、，那么必要选用如67x浮点DSP。比方，对一幅巨细512512，24位真彩图作为尺度测试图像，可选择TS3206711DSP浮点DSP，假设利用JPEG2000尺度举行压缩，那么优化后的压缩时间约为4.8s，解码时间约为2.2s，压缩率为20倍，同时主不雅视觉结果精良6。体系的性能优化包罗软件优化和硬件优化。在图像处置惩罚算法中，存在大量的循环操纵，因此充实地利用软件流水线技能，能极大地进步步伐的运行速率，还可以节省硬件本钱,使体系变得简朴,进步体系的不变性。比方，在模板匹配算法中，对付模板巨细为3216，匹配范畴为11256，接纳最小绝对差和断定法SAD举行逐点匹配，假设接纳TS320620

13、3芯片，全部的运算和操纵都串行实行，且耗时都只1个PU时钟周期，那么统共必要51253200=8192000个PU时钟周期，耗时32s。而举行软件优化后，处置惩罚速率进步了约21.8，结果是十明白显的7。别的在2022年有人研究了去相干、内联函数、短整型数据用整型处置惩罚和软件流水技能，办理了软件服从题目，接纳基于DSP核及其数据链路特性的优化要领，可以使软件服从进步515倍。并把这些优化技能应用在基于DSP6416平台的及时图像压缩体系中，在输入数据率82byte/s110byte/s、输出码流29byte/s的条件下，使该体系到达了及时处置惩罚的本领，该算法已在国度某重点工程中乐成运用。硬

14、件优化方面，必要思量存储空间，充实利用快速存储器，只管节流步伐和数据的存储空间。一样平常把核心的代码和常用函数放在速率较快的内部RA中，可以进步体系的速率；假设数据放在速率较慢的片外存储空间，读取数据时便会造成DSP流水线的停顿。因此，可以利用DA模块将待处置惩罚数据搬移到片内存储空间，可以大大进步处置惩罚性能。如2022年提出的一种接纳乒乓缓存计谋的二维整型提拔小波的并行体系布局，用移位操纵取代乘法操纵，大大镌汰了算法的运算量。整个布局接纳流水线方案，进步了硬件资源的利用率和低落了算法的中心存储量，与原算法比拟，速率进步了15倍，到达了每秒85帧；重构图像的峰值信噪比也到达了42dB以上8。

15、总之，体系优化的时间，要针对详细芯片的特点，把软件算法与硬件布局交融，才气大大进步体系的服从。以64x为例，由于64x具有双16位扩大成效，能在一个周期内完成双16位乘法、加减法、比力、移位等操纵，因此可以将短整型数据用整型处置惩罚或更长的数据范例举行处置惩罚，如许一次可以把两个16位的数据读入一个32位存放器，然后用内联函数举行处置惩罚，充实利用64x的双16位扩大成效，服从可以进步60多倍9。如今，图像压缩技能生长越来越快。一方面，压缩算法不竭的美满；另一方面，DSP性能的不竭进步，使得基于DSP的图像压缩技能成为业内存眷的核心。本文结合当前DSP芯片在图像压缩范畴中的应用近况，给出了超光

16、谱图像压缩体系方案历程中，算法的方案和芯片的选摘要领，提出了办理软件算法和硬件布局之间的抵牾的思绪，并讨论了体系的优化。可以意料，以后DSP将朝着体系高度集成、高速高性能、可机动编程、与网络结合的标的目的生长，同时，开拓职员也更专注开拓专用DSP，将它应用于如遥感超光谱图像压缩、医学图像处置惩罚等范畴，在现实应用中发挥它的宏大上风。1蒋青松,王建宇.多光谱图像的信息阐发及数据压缩J.红外技能,2022,Vl.26(N.1):44-472彭云,任俊彦,叶凡,周翔.一种适于硬件实现的算术编码算法J.通讯学报,2001,Vl.22(N.2):49-533陈光化,陆桂富,武凯.基于上下文的自顺应二进制算术编码的硬件实现J.微电子学与盘算机,2022,Vl.23(N.11):16-254罗钧,张国彬.JPEG2000中的二进制算术编码及其DSP实现J.重庆大学学报,2022:Vl.26(N.4):34-375苏艳玲,孙德辉.基于DSP的图像编