基于LM9627的JPEG2000压缩与传输系统

摘    要：本系统采用美国国家半导体公司的高速彩色图像传感器LM9627，以多片浮点DSP TMS320C6713作为图像处理硬件平台，辅以40/80万门FPGA作为图像采集控制器，实现了高质量、高压缩比率、低码率的JPEG2000编码，通过蓝牙无线传输协议将数据流传到上位机显示和保存。

图1 系统硬件框图

图2 基站设计

系统结构
整个系统主要由n台PC基站、m×n台手持移动终端(每台PC基站负责m台手持移动终端)组成。其中PC基站以USB2.0为核心，通过蓝牙无线传输协议实现手持移动终端与基站的高速通信。手持移动终端以TMS320VC5402为核心实现系统控制，以TMS320C6713为处理器实现JPEG2000图像编码算法。

系统硬件设计
硬件结构
如图1所示，整个系统采用类似于PC104的栈式结构，主要由LM9627摄像头、图像处理子板和系统控制主板三个部分组成。
LM9627模块设计
为了提高系统的可扩展性，本系统把摄像头作为单独的一个模块设计，主要包括模拟部分、数据接口和控制接口三个部分。其中J2为数据接口，连接到图像处理子板的FPGA上；J1为控制接口，连接到系统控制主板上。
图像处理子板
图像处理子板由采集控制协处理器FPGA、C6713和两片“乒乓”工作的SRAM组成。
两片视频采集FPGA芯片EP1C6Q240分别采集奇数帧和偶数帧(每帧包含奇数场和偶数场)图像，每个FPGA对LM9627的视频流进行格式分析，将相应的RGB分量转换为YUV分量，并以4:1:1的格式存储在SRAM内。两片SRAM以“乒乓”的方式工作，即同一时刻一片用于采集视频图像，另一片用做DSP的图像缓冲区。
两片C6713实现复杂的JPEG2000压缩算法。为了后续的扩展，使得C6713能够处理更大尺寸的图像，每片DSP扩展16MB的SDRAM，SDRAM以100MHz的频率工作，满足图像压缩过程中大量数据交换的要求。
系统控制主板
系统控制主板以DSP C5402为核心处理器，主要负责三个任务：通过 控制LM9627摄像头；让多块图像处理子板协调工作，通过MailBox—FIFO读取它们的压缩结果；将读取的压缩结果按照蓝牙协议发送到PC基站。
为了满足高的数据交换速度，主处理器TMS320VC5402以100MHz工作，一边通过MailBox—FIFO读取压缩结果，一边将读取的压缩结果按照蓝牙协议发送到PC基站，从而实现JPEG2000的实时压缩与解码显示。

系统软件设计
图像采集软件设计
为了让系统做到实时，可通过LM9627的I2C控制总线让它工作在隔行扫描方式，则输出640×480分辨率的图像数据。而场频，则：帧频

