1、基于TS201S的JPEG2000編碼算法的研究與實現辛勤 宋嬋 王展 朱鵬（國防科學技術大學，長沙，410073，sc0509）摘 要: 介紹了JPEG2000靜態圖像壓縮標準的基本框架及算法原理，設計了基于TS201S DSP芯片的硬件系統,并利用匯編語言實現了JPEG2000壓縮，在實現的過程中對小波變換和算術編碼部分進行了優化，提高了壓縮效率。關鍵詞: JPEG2000；小波變換；算術編碼；DSPA JPEG2000 Compression systerm Based on TS201S DSPXIN Qin，SONG Chan，WANG Zhan，ZHU Peng(National

2、University of Defense Technology, chang sha，410073)Abstract: The basic principles of JPEG2000 image compression standard is introduced first, then a hardware system based on TS201S DSP is described on which the JPEG2000 compression algorithm is designed in assembly language. In the process of realiz

3、ation, the wavelet transform and the arithmetic coding has been optimized, so the compressed efficiency is increased.Keywords: JPEG2000；wavelet transform；Arithmetic Coding； DSP1 引言JPEG2000是基于小波變換、算術編碼以及嵌入式碼流組織等新技術的新一代靜態圖像國際壓縮標準，它具有優良的壓縮性能和圖像質量，有著廣闊的應用前景。但是到目前為止適用于JPEG2000標準的專用硬件壓縮芯片還比較少,只有像ADI公司的ADV

4、202等。這極大地制約了JPEG2000技術的商業應用,本文針對這種情況,選擇ADI公司通用DSP芯片TS201S為核心處理單元，實現了JPEG2000的編碼算法。2 JPEG2000壓縮標準的基本原理典型的JPEG2000編解碼系統如圖1所示。編碼器結構包括預處理、離散小波變換、量化、算術編碼(Tier-1編碼)及比特流組織(Tier-2編碼)。在編碼時，首先對原始圖像劃分為各個tile，然后進行預處理，預處理中兩個很重要的步驟就是直流電平平移和分量轉換，接著再以tilecomponent為單位對數據進行小波提升，為了提高壓縮率，可進一步將小波系數進行量化，然后將量化后的小波系數劃分成更小的

5、數據單元碼塊，對每個碼塊進行獨立的嵌入式編碼。將得到的所有碼塊的嵌入式位流按照率失真最優原則分層組織，形成不同質量的層。對每一層按照一定的碼流格式打包，輸出壓縮碼流。圖1 JPEG2000壓縮算法原理框圖Fig.1 The principles of JPEG2000 compression algorithm diagram3系統硬件結構本文設計的JPEG2000編碼系統的硬件框圖如圖2所示，它首先利用PCI總線將上位機的原始RGB圖像數據和命令參數傳至系統的SDRAM中，然后按瓦片對原始數據進行直流電平平移、分量轉換、小波變換、和EBCOT編碼。最后將壓縮后的數據打包傳回上位機。圖2 JP

6、EG2000編碼系統的硬件結構框圖Fig.2 the hardware structure diagram of JPEG2000 coding systemTS201S是美國ADI公司推出的TigerSHARC系列處理器1，其內核工作頻率高達720MHz。具有強大的定點和浮點數處理能力，16位定點處理能力達4800MMAC/s，浮點數處理能力為3600MFLOPS，因此它同時適用于JPEG2000中的無損壓縮和有損壓縮。它內部擁有容量可達6*4Mbit的存儲器，為圖像壓縮提供大容量的高速緩存。它還具有雙處理單元，支持合并的存儲器讀/寫尋址方式，也就是在一條指令中可以同時取兩個操作數分別送入X

7、與Y處理單元2，這一特性非常有利于并行處理。4 JPEG2000編碼實現的關鍵技術JPEG2000靜態圖像壓縮原理樣機的性能不僅取決于硬件平臺的處理能力，還取決于任務的數據結構設計、算法設計與編程效率。為提高系統的執行速度，我們完全用TS201S處理器的匯編語言來實現圖像壓縮算法，并對關鍵的小波變換(DWT)算法和基于最優截斷嵌入式碼塊編碼(EBCOT)算法進行了優化設計。4.1小波變換(DWT)小波變換是一種典型的濾波算法，它是對大批量的數據進行固定的一系列乘加運算移位操作。這些特征使之能夠在采用單指令多數據（SIMD）模式和具有超長指令結構的TS201S處理器上高效率的實現。本文以9/7小

