1、基于DSP芯片的超光譜圖像壓縮技能摘要基于DSP的超光譜圖像壓縮體系中，一方面必要探求良好的算法，另一方面必要結(jié)合DSP芯片的特點(diǎn)，拔取符合方案方案，實(shí)現(xiàn)體系方案的成效。本文結(jié)合如今近況，重點(diǎn)先容了算法的方案，以及DSP芯片的拔取要領(lǐng)，并討論了怎樣有效地優(yōu)化體系。關(guān)鍵詞DSP；圖像壓縮；超光譜圖像超光譜圖像壓縮技能是當(dāng)代信息處置懲罰技能中一項(xiàng)尤為緊張的技能，近幾年來(lái)基于DSP的圖像壓縮技能成為業(yè)內(nèi)核心。然而，數(shù)據(jù)運(yùn)算量大、處置懲罰數(shù)據(jù)突發(fā)性強(qiáng)是圖像處置懲罰體系中最大的特點(diǎn)，尤其是超光譜圖像，每幅圖像一樣平常有著上百層的光譜信息。同時(shí)，一方面，現(xiàn)有的JPEG、JPEG2000等一些尺度算法并不得

2、當(dāng)超光譜圖像壓縮范疇的要求，大概由于其算法的龐大度難于硬件實(shí)現(xiàn)等；另一方面，DSP芯片的飛速生長(zhǎng)，各芯片的性能有差異，完成的成效也差異。因此，算法的探求與芯片的選擇，是體系方案的關(guān)鍵步調(diào)，也是開拓者非常存眷的題目。圖像壓縮算法中，重要包羅脈碼調(diào)制、量化法、猜測(cè)編碼、變更編碼、矢量量化、子帶編碼等。在現(xiàn)有圖像編碼要領(lǐng)進(jìn)一步生長(zhǎng)的同時(shí)，一些新的具有緊張生長(zhǎng)遠(yuǎn)景的圖像編碼要領(lǐng)如模子基圖像編碼要領(lǐng)，分形圖像編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要領(lǐng)等，獲得了引人注目的希望并獲得了不少研究結(jié)果。它們的明顯特點(diǎn)是打破了通例編碼技能所根據(jù)的信源編碼理論的框架，結(jié)果更好。2.1體系對(duì)算法的要求如今，盛行的圖像壓縮要領(lǐng)浩繁，至于這些要

3、領(lǐng)哪些更好大概哪些欠好，還很難評(píng)價(jià)，并且各個(gè)算法的壓縮服從也是與詳細(xì)的圖像數(shù)據(jù)和DSP芯片嚴(yán)密相干，無(wú)法下同一的結(jié)論。但總的來(lái)說(shuō)，在圖像壓縮技能中，大多是多種要領(lǐng)結(jié)合利用，很少有效單純一種要領(lǐng)完成的。一樣平常來(lái)說(shuō)，壓縮比越大，算法越龐大，及時(shí)壓縮解壓縮的困難程度越大，要求的硬件環(huán)境也越高。好比在可視 中，假設(shè)原圖像格式接納QIF176144，那么原始圖像有4.5b/s的數(shù)據(jù)量，假設(shè)末了用28.8kb/S的DE在PSTN上傳輸，那么要提供150多倍的壓縮。固然，由于算法的龐大度增大，還需支付大量的軟件和硬件代價(jià)。對(duì)付差異的應(yīng)用體系，算法有相應(yīng)的要求。如遙感超光譜圖像及時(shí)壓縮體系中，一樣平常要求是

4、無(wú)損壓縮，且芯片體積小，性能不變等；而在視頻圖像壓縮體系中，那么要求較大的壓縮比，縱然丟掉一些信息也是容許的，且芯片處置懲罰速率要快，可以或許到達(dá)體系及時(shí)性的要求?？v然在確定的體系中，選擇符合的算法也有著緊張的意義。好比接納ADI公司Blakfin533系列DSP定點(diǎn)DSP，當(dāng)處置懲罰一幅巨細(xì)為720576的灰度圖片時(shí)，接納革新后的DT算法共耗時(shí)252s。假設(shè)接納傳統(tǒng)的DT變更要領(lǐng)，僅DT變更耗時(shí)就到達(dá)330s?？梢?，算法的選擇對(duì)體系的性能有著非常緊張的作用。2.2算法的拔取到2022年為止，基于DSP的圖像壓縮技能中，最常見的是變更編碼和熵編碼。前者通過(guò)變更，重新構(gòu)造數(shù)據(jù)，使圖像能量相對(duì)會(huì)合

