系統結構

整個系統主要由n臺PC基站、m×n臺手持移動終端(每臺PC基站負責m臺手持移動終端)組成。其中PC基站以USB2.0為核心，通過藍牙無線傳輸協議實現手持移動終端與基站的高速通信。手持移動終端以TMS320VC5402為核心實現系統控制，以TMS320C6713為處理器實現JPEG2000圖像編碼算法。

系統硬件設計

硬件結構

如圖1所示，整個系統采用類似于PC104的棧式結構，主要由LM9267攝像頭、圖像處理子板和系統控制主板三個部分組成。LM9627模塊設計為了提高系統的可擴展性，本系統把攝像頭作為單獨的一個模塊設計，主要包括模擬部分、數據接口和控制接口三個部分。其中J2為數據接口，連接到圖像處理子板的FPGA上；J1為控制接口，連接到系統控制主板上。圖像處理子板圖像處理子板由采集控制協處理器FPGA、C6713和兩片“乒乓”工作的SRAM組成。兩片視頻 采集FPGA芯片EP1C6Q240分別采集奇數幀和偶數幀(每幀包含奇數場和偶數場)圖像，每個FPGA對LM9627的視頻流進行格式分析，將相應的 RGB分量轉換為YUV分量，并以4:1:1的格式存儲在SRAM內。兩片SRAM以“乒乓”的方式工作，即同一時刻一片用于采集視頻圖像，另一片用做 DSP的圖像緩沖區。兩片C6713實現復雜的JPEG2000壓縮算法。為了后續的擴展，使得C6713能夠處理更大尺寸的圖像，每片DSP擴展16MB的SDRAM，SDRAM以100MHz的頻率工作，滿足圖像壓縮過程中大量數據交換的要求。

圖1 系統硬件框圖

系統控制主板

系統控制主板以DSP C5402為核心處理器，主要負責三個任務：通過 控制LM9627攝像頭；讓多塊圖像處理子板協調工作，通過MailBox—FIFO讀取它們的壓縮結果；將讀取的壓縮結果按照藍牙協議發送到PC基站。 為了滿足高的數據交換速度，主處理器TMS320VC5402以100MHz工作，一邊通過MailBox—FIFO讀取壓縮結果，一邊將讀取的壓縮結果 按照藍牙協議發送到PC基站，從而實現JPEG2000的實時壓縮與解碼顯示。

系統軟件設計

圖像采集軟件設計為了讓系統做到實時，可通過LM9627的I2C控制總線讓它工作在隔行掃描方式，則輸出640×480分辨率的圖像數據。而場頻，則： 幀頻 (隔行掃描)，行頻。本文采用Verilog HDL語言，實現了LM9627的實時圖像采集。C6713上JPEG2000算法設計本系統的JPEG2000編碼算法在C6713上的開發包括兩個階段。

算法實現第一階段：

用C語言模擬DSP的JPEG2000算法，以判斷代碼的正確性，驗證JPEG2000算法的復雜度、可靠性，以及JPEG2000自身的壓縮性能。本系 統的JPEG2000編碼器包括小波變換(wavelet)、熵編碼(MQenc)、碼率控制和打包(rateallocation)三個主要模塊。 LM9627輸出為RGB，把它轉化為Y:U:V=4:1:1的視頻數據流，分別對三個分量進行DC位移、小波變換、熵編碼，然后將三個分量所有碼塊的編 碼流根據碼率控制要求進行分層組織，其中包括碼流截斷操作，編碼器的輸出即是打包后的分層位流。進行DC電平位移(預處理)的目的是為了在解碼時能夠從有 符號的數值中正確恢復重構無符號采樣值。傳統小波變換的運算量相當大，而且往往將8位圖像數據變換為浮點型，在編碼中引入量化失真，不利于圖像數據的無損 壓縮，因此JPEG2000主要采用基于UMDFB(抽2取1濾波器組)提升小波算法。其優點在于速度快、運算復雜度低、所需的存儲空間少，而且得到的小 波系數與使用傳統小波變換得到的結果相同。

JPEG2000選用兩種濾波器：LeGall5/3濾波器和Daubechies9/7濾波器。考慮到本系統的實時性要求以及無損壓縮需求，選用5/3 小波運算。當小波分解級數提高的時候分解系數的能量更為集中，但小波分解級數的提高會使編碼效率有所下降，對于本系統，4CIF(704×576)分辨率 采樣圖像進行5級小波分解，CIF(352×288)圖像進行4級小波分解就足夠了。由于采用整型模式運算，所有的量化步長均被置為1，即量化過程可以忽略。多分辨率支持可通過小波變換來實現，多失真度支持則可通過熵編碼來解決。

