圖像壓縮領(lǐng)域中，我國市場上最常見的是TI公司的C6000系列芯片。盡管C5000系列芯片也可用于圖像處理系統(tǒng)，但滿足不了實(shí)時(shí)性的要求。比如在指令周期為10ns的C5402上對一個(gè)1M大小的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流進(jìn)行算術(shù)編碼,需0.4s[4],若處理一副512*512*8的圖像，最少需要800多秒，不能滿足實(shí)際的應(yīng)用。另外還有C8x系列多核DSP集成系統(tǒng)等,但由于價(jià)格昂貴和開發(fā)復(fù)雜也將被淘汰。
第二，確定選擇定點(diǎn)或是浮點(diǎn)DSP。系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)格式?jīng)Q定了它所處理信號的精度、動態(tài)范圍和信噪比，且不同數(shù)據(jù)格式的易用性和開發(fā)難度也不一樣。目前定點(diǎn)DSP品種最多，處理速度為20~2400MIPS；浮點(diǎn)DSP基本由TI公司和ADI公司壟斷，處理速度為40M~1GFLOPS。
浮點(diǎn)DSP和定點(diǎn)DSP相比，有以下幾個(gè)方面的區(qū)別：首先，浮點(diǎn)運(yùn)算DSP比定點(diǎn)運(yùn)算DSP的動態(tài)范圍要大很多。比如，對于處理8bit/pixel的灰度圖來說，用16bit定點(diǎn)DSP即可；如果大于16bit/pixel，則需選用浮點(diǎn)DSP來捕捉更大的動態(tài)范圍。其次，浮點(diǎn)DSP處理速度大大高于定點(diǎn)DSP，這一優(yōu)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)高精度復(fù)雜算法時(shí)尤為突出。比如做JPEG標(biāo)準(zhǔn)這樣復(fù)雜的算法，一般采用浮點(diǎn)DSP。2005年有人使用TI的C6711芯片，實(shí)現(xiàn)了JPEG算法，盡管處理時(shí)間為5~6秒，但若充分發(fā)揮芯片的潛能，處理速度還可以得到大幅度改善[5]。另外，浮點(diǎn)DSP的尋址空間比定點(diǎn)DSP大得多。這一方面為大型復(fù)雜算法提供了可能，另一方面也為高級匯編語言編譯器、DSP操作系統(tǒng)等高級工具軟件的應(yīng)用提供了條件。
可以看出，浮點(diǎn)DSP的處理速度與精度、存儲器的容量、編程的靈活性和方便性要好于定點(diǎn)DSP；但在功耗、成本、體積上定點(diǎn)DSP有它顯著的優(yōu)勢，且易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好。
第三，其他因素。除了上面的因素外，超光譜圖像壓縮系統(tǒng)選擇DSP芯片還需綜合考慮片內(nèi)資源、開發(fā)工具、芯片價(jià)格、封裝形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情況、生命周期等。尤其是對于芯片的體積，封裝形式和生命周期等方面的要求，比一般的圖像處理系統(tǒng)要高。
目前采用最多的，也是壓縮性能較好的是整數(shù)小波變換和算術(shù)編碼。其改進(jìn)的算法有著不錯(cuò)的效果，且能用定點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)，如TMS320C62x和C64x，尤其是對于整數(shù)小波變換，幾乎所有的C6000系列都可以實(shí)現(xiàn)；但是對于比較復(fù)雜和需要查表一類的算法，采用浮點(diǎn)的比較多，如JPEG和JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)算法，Huffman編碼等等，則需要選用如C67x浮點(diǎn)DSP。例如，對一幅大小512×512，24 位真彩圖作為標(biāo)準(zhǔn)測試圖像，可選擇TMS320C6711DSP（浮點(diǎn)DSP），若使用JPEG2000 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮，則優(yōu)化后的壓縮時(shí)間約為 4.8s，解碼時(shí)間約為 2.2s，壓縮率為 20 倍，同時(shí)主觀視覺效果良好[6]。
4 系統(tǒng)性能優(yōu)化
系統(tǒng)的性能優(yōu)化包括軟件優(yōu)化和硬件優(yōu)化。
在圖像處理算法中，存在大量的循環(huán)操作，因此充分地利用軟件流水線技術(shù)，能極大地提高程序的運(yùn)行速度，還可以節(jié)約硬件成本,使系統(tǒng)變得簡單,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