(隔行扫描)，行频
。
本文采用Verilog HDL语言，实现了LM9627的实时图像采集。
C6713上JPEG2000算法设计
本系统的JPEG2000编码算法在C6713上的开发包括两个阶段。
算法实现第一阶段
用C语言模拟DSP的JPEG2000算法，以判断代码的正确性，验证JPEG2000算法的复杂度、可靠性，以及JPEG2000自身的压缩性能。
本系统的JPEG2000编码器包括小波变换(wavelet)、熵编码(MQenc)、码率控制和打包(rateallocation)三个主要模块。LM9627输出为RGB，把它转化为Y:U:V=4:1:1的视频数据流，分别对三个分量进行DC位移、小波变换、熵编码，然后将三个分量所有码块的编码流根据码率控制要求进行分层组织，其中包括码流截断操作，编码器的输出即是打包后的分层位流。
进行DC电平位移(预处理)的目的是为了在解码时能够从有符号的数值中正确恢复重构无符号采样值。传统小波变换的运算量相当大，而且往往将8位图像数据变换为浮点型，在编码中引入量化失真，不利于图像数据的无损压缩，因此JPEG2000主要采用基于UMDFB(抽2取1滤波器组)提升小波算法。其优点在于速度快、运算复杂度低、所需的存储空间少，而且得到的小波系数与使用传统小波变换得到的结果相同。JPEG2000选用两种滤波器：LeGall5/3滤波器和Daubechies9/7滤波器。考虑到本系统的实时性要求以及无损压缩需求，选用5/3小波运算。当小波分解级数提高的时候分解系数的能量更为集中，但小波分解级数的提高会使编码效率有所下降，对于本系统，4CIF(704×576)分辨率采样图像进行5级小波分解，CIF(352×288)图像进行4级小波分解就足够了。由于采用整型模式运算，所有的量化步长均被置为1，即量化过程可以忽略。
多分辨率支持可通过小波变换来实现，多失真度支持则可通过熵编码来解决。传统Huffman编码采取依次对每个系数进行熵编码的方式；JPEG2000编码系统则是将小波变换后的子带划分成小的码块，并将码块中的小波系数组织成若干位平面进行编码。以“位平面”为编码元，有两点好处：可以更好地利用图像局部的统计特性，为随机获取图像压缩位流提供支持；有助于提高压缩码流的抗误码性能。在进行块编码时，JPEG2000强调多截断点的支持，截断点越多，表明图像可提供更多的质量选择。如果对每个码块仅进行位平面编码，那么对于数据最高位数为N的块，最多可得到N个截断点。很多时候这种截断是粗糙的而且截断点数目过少。为了获得更多的截断点，EBCOT引入“编码通道”的概念，将每个位平面进一步分成子位平面(编码通道)。在JPEG2000编码系统中使用三个编码通道:有效性通道、幅度细化通道和清除通道。这样对某个码块Bi来说，可能的截断点可以有3N个。进行位平面编码时，JPEG2000采用的是快速自适应二进制算术编码。
算法实现第二阶段
编写JPEG2000汇编代码，并抽出对性能影响比较大的代码段进一步优化。TMS320C67l3基于TI的VLIW技术，利用VLIW结构设计程序可以充分利用DSP多个功能单元并行工作的特性。DSP的每一个通道都有四个功能单元(L、S、M、D)，每个功能单元负责完成一定的逻辑或者算术运算，另外A、B两个通道的互访可以通过交叉单元1x、2x完成。TM320C6713的大部分指令都可在单周期内完成，可以直接对8/16/32位数据进行操作。同时，它最多可以有8条指令并行执行；所有指令均可条件执行。 以上所有特点提高了指令的执行效率、减小了代码长度、提高了编码效率。
C6713只有两个D单元负责数据存取，在一个时钟周期中最多有两条数据存取指令并行执行，并且从存储区取数据的LDB/LDH/LDW指令有4个时钟周期的延时，严重影响了CPU的效率。为此在编码时应尽量减少从存储区中取数据的次数。 例如在小波变换中，我们在对SRAM里的8位采样值数据进行取操作(LDB)时，可以充分利用C6713的32位寄存器，一次从存储区中取地址相邻的4个8位数(用32位操作指令LDW)，然后分别进行运算，这样就充分利用了CPU的资源，减少了4倍的数据存取量。
流水线操作是DSP实现高速度、高效率的关键技术之一。当一条指令的处理已经准备好后到流水线的下一级，但是那一级却还没有准备接收新的输入时，流水线冲突就不可避免。流水线冲突可以分为三大类：跳转冲突、寄存器冲突和存储器冲突。为解决流水线冲突问题，在使用汇编语言时需要特别注意C6000指令的延迟情况，有些指令并不是立刻就能得到结果。
此外，为了保证代码效率，必须提前知道每一条指令的运行周期数，并提前安排该指令或重新调整指令顺序。只有尽量将这些指令的前后指令放在它们所需的延迟间隙内并行执行，才能达到减少等待周期、提高程序效率的效果。经过C语言模拟算法到全汇编实现的优化，然后再对汇编代码进行优化，使得系统的性能大大提高。
基站的设计
PC基站主要由蓝牙接收和上位机JPEG2000解码两个部分组成，其原理如图2所示。而上位机解压软件主要包括LM9627传感器设置和图像采集控制，前者主要发送从地址和设置值给终端，终端通过 设置LM9627；后者控制系统的图像采集分辨率和压缩比。

测试结果
主观图像质量比较
由于采取了上述技术，理论上JPEG2000应提供更好的性能和更多的功能，下面通过几组对比数据加以验证。用作参考的JPEG算法是当前业界硬件平台上使用最广泛的压缩算法，测试图片为24位真彩色lenna图。实验采用的压缩性能度量是峰值信噪比(PSNR)：

PSNR反映的是图像信噪比变化情况的统计平均，它是目前广泛应用的衡量图像主观质量的方法。由表1的数据可以得出以下结论：在较高压缩比率情况下，JPEG2000的信噪比均高出JPEG 6~9dB；在高分辨率情况下，JPEG2000的信噪比值下降度低于码率下降度，这意味着，分辨率越高，越能体现JPEG2000的高压缩比性能。当信噪比低于26dB时，JPEG的重构图由于严重的马赛克效应已经无法分辨，而此时的JPEG2000重构图像虽然在细节部分已经有所损失，但是图像轮廓仍旧比较明晰。表中“—”表示此时图像质量已经很低，计算的PSNR值不再具有实际意义。
系统处理速度
本系统在系统控制主板DSP—VC5402的控制下，让两块图像处理子板稳定可靠地并行工作，具体测试结果如表2所示。

结语
本系统以低成本实现了高质量的图像压缩功能，具有广泛的应用价值。主要应用领域可概略分成两部分：一为传统的JPEG市场，像打印机、扫描仪和数码相机等，一为新兴的应用领域，像网络传输、无线通信和医疗图像等。
由于早先的Motion JPEG不提供无损模式，未能广泛应用到视频编码领域。而本系统所采用的JPEG2000算法结合DSP系统的高效率处理性能，能够很好地把静态图像压缩技术引入视频编码领域。