8、波變換為例，在編程實現時充分利用TS201S的各種有利特性對算法的流程進行優化調整。首先，利用TS201S的單指令多數據模式，以利用它內部兩個模塊在一個指令周期中對原始數據的兩行并行進行小波變換，這樣可以將運算效率提高一倍3。其次，因為DSP內部RAM資源有限，我們不能將存放在片外存儲器中的原始圖像數據一起取進片內，等到將整個圖像壓縮完再存回片外。只能將每幅圖像的部分行和列數據分開單獨進行，而數據在片內外的導入導出勢必占用大量的系統資源，降低程序的效率。所以，我們需要利用DSP內部的DMA通道，這樣數據的傳輸將在后臺自動執行，將內核釋放出來，小波提升和數據傳輸可以同時進行，提高運算效率。4.2

9、概率轉移表的設計EBCOT算法是JPEG2000中的核心算法之一， 它對量化后的小波系數的采用位平面掃描和MQ編碼。通過位平面掃描得到每個bit的上下文(CX)和當前bit位(D)。自適應算術編碼器MQ 對CX和D進行處理得到壓縮后的數據。因此，如何高效獲取上下文的概率值及如何實現其自適應功能是JPEG2000壓縮系統中的重要技術。這里我們介紹如何實現上下文概率的獲得。CX是位平面編碼中根據鄰域相關性歸納而來的概率統計模型,共有19種。JPEG2000中這些概率存放在一個專用的概率估計表(C-24)中, 該表包括94種情況。我們將這94種情況定義成數組，如下所示：.var Qe_Table94

10、*4 = /概率值，當前大概率編碼，NMPS ，NLPS0x5601, 0, Qe_Table+8, Qe_Table+12, /當前大概率符號為00x5601, 1, Qe_Table+12, Qe_Table+8, /當前大概率符號為10x3401, 0, Qe_Table+16, Qe_Table+48,/當前大概率符號為00x3401, 1, Qe_Table+20, Qe_Table+52,/當前大概率符號為1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11、;該數組的特點是：它將大概率符號(MPS)為0的概率轉移表和大概率符號為1的概率轉移表包含在一個數組里而不是分別定義為一個數組，即奇數行描述的是當前大概率符號為0時的概率轉移，偶數行描述的是當前大概率符號為0時的概率轉移。數組設計的巧妙之處在于：如果SWITCH=1，在概率狀態改變的過程中可以同時實現當前大概率符號的轉變。例如，在概率轉移表C-21中第1行，注意到SWITCH=1的，這就意味著如果下一個接收到的符號不是當前的MPS，不僅概率要發生變化，MPS的含義也要發生改變。與此對應，我們看數組Qe_Table的第一行，它的當前MPS是0，如果下一個接收符號是0(是當前的MPS)，那么MPS

12、含義不變，只要修改概率索引指向Qe_Table +8。如果下一個接收符號是1(不是當前的MPS)，則不但概率索引要發生變化，MPS也要由0變成1。此時其狀態要指向Qe_Table +12，即數組中的第4行，而非第3行，這不但完成了概率的改變，MPS的含義也有0變成了1，即同時也完成了MPS的改變。5 壓縮結果性能分析我們采用TS201S匯編語言來實現JPEG2000編碼算法。實驗結果表明，使用優化后的匯編程序使壓縮過程能在大大縮短時間的條件下保持著良好的信噪比，以lake.bmp（512×512，24位真彩）圖像作為測試圖像，原圖和10倍壓縮后的圖像如圖3所示。 (a)原始圖像 (b

13、)壓縮后圖像圖3 壓縮前后的圖像對比Fig.3 Image comparison before and after compressed最后我們給出對不同的512×512大小的測試圖像得到的實際性能，結果如表1所示，位平面掃描時間與數據位平面數相關，因此圖像數據不同壓縮時間也略有差別，其中圖像Lena（24bit真彩）經量化后的數據最高位平面數是9；圖像Lake（24bit真彩）經量化后的數據最高位平面數是10。表1不同圖像不同壓縮率下系統實際運行性能測試圖像壓縮比壓縮時間(s)PSNRDWTEBCOTRGBLena(24bit真彩)10.72.239.95241.01637.976

14、0.10.71.132.56235.25629.368Lake(24bit真彩)10.72.335.66336.31634.8510.10.71.029.62330.12928.7956結束語本文介紹了JPEG2000壓縮標準的基本框架和算法原理以及它在ADI TS201S上的實現，并討論了JPEG2000壓縮標準中的關鍵技術小波變換和基于截斷的嵌入式碼塊編碼算法在實現過程中的優化，從而在不影響圖像壓縮質量的情況下壓縮的時間大大縮短。 參 考 文 獻1ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Hardware Reference.Analog Devices,Inc December 2004.guidelinesM,