基于Blackfin561的JPEG2000壓縮算法編碼優(yōu)化

董智超

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

JPEG2000［1］，即 ISO/ITU15444 是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和國(guó)際電信標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)盟ITU－T于2001年聯(lián)合頒布的新一代圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以及數(shù)碼相機(jī)、醫(yī)學(xué)圖像、傳真機(jī)等圖像設(shè)備的數(shù)字圖像壓縮編碼。

而DSP芯片的發(fā)展也越發(fā)成熟，各種高速度、低功耗、大容量的DSP不斷涌現(xiàn)。基于通用DSP設(shè)計(jì)的算法平日除了成本低以外，還具有靈活性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、可升級(jí)和易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于新型產(chǎn)品的研究開發(fā)。因此，600 MHz主頻和4個(gè)8位視頻 ALU(Arithmetic Logic Unit)的Blackfin561 處理器［2］適合成為開發(fā)JPEG2000算法的平臺(tái)。

1 JPEG2000算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

圖1所示為JPEG2000靜止圖像壓縮算法的編解碼流程圖。首先對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行離散小波變換，然后對(duì)變換后的小波系數(shù)進(jìn)行量化和對(duì)量化后的數(shù)據(jù)熵編碼，最后形成輸出碼流。解碼器是編碼器的逆過程，首先對(duì)碼流進(jìn)行熵解碼，然后解量化和小波反變換，最后生成重建圖像數(shù)據(jù)。各模塊的算法程參閱文獻(xiàn)［3～5］。

圖1 JPEG2000算法流程圖

2 編碼算法的優(yōu)化

2.1 算法改動(dòng)

(1)在原程序中，上下文建模和編碼通道的選擇都依賴于8鄰域或3×6鄰域的重要性狀態(tài)(變量Fc［］［］表示)。以8鄰域?yàn)槔袛?鄰域的重要性狀態(tài)［5］需要依次讀取8個(gè)值分別進(jìn)行判斷，不僅讀取數(shù)據(jù)花費(fèi)的時(shí)間多，而且條件判斷也較多。

于是提出了一種新方法:重要性狀態(tài)標(biāo)記。即當(dāng)在編碼掃描中發(fā)現(xiàn)某一個(gè)系數(shù)變?yōu)椤爸匾摹敝螅瑢⑺?個(gè)鄰域的相應(yīng)比特位標(biāo)記為1。標(biāo)記過程如圖2所示，neighbor_stat［］［］為重要性標(biāo)記變量，當(dāng)前系數(shù)X［i］［j］變?yōu)椤爸匾摹敝螅謩e將 neighbor_sata［i－1］［j－1］到 neighbor_stat［i+1］［j+1］的0 ～7 比特位標(biāo)記為1。

圖2 重要性傳播標(biāo)記過程

反過來，對(duì)于一個(gè)重要性標(biāo)記變量neighbor_stat［i］［j］，它的8個(gè)比特位也包含了8個(gè)鄰域的重要性狀態(tài)信息(Fc［i－1］［j－1］～Fc［i+1］［j+1］)，具體等價(jià)關(guān)系如表1所示。這樣，原來需要讀取8個(gè)數(shù)(Fc［i－1］［j－1］～Fc［i+1］［j+1］)，現(xiàn)在只需讀取一個(gè)數(shù) neighbor_stat［i］［j］，即可得到 8 鄰域的重要性狀態(tài)信息。

表1 neighbor_stat［］［］各比特位與 Fc［］［］等價(jià)關(guān)系

經(jīng)過以上改進(jìn)后，重要性狀態(tài)相關(guān)的模塊性能明顯提升，較大縮短了編碼過程的執(zhí)行時(shí)間。

(2)漸進(jìn)過程優(yōu)化截?cái)嘀校o出兩種截?cái)喾绞?子帶截?cái)嗪妥訅K截?cái)唷Ｗ訋Ы財(cái)嗉词窃诿總€(gè)小波子帶編碼結(jié)束后，進(jìn)行一次截止最低位平面的判斷;子塊截?cái)嗉词窃诿總€(gè)編碼子塊編碼結(jié)束后，進(jìn)行一次截止最低位平面的判斷。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同壓縮率的圖像壓縮，選擇不同的截?cái)喾绞降男Ч兴煌捅?8倍以下)壓縮時(shí)，子塊截?cái)嗟男Ч赡芨茫弑秹嚎s(16倍以上)時(shí)子帶截?cái)嗟男Ч谩?/p>

2.2 代碼級(jí)優(yōu)化

Visual DSP提供了跟蹤(Trace)、時(shí)間統(tǒng)計(jì)(Profile)等功能，允許在整個(gè)程序空間中進(jìn)行評(píng)估。通過Profile功能可以發(fā)現(xiàn)DSP程序中的瓶頸現(xiàn)象和需要優(yōu)化的程序塊，并且在程序的執(zhí)行過程中能夠隨時(shí)查看寄存器/存儲(chǔ)器中數(shù)值的變化，以及源程序代碼的執(zhí)行過程。