例如，在模板匹配算法中，對于模板大小為 32×16，匹配范圍為112×56，采用最小絕對差和判定法（SAD）進(jìn)行逐點(diǎn)匹配，假設(shè)采用TMS320C6203芯片，所有的運(yùn)算和操作都串行執(zhí)行，且耗時(shí)都只1個(gè) CPU 時(shí)鐘周期，則總共需要512×5×3200=8192000個(gè)CPU時(shí)鐘周期，耗時(shí)32ms。而進(jìn)行軟件優(yōu)化后，處理速度提高了約21.8，效果是十分明顯的[7]。另外在2006年有人研究了去相關(guān)、內(nèi)聯(lián)函數(shù)、短整型數(shù)據(jù)用整型處理和軟件流水技術(shù)，解決了軟件效率問題，采用基于DSP核及其數(shù)據(jù)鏈路特征的優(yōu)化方法，可以使軟件效率提高5~15倍。并把這些優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用在基于DSP6416平臺的實(shí)時(shí)圖像壓縮系統(tǒng)中，在輸入數(shù)據(jù)率82M byte/s~110M byte/s、輸出碼流29M byte/s的條件下，使該系統(tǒng)達(dá)到了實(shí)時(shí)處理的能力，該算法已在國家某重點(diǎn)項(xiàng)目中成功運(yùn)用。
硬件優(yōu)化方面，需要考慮存儲空間，充分利用快速存儲器，盡量節(jié)省程序和數(shù)據(jù)的存儲空間。一般把核心的代碼和常用函數(shù)放在速度較快的內(nèi)部RAM中，可以提高系統(tǒng)的速度；若數(shù)據(jù)放在速度較慢的片外存儲空間，讀取數(shù)據(jù)時(shí)便會造成DSP流水線的停頓。因此，可以利用DMA模塊將待處理數(shù)據(jù)搬移到片內(nèi)存儲空間，可以大大提高處理性能。如2006年提出的一種采用乒乓緩存策略的二維整型提升小波的并行體系結(jié)構(gòu)，用移位操作代替乘法操作，大大減少了算法的運(yùn)算量。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用流水線設(shè)計(jì)，提高了硬件資源的利用率和降低了算法的中間存儲量，與原算法相比，速度提高了15倍，達(dá)到了每秒85幀；重構(gòu)圖像的峰值信噪比也達(dá)到了42dB以上[8]。
總之，系統(tǒng)優(yōu)化的時(shí)候，要針對具體芯片的特點(diǎn)，把軟件算法與硬件結(jié)構(gòu)融合，才能大大提高系統(tǒng)的效率。以C64x為例，由于C64x具有雙16位擴(kuò)充功能，能在一個(gè)周期內(nèi)完成雙16位乘法、加減法、比較、移位等操作，因此可以將短整型數(shù)據(jù)用整型處理或更長的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行處理，這樣一次可以把兩個(gè)16位的數(shù)據(jù)讀入一個(gè)32位寄存器，然后用內(nèi)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行處理，充分利用C64x的雙16位擴(kuò)充功能，效率可以提高60多倍[9]。
5 總結(jié)與展望
目前，圖像壓縮技術(shù)發(fā)展越來越快。一方面，壓縮算法不斷的完善；另一方面，DSP性能的不斷提高，使得基于DSP的圖像壓縮技術(shù)成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文結(jié)合當(dāng)前DSP芯片在圖像壓縮領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，給出了超光譜圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，算法的設(shè)計(jì)和芯片的選擇方法，提出了解決軟件算法和硬件結(jié)構(gòu)之間的矛盾的思路，并討論了系統(tǒng)的優(yōu)化。
可以預(yù)料，今后DSP將朝著系統(tǒng)高度集成、高速高性能、可靈活編程、與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方向發(fā)展，同時(shí)，開發(fā)人員也更專注開發(fā)專用DSP，將它應(yīng)用于如遙感超光譜圖像壓縮、醫(yī)學(xué)圖像處理等領(lǐng)域，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮它的巨大優(yōu)勢。
參考文獻(xiàn)
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