摘 要 基于DSP的超光譜圖像壓縮系統(tǒng)中，一方面需要尋找優(yōu)秀的算法，另一方面需要結(jié)合DSP芯片的特點(diǎn)，選取合適設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能。本文結(jié)合目前現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了算法的設(shè)計(jì)，以及DSP芯片的選取方法，并討論了如何有效地優(yōu)化系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞 DSP；圖像壓縮；超光譜圖像
1 引言
超光譜圖像壓縮技術(shù)是現(xiàn)代信息處理技術(shù)中一項(xiàng)尤為重要的技術(shù)，近幾年來(lái)基于DSP的圖像壓縮技術(shù)成為業(yè)內(nèi)焦點(diǎn)。然而，數(shù)據(jù)運(yùn)算量大、處理數(shù)據(jù)突發(fā)性強(qiáng)是圖像處理系統(tǒng)中最大的特點(diǎn)，尤其是超光譜圖像，每幅圖像一般有著上百層的光譜信息。同時(shí)，一方面，現(xiàn)有的JPEG、JPEG2000等一些標(biāo)準(zhǔn)算法并不適合超光譜圖像壓縮領(lǐng)域的要求，或者因?yàn)槠渌惴ǖ膹?fù)雜度難于硬件實(shí)現(xiàn)等；另一方面，DSP芯片的飛速發(fā)展，各芯片的性能有差異，完成的功能也不同。因此，算法的尋找與芯片的選擇，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，也是開發(fā)者十分關(guān)注的問(wèn)題。
2 系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)
圖像壓縮算法中，主要包括脈碼調(diào)制、量化法、預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、矢量量化、子帶編碼等。在現(xiàn)有圖像編碼方法進(jìn)一步發(fā)展的同時(shí)，一些新的具有重要發(fā)展前景的圖像編碼方法如模型基圖像編碼方法，分形圖像編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等，取得了引人注目的進(jìn)展并取得了不少研究成果。它們的顯著特點(diǎn)是突破了常規(guī)編碼技術(shù)所依據(jù)的信源編碼理論的框架，效果更好。
2.1 系統(tǒng)對(duì)算法的要求
目前，流行的圖像壓縮方法眾多，至于這些方法哪些更好或者哪些不好，還很難評(píng)價(jià)，而且各個(gè)算法的壓縮效率也是與具體的圖像數(shù)據(jù)和DSP芯片密切相關(guān)，無(wú)法下統(tǒng)一的結(jié)論。但總的來(lái)說(shuō)，在圖像壓縮技術(shù)中，大多是多種方法結(jié)合使用，很少有用單純一種方法完成的。
一般來(lái)說(shuō)，壓縮比越大，算法越復(fù)雜，實(shí)時(shí)壓縮解壓縮的困難程度越大，要求的硬件環(huán)境也越高。比如在可視電話中，若原圖像格式采用QCIF（176×144），則原始圖像有4.5Mb/s的數(shù)據(jù)量，若最后用28.8kb/S的MODEM在PSTN上傳輸，則要提供150多倍的壓縮。當(dāng)然，由于算法的復(fù)雜度增大，還需付出大量的軟件和硬件代價(jià)。
對(duì)于不同的應(yīng)用系統(tǒng)，算法有相應(yīng)的要求。如遙感超光譜圖像實(shí)時(shí)壓縮系統(tǒng)中，一般要求是無(wú)損壓縮，且芯片體積小，性能穩(wěn)定等；而在視頻圖像壓縮系統(tǒng)中，則要求較大的壓縮比，即使丟掉一些信息也是允許的，且芯片處理速度要快，能夠達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。即使在確定的系統(tǒng)中，選擇合適的算法也有著重要的意義。比如采用 ADI公司Blackfin533系列DSP（定點(diǎn)DSP），當(dāng)處理一幅大小為720×576的灰度圖片時(shí)，采用改進(jìn)后的DCT算法共耗時(shí)252ms。如果采用傳統(tǒng)的DCT變換方法，僅DCT變換耗時(shí)就達(dá)到330ms�？梢姡惴ǖ倪x擇對(duì)系統(tǒng)的性能有著非常重要的作用。
2.2 算法的選取