5、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，如許通過(guò)按捺能量小的系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，壓縮要領(lǐng)是有損照舊無(wú)損也由變更編碼中是否拋棄一些高頻能量來(lái)決定，如小波變更和離散余弦變更等；后者那么是在編碼歷程中不喪失信息量，即要求保存信息熵，是按照消息出現(xiàn)概率的漫衍特性而舉行的，是無(wú)損壓縮編碼。在超光譜圖像壓縮體系中，每每是要求無(wú)損或近無(wú)損，一樣平常接納傳統(tǒng)的猜測(cè)編碼DP要領(lǐng)，它不顛末變更，直接探究像素與像素之間的相干性和波段與波段之間的相干性。一樣平常在波段之間接納猜測(cè)編碼，波段內(nèi)接納變更編碼，去掉波段和像素之間的相干性，然后再接納熵編碼。對(duì)付DSP硬件體系來(lái)說(shuō)，最擅長(zhǎng)的事情是算法簡(jiǎn)樸的加法和移

6、位運(yùn)算。假設(shè)必要保持較高的編碼服從，那么要盡大概接納運(yùn)算簡(jiǎn)樸，制止乘法、查尋和斷定的算法，只管保持軟硬件的流水線布局。因此，如今能在DSP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的圖像編碼中，接納的算法大多具有這些特點(diǎn)。好比變更編碼中的整數(shù)小波變更，乘法器占用很大的硬件資源，倒霉于芯片實(shí)現(xiàn)，但由于小波濾波器的系數(shù)是結(jié)實(shí)的，因此把乘法操縱優(yōu)化為移位存放器和加法器操縱，即只存在簡(jiǎn)樸的移位和加法操縱，速率很快，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年就有人提出一種革新的Q-der算術(shù)編碼算法2，接納重整化要領(lǐng)，可以用來(lái)辦理硬件實(shí)現(xiàn)中的進(jìn)位翻轉(zhuǎn)題目，接納移位加來(lái)取代原算法中的乘法，可以在硬件消耗較少的環(huán)境下明顯

7、進(jìn)步算法的編碼服從。在體系方案歷程中，選擇DSP芯片黑白常緊張的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有選定了DSP芯片，才氣進(jìn)一步方案其外圍電路及體系的其他電路。超光譜圖像壓縮體系中DSP芯片的選擇應(yīng)思量現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的必要而確定。第一，要確定接納哪個(gè)公司或哪個(gè)系列的芯片。DSP的重要供給商有TI，ADI，trla，Luent和Zilg等，此中TI占據(jù)最大的市場(chǎng)份額。別的ADI公司也占據(jù)必然的市場(chǎng)，與TI公司比擬，ADI公司的DSP芯片體系時(shí)鐘一樣平常不經(jīng)分頻直接利用，串行口帶有硬件壓擴(kuò)，可從8位EPR引導(dǎo)步伐，可釀成等候狀態(tài)產(chǎn)生器等。由于事情時(shí)鐘較高的緣故原由,TI公司的DSP芯片在單芯片處置懲罰本領(lǐng)上優(yōu)于ADI公司的產(chǎn)

8、物,但是在多芯片集成處置懲罰上ADI公司的DSP芯片性能更好一些。其他如ALTEAR公司的產(chǎn)物也有著部門市常比方，APEX20K系列的APEX20K200EF484-2X器件，在H.264尺度中，先對(duì)算術(shù)編碼的布局做了革新，用查表取代了乘法操縱，并接納流水線布局實(shí)現(xiàn)，它的算術(shù)編碼器的速率可以到達(dá)0.2bit/yle3。圖像壓縮范疇中，我國(guó)市場(chǎng)上最常見的是TI公司的6000系列芯片。只管5000系列芯片也可用于圖像處置懲罰體系，但滿意不了及時(shí)性的要求。好比在指令周期為10ns的5402上對(duì)一個(gè)1巨細(xì)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流舉行算術(shù)編碼,需0.4s4,假設(shè)處置懲罰一副512*512*8的圖像，最少必要800