傳統Huffman編碼采取依次對每個系數進行熵編碼的方式；JPEG2000編碼系統則是將小波變換后的子帶劃分成小的碼塊，并將碼塊中的小波系數組織 成若干位平面進行編碼。以“位平面”為編碼元，有兩點好處：可以更好地利用圖像局部的統計特性，為隨機獲取圖像壓縮位流提供支持；有助于提高壓縮碼流的抗 誤碼性能。在進行塊編碼時，JPEG2000強調多截斷點的支持，截斷點越多，表明圖像可提供更多的質量選擇。如果對每個碼塊僅進行位平面編碼，那么對于 數據最高位數為N的塊，最多可得到N個截斷點。很多時候這種截斷是粗糙的而且截斷點數目過少。為了獲得更多的截斷點，EBCOT引入“編碼通道”的概念， 將每個位平面進一步分成子位平面(編碼通道)。在JPEG2000編碼系統中使用三個編碼通道:有效性通道、幅度細化通道和清除通道。這樣對某個碼塊Bi 來說，可能的截斷點可以有3N個。進行位平面編碼時，JPEG2000采用的是快速自適應二進制算術編碼。

算法實現第二階段

編寫JPEG2000匯編代碼，并抽出對性能影響比較大的代碼段進一步優化。TMS320C67l3基于TI的VLIW技術，利用VLIW結構設計程序可 以充分利用DSP多個功能單元并行工作的特性。DSP的每一個通道都有四個功能單元(L、S、M、D)，每個功能單元負責完成一定的邏輯或者算術運算，另 外A、B兩個通道的互訪可以通過交叉單元1x、2x完成。TM320C6713的大部分指令都可在單周期內完成，可以直接對8/16/32位數據進行操 作。同時，它最多可以有8條指令并行執行；所有指令均可條件執行。

以上所有特點提高了指令的執行效率、減小了代碼長度、提高了編碼效率。C6713只有兩個D單元負責數據存取，在一個時鐘周期中最多有兩條數據存取指令并 行執行，并且從存儲區取數據的LDB/LDH/LDW指令有4個時鐘周期的延時，嚴重影響了CPU的效率。為此在編碼時應盡量減少從存儲區中取數據的次 數。 例如在小波變換中，我們在對SRAM里的8位采樣值數據進行取操作(LDB)時，可以充分利用C6713的32位寄存器，一次從存儲區中取地址相鄰的4個 8位數(用32位操作指令LDW)，然后分別進行運算，這樣就充分利用了CPU的資源，減少了4倍的數據存取量。流水線操作是DSP實現高速度、高效率的 關鍵技術之一。當一條指令的處理已經準備好后到流水線的下一級，但是那一級卻還沒有準備接收新的輸入時，流水線沖突就不可避免。

流水線沖突可以分為三大類：跳轉沖突、寄存器沖突和存儲器沖突。為解決流水線沖突問題，在使用匯編語言時需要特別注意C6000指令的延遲情況，有些指令 并不是立刻就能得到結果。此外，為了保證代碼效率，必須提前知道每一條指令的運行周期數，并提前安排該指令或重新調整指令順序。只有盡量將這些指令的前后 指令放在它們所需的延遲間隙內并行執行，才能達到減少等待周期、提高程序效率的效果。經過C語言模擬算法到全匯編實現的優化，然后再對匯編代碼進行優化， 使得系統的性能大大提高。

基站的設計

PC基站主要由藍牙接收和上位機JPEG2000解碼兩個部分組成，其原理如圖2所示。而上位機解壓軟件主要包括LM9627傳感器設置和圖像采集控制， 前者主要發送從地址和設置值給終端，終端通過 設置LM9627；后者控制系統的圖像采集分辨率和壓縮比。

圖2 基站設計

測試結果主觀圖像質量比較由于采取了上述技術，理論上JPEG2000應提供更好的性能和更多的功能，下面通過幾組對比數據加以驗證。用作參考的JPEG算法是當前業界硬件平臺上使用最廣泛的壓縮算法，測試圖片為24位真彩色lenna圖。

實驗采用的壓縮性能度量是峰值信噪比(PSNR)：PSNR反映的是圖像信噪比變化情況的統計平均，它是目前廣泛應用的衡量圖像主觀質量的方法。由表1的 數據可以得出以下結論：在較高壓縮比率情況下，JPEG2000的信噪比均高出JPEG 6~9dB；在高分辨率情況下，JPEG2000的信噪比值下降度低于碼率下降度，這意味著，分辨率越高，越能體現JPEG2000的高壓縮比性能。當信 噪比低于26dB時，JPEG的重構圖由于嚴重的馬賽克效應已經無法分辨，而此時的JPEG2000重構圖像雖然在細節部分已經有所損失，但是圖像輪廓仍 舊比較明晰。表中“—”表示此時圖像質量已經很低，計算的PSNR值不再具有實際意義。系統處理速度本系統在系統控制主板DSP—VC5402的控制下， 讓兩塊圖像處理子板穩定可靠地并行工作，具體測試結果如表2所示。

結語

本系統以低成本實現了高質量的圖像壓縮功能，具有廣泛的應用價值。主要應用領域可概略分成兩部分：一為傳統的JPEG市場，像打印機、掃描儀和數碼相機 等，一為新興的應用領域，像網絡傳輸、無線通信和醫療圖像等。由于早先的Motion JPEG不提供無損模式，未能廣泛應用到視頻編碼領域。而本系統所采用的JPEG2000算法結合DSP系統的高效率處理性能，能夠很好地把靜態圖像壓縮 技術引入視頻編碼領域。