到2007年為止，基于DSP的圖像壓縮技術(shù)中，最常見的是變換編碼和熵編碼。前者通過(guò)變換，重新組織數(shù)據(jù)，使圖像能量相對(duì)集中于較少的幾個(gè)系數(shù)，而其他的系數(shù)值只具有很小能量，這樣通過(guò)抑制能量小的系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，壓縮方法是有損還是無(wú)損也由變換編碼中是否丟棄一些高頻能量來(lái)決定，如小波變換和離散余弦變換等；后者則是在編碼過(guò)程中不丟失信息量，即要求保存信息熵，是根據(jù)消息出現(xiàn)概率的分布特性而進(jìn)行的，是無(wú)損壓縮編碼。在超光譜圖像壓縮系統(tǒng)中，往往是要求無(wú)損或近無(wú)損，一般采用傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)編碼（DPCM）方法，它不經(jīng)過(guò)變換，直接探索像素與像素之間的相關(guān)性和波段與波段之間的相關(guān)性。一般在波段之間采用預(yù)測(cè)編碼，波段內(nèi)采用變換編碼，去掉波段和像素之間的相關(guān)性，然后再采用熵編碼。
對(duì)于DSP硬件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最擅長(zhǎng)的工作是算法簡(jiǎn)單的加法和移位運(yùn)算。如果需要保持較高的編碼效率，則要盡可能采用運(yùn)算簡(jiǎn)單，避免乘法、查找和判斷的算法，盡量保持軟硬件的流水線結(jié)構(gòu)。因此，目前能在DSP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的圖像編碼中，采用的算法大多具有這些特點(diǎn)。。
比如變換編碼中的整數(shù)小波變換，乘法器占用很大的硬件資源，不利于芯片實(shí)現(xiàn)，但由于小波濾波器的系數(shù)是固定的，因此把乘法操作優(yōu)化為移位寄存器和加法器操作，即只存在簡(jiǎn)單的移位和加法操作，速度很快，占用內(nèi)存少，非常利于硬件實(shí)現(xiàn)。而熵編碼中的算術(shù)編碼，2001年就有人提出一種改進(jìn)的Q-coder算術(shù)編碼算法[2]，采用重整化方法，可以用來(lái)解決硬件實(shí)現(xiàn)中的進(jìn)位翻轉(zhuǎn)問(wèn)題，采用移位加來(lái)代替原算法中的乘法，可以在硬件花費(fèi)較少的情況下顯著提高算法的編碼效率。
3 系統(tǒng)的芯片選擇
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇DSP芯片是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有選定了DSP芯片，才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。超光譜圖像壓縮系統(tǒng)中DSP芯片的選擇應(yīng)考慮實(shí)際應(yīng)用的需要而確定。
第一，要確定采用哪個(gè)公司或哪個(gè)系列的芯片。DSP的主要供應(yīng)商有TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog等，其中TI 占有最大的市場(chǎng)份額。另外ADI公司也占有一定的市場(chǎng)，與TI公司相比，ADI公司的DSP芯片系統(tǒng)時(shí)鐘一般不經(jīng)分頻直接使用，串行口帶有硬件壓擴(kuò)，可從8位EPROM引導(dǎo)程序，可變成等待狀態(tài)發(fā)生器等。由于工作時(shí)鐘較高的原因,TI公司的DSP芯片在單芯片處理能力上優(yōu)于ADI公司的產(chǎn)品,但是在多芯片集成處理上ADI公司的DSP芯片性能更好一些。其他如ALTEAR公司的產(chǎn)品也有著部分市場(chǎng)。例如，APEX20K系列的APEX20K200EFC484-2X器件，在H.264標(biāo)準(zhǔn)中，先對(duì)算術(shù)編碼的結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，用查表代替了乘法操作，并采用流水線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，它的算術(shù)編碼器的速度可以達(dá)到0.2bit/cycle[3]。