9、多秒，不克不及滿意現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。別的另有8x系列多核DSP集成體系等,但由于代價(jià)昂貴和開拓龐大也將被鐫汰。第二，確定選擇定點(diǎn)或是浮點(diǎn)DSP。體系接納的數(shù)據(jù)格式?jīng)Q定了它所處置懲罰信號(hào)的精度、動(dòng)態(tài)范疇和信噪比，且差異數(shù)據(jù)格式的易用性和開舉事度也不一樣。如今定點(diǎn)DSP品種最多，處置懲罰速率為202400IPS；浮點(diǎn)DSP根本由TI公司和ADI公司把持，處置懲罰速率為401GFLPS。浮點(diǎn)DSP和定點(diǎn)DSP比擬，有以下幾個(gè)方面的區(qū)別：起首，浮點(diǎn)運(yùn)算DSP比定點(diǎn)運(yùn)算DSP的動(dòng)態(tài)范疇要大許多。好比，對(duì)付處置懲罰8bit/pixel的灰度圖來(lái)說(shuō)，用16bit定點(diǎn)DSP即可；假設(shè)大于16bit/pixel，那么

10、需選用浮點(diǎn)DSP來(lái)捕獲更大的動(dòng)態(tài)范疇。其次，浮點(diǎn)DSP處置懲罰速率大大高于定點(diǎn)DSP，這一長(zhǎng)處在實(shí)現(xiàn)高精度龐大算法時(shí)尤為突出。好比做JPEG尺度如許龐大的算法，一樣平常接納浮點(diǎn)DSP。2022年有人利用TI的6711芯片，實(shí)現(xiàn)了JPEG算法，只管處置懲罰時(shí)間為56秒，但假設(shè)充實(shí)發(fā)揮芯片的潛能，處置懲罰速率還可以得到大幅度改進(jìn)5。別的，浮點(diǎn)DSP的尋址空間比定點(diǎn)DSP大得多。這一方面為大型龐大算法提供了大概，另一方面也為高級(jí)匯編語(yǔ)言編譯器、DSP操縱體系等高級(jí)東西軟件的應(yīng)用提供了條件?？梢钥闯觯↑c(diǎn)DSP的處置懲罰速率與精度、存儲(chǔ)器的容量、編程的機(jī)動(dòng)性和便利性要好于定點(diǎn)DSP；但在功耗、本錢、體

11、積上定點(diǎn)DSP有它明顯的上風(fēng)，且易于實(shí)現(xiàn)，不變性好。第三，其他因素。除了上面的因素外，超光譜圖像壓縮體系選擇DSP芯片還需綜合思量片內(nèi)資源、開拓東西、芯片代價(jià)、封裝情勢(shì)、質(zhì)量尺度、供貨環(huán)境、生命周期等。尤其是對(duì)付芯片的體積，封裝情勢(shì)和生命周期等方面的要求，比一樣平常的圖像處置懲罰體系要高。如今接納最多的，也是壓縮性能較好的是整數(shù)小波變更和算術(shù)編碼。其革新的算法有著不錯(cuò)的結(jié)果，且能用定點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)，如TS32062x和64x，尤其是對(duì)付整數(shù)小波變更，險(xiǎn)些全部的6000系列都可以實(shí)現(xiàn)；但是對(duì)付比力龐大和必要查表一類的算法，接納浮點(diǎn)的比力多，如JPEG和JPEG2000尺度算法，Huffan編碼等等

12、，那么必要選用如67x浮點(diǎn)DSP。比方，對(duì)一幅巨細(xì)512512，24位真彩圖作為尺度測(cè)試圖像，可選擇TS3206711DSP浮點(diǎn)DSP，假設(shè)利用JPEG2000尺度舉行壓縮，那么優(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)主不雅視覺結(jié)果精良6。體系的性能優(yōu)化包羅軟件優(yōu)化和硬件優(yōu)化。在圖像處置懲罰算法中，存在大量的循環(huán)操縱，因此充實(shí)地利用軟件流水線技能，能極大地進(jìn)步步伐的運(yùn)行速率，還可以節(jié)省硬件本錢,使體系變得簡(jiǎn)樸,進(jìn)步體系的不變性。比方，在模板匹配算法中，對(duì)付模板巨細(xì)為3216，匹配范疇為11256，接納最小絕對(duì)差和斷定法SAD舉行逐點(diǎn)匹配，假設(shè)接納TS320620

