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基于Blackfin533的CCSDS图像压缩算法编码优化

发布时间:2019-05-25 08:33 来源:未知 编辑:admin

  摘要 通过程序结构的调整,编码结构的优化及代码的汇编级优化,完成编码器的高效实现。实验结果表明,优化后的编码器降低了运算复杂度,提高了CCSDS图像压缩算法的实时性。

  空间数据咨询会(CCSDS)于2005年11月提出的针对空间应用的CCSDS图像压缩算法,具有良好的图像压缩性能和抗误码能力,同时算法复杂度较低。但在具体硬件实现时,仍不能够满足实时高效的要求,因此,必须对该算法的硬件实现进行改进和优化。文中针对这一问题,提出编码优化方案,提高算法的实时性。采用ADI公司的Blackfin533芯片以及VisualDSP++5.0仿真平台,是实现CCSDS编码器的有效途径。

  文中采用CCSDS图像压缩算法编、解码的C程序源代码。通过以下几个方面实现优化:调整程序结构;编码结构的优化;代码的汇编级优化。

  选用的源代码是符合CCSDS图像压缩算法标准流程的编、解码器源代码,代码容量约为326 kB,对于实时图像压缩,其中含有大量的冗余代码,而所用芯片的64 kB指令存储器是远远满足不了要求的,因此,要将CCSDS源代码移植到DSP上,就必须调整程序结构,去掉冗余代码,降低程序所占内存。

  (1)删除与编码无关的代码。(2)删除冗余判断。(3)删除不必要的中间变量。(4)改写编码主函数。

  经过以上优化,代码容量降低为56 kB,这样,所选用的Blackfin533芯片的L1指令存储器就足以容纳,而无需利用高速Cache和DMA进行指令的传输,提高了编码效率。

  在以上优化的基础上,采用Blackfin533芯片对Lena图像进行压缩,压缩比率为8:1,时间为3425 ms,远达不到实时性的要求。因此,还需对编码结构和算法进行改进,以提高编码速度。

  在CCSDS图像压缩算法中有多种编码供选取,增大了算法的灵活性,但也增加了算法硬件实现的复杂度,并且这些编码选项在实现时存在大量判断语句。一般情况下,判断分支会打断DSP指令运行的流水线,从而影响编码运行时间。所以在进行DSP移植时应进行编码选项。

  1)编码段大小S的选取:如图l所示,S64时,重建图像的客观质量增加趋于平缓,所以在实现时选择S大小为64,这样一个编码段所需的编码原数据存储量为8kB,从而可以保证对编码段的编码过程在数据存储器L1中完成,而无需Cache和DMA在各级存储器之间转移数据,提高了编码效率。

  2)DC系数编码选项k的选取:标准中提供了最优化和启发式两种k值选择方式,文中选择复杂度较低的启发式选取方案。

  1)Blackfin533是16位定点DSP处理器,而在源代码中使用的是浮点DWT,移植在定点DSP中运行需要大量时间。测试结果表明:对512× 512的图像进行浮点DWI变换耗时3000 ms以上,影响了CCSDS图像压缩算法的编码效率。因此在实现过程中,采用定点化的方法实现浮点DWT,并最终汇编化,使对图像进行浮点DWT处理的时间降低到12 ms以下。

  2)源代码中有大量数组类型的指针变量,其缓冲区是通过malloc和calloc等函数进行动态分配的,这样会占用大量的编码时间和可能会导致内存泄露以及导致DMA数组传输错误等问题,所以在实现过程中,由于所需编码的图像信息是可以事先得知的,于是可用静态数组来代替动态申请的数组,这样不仅指定了分配的位置,便于DMA传输,还缩短了编码时间。

  3)编码块的数据格式选取:源代码中是将一个编码块按照二维数组的格式进行存储的,即8×8的格式。在实现过程中发现,DC系数编码及AC系数字的映射过程对二维数组的索引取值耗时很长,因此可以将编码块改成一维数组,即1×64的组织形式,这样在实现过程中可以减少编码时间。

  4)用查表法代替大量的判断分支:AC系数熵编码函数RiceCoding中有大量的分支判断语句,占据大量的编码时间,用查表法替换这里的分支判断语句,可以使函数的编码时间减少80%以上。此外,CCSDS编码器代码中的大量分支判断语句和RiceCoding函数一样,也可用查表法实现。这正是以空间换时间的典型应用。

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