2.2.1 編譯器優(yōu)化

通過使能編譯器中的優(yōu)化選項(xiàng)Project Option－＞Enable Optimization可以實(shí)現(xiàn)編譯器自動(dòng)優(yōu)化，可以節(jié)約大量代碼移植和優(yōu)化的工作量。使能該選項(xiàng)后，Visual DSP++的編譯器能夠完成冗余代碼和數(shù)據(jù)去除、向量化、軟件流水、硬件循環(huán)和指令并行等優(yōu)化工作。

2.2.2 數(shù)據(jù)優(yōu)化

(1)使用了分配在固定段的二維數(shù)組來代替指針和動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。利用數(shù)組，編譯器可以更加準(zhǔn)確地理解兩個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)，而這往往是編譯器進(jìn)行積極優(yōu)化時(shí)難以克服的一個(gè)關(guān)卡。

(2)將除法轉(zhuǎn)換為乘法，將浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)運(yùn)算［2］。Blackfin561是一款定點(diǎn)處理器，它本身并不支持float、double等浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型，只能通過仿真實(shí)現(xiàn)，所以用BF561直接進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算是很費(fèi)時(shí)的。因此要通過浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換定點(diǎn)來對(duì)定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行操作，例如浮點(diǎn)的系數(shù)Coeff［0］=1.586 134 342，將其表示成2.14格式:Coeff［0］=1.586 134 342 ×214=0x6583。

(3)使用DMA實(shí)現(xiàn)外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)到內(nèi)部存儲(chǔ)空間的搬移，并使用雙緩沖的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的乒乓操作。具體到算法中的塊，文中對(duì)小波變換和算術(shù)編碼的模塊使用。

2.2.3 循環(huán)優(yōu)化

雖然BF561有兩組零開銷循環(huán)寄存器，但只能支持兩重硬件循環(huán)。因此，只有嵌套最深的循環(huán)才會(huì)使用硬件循環(huán)。并且，只有循環(huán)體的執(zhí)行次數(shù)是確定值時(shí)，才會(huì)使用硬件循環(huán)。

如果循環(huán)體內(nèi)有條件判斷，可能會(huì)出現(xiàn)大量控制流延遲。所以，將部分條件執(zhí)行的if語句放在循環(huán)體外單獨(dú)執(zhí)行。

JPEG2000在編碼塊的每個(gè)位平面，是按每4個(gè)系數(shù)為一列進(jìn)行掃描的。也就是說，循環(huán)次數(shù)不＞4。在這種循環(huán)次數(shù)比較少的情況下，可以考慮把循環(huán)體展開。雖然展開循環(huán)后，代碼的緊湊性變差，但速度可以提高很多。

2.2.4 C程序匯編化和匯編優(yōu)化

ANSI－C畢竟不是一種專門的信號(hào)處理語言，它更適用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而不是數(shù)學(xué)運(yùn)算。而Visual DSP允許C與匯編混合編程，因此將一些關(guān)鍵的代碼區(qū)域按一定的規(guī)則［2］進(jìn)行匯編化，然后在C中調(diào)用。

BF561提供了10級(jí)的軟件流水［2］，并提供語句的并行執(zhí)行功能。因此對(duì)匯編代碼的優(yōu)化主要體現(xiàn)在并行語句的增加和減少阻塞、降低延遲上。

此處將算術(shù)編碼器的主程序以及小波變換主程序用匯編實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化，以512×512，2×2分片，16倍壓縮的Lena灰度圖像的處理為例，算術(shù)編碼器匯編化完成之后，EBCOT部分總時(shí)鐘周期較匯編化之前減少了約10%，而小波的匯編化則節(jié)約了小波變換部分39.5%的時(shí)鐘周期。

3 優(yōu)化結(jié)果

測(cè)試條件:512×512 LENA圖，分為4個(gè)256×256的拼接塊(2×2分片)，16倍壓縮，3級(jí)小波變換，編碼塊大小32×32，編譯器優(yōu)化選項(xiàng)開到最大速度。

表2 優(yōu)化前后對(duì)比

4 結(jié)束語

介紹了JPEG2000壓縮算法的基本框架，然后提出了在Blackfin561處理器上實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化方案，包括算法級(jí)優(yōu)化和代碼級(jí)優(yōu)化，并給出優(yōu)化結(jié)果。最終的優(yōu)化結(jié)果表明，提出的優(yōu)化方案在不降低圖像峰值信噪比的情況下大大縮短了編碼的時(shí)間，提高了算法效率。

［1］RABBANI M，JOSHI R.An overview of the JPEG2000 still image compression standard ［J］.Signal Processing:Image Communication，2002(1):48.

［2］胡棟.靜止圖像編碼的基本方法與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006.

［3］Analog Devices，Inc.Visual DSP++assembler and preprocessor manual［M］