13、3芯片，全部的運(yùn)算和操縱都串行實(shí)行，且耗時(shí)都只1個(gè)PU時(shí)鐘周期，那么統(tǒng)共必要51253200=8192000個(gè)PU時(shí)鐘周期，耗時(shí)32s。而舉行軟件優(yōu)化后，處置懲罰速率進(jìn)步了約21.8，結(jié)果是十明白顯的7。別的在2022年有人研究了去相干、內(nèi)聯(lián)函數(shù)、短整型數(shù)據(jù)用整型處置懲罰和軟件流水技能，辦理了軟件服從題目，接納基于DSP核及其數(shù)據(jù)鏈路特性的優(yōu)化要領(lǐng)，可以使軟件服從進(jìn)步515倍。并把這些優(yōu)化技能應(yīng)用在基于DSP6416平臺(tái)的及時(shí)圖像壓縮體系中，在輸入數(shù)據(jù)率82byte/s110byte/s、輸出碼流29byte/s的條件下，使該體系到達(dá)了及時(shí)處置懲罰的本領(lǐng)，該算法已在國(guó)度某重點(diǎn)工程中樂成運(yùn)用。硬

14、件優(yōu)化方面，必要思量存儲(chǔ)空間，充實(shí)利用快速存儲(chǔ)器，只管節(jié)流步伐和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。一樣平常把核心的代碼和常用函數(shù)放在速率較快的內(nèi)部RA中，可以進(jìn)步體系的速率；假設(shè)數(shù)據(jù)放在速率較慢的片外存儲(chǔ)空間，讀取數(shù)據(jù)時(shí)便會(huì)造成DSP流水線的停頓。因此，可以利用DA模塊將待處置懲罰數(shù)據(jù)搬移到片內(nèi)存儲(chǔ)空間，可以大大進(jìn)步處置懲罰性能。如2022年提出的一種接納乒乓緩存計(jì)謀的二維整型提拔小波的并行體系布局，用移位操縱取代乘法操縱，大大鐫汰了算法的運(yùn)算量。整個(gè)布局接納流水線方案，進(jìn)步了硬件資源的利用率和低落了算法的中心存儲(chǔ)量，與原算法比擬，速率進(jìn)步了15倍，到達(dá)了每秒85幀；重構(gòu)圖像的峰值信噪比也到達(dá)了42dB以上8。

15、總之，體系優(yōu)化的時(shí)間，要針對(duì)詳細(xì)芯片的特點(diǎn)，把軟件算法與硬件布局交融，才氣大大進(jìn)步體系的服從。以64x為例，由于64x具有雙16位擴(kuò)大成效，能在一個(gè)周期內(nèi)完成雙16位乘法、加減法、比力、移位等操縱，因此可以將短整型數(shù)據(jù)用整型處置懲罰或更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)范例舉行處置懲罰，如許一次可以把兩個(gè)16位的數(shù)據(jù)讀入一個(gè)32位存放器，然后用內(nèi)聯(lián)函數(shù)舉行處置懲罰，充實(shí)利用64x的雙16位擴(kuò)大成效，服從可以進(jìn)步60多倍9。如今，圖像壓縮技能生長(zhǎng)越來(lái)越快。一方面，壓縮算法不竭的美滿；另一方面，DSP性能的不竭進(jìn)步，使得基于DSP的圖像壓縮技能成為業(yè)內(nèi)存眷的核心。本文結(jié)合當(dāng)前DSP芯片在圖像壓縮范疇中的應(yīng)用近況，給出了超光

16、譜圖像壓縮體系方案歷程中，算法的方案和芯片的選摘要領(lǐng)，提出了辦理軟件算法和硬件布局之間的抵牾的思緒，并討論了體系的優(yōu)化?？梢砸饬?，以后DSP將朝著體系高度集成、高速高性能、可機(jī)動(dòng)編程、與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的標(biāo)的目的生長(zhǎng)，同時(shí)，開拓職員也更專注開拓專用DSP，將它應(yīng)用于如遙感超光譜圖像壓縮、醫(yī)學(xué)圖像處置懲罰等范疇，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中發(fā)揮它的宏大上風(fēng)。1蔣青松,王建宇.多光譜圖像的信息闡發(fā)及數(shù)據(jù)壓縮J.紅外技能,2022,Vl.26(N.1):44-472彭云,任俊彥,葉凡,周翔.一種適于硬件實(shí)現(xiàn)的算術(shù)編碼算法J.通訊學(xué)報(bào),2001,Vl.22(N.2):49-533陳光化,陸桂富,武凱.基于上下文的自順應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼的硬件實(shí)現(xiàn)J.微電子學(xué)與盤算機(jī),2022,Vl.23(N.11):16-254羅鈞,張國(guó)彬.JPEG2000中的二進(jìn)制算術(shù)編碼及其DSP實(shí)現(xiàn)J.重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2022:Vl.26(N.4):34-375蘇艷玲,孫德輝.基于DSP的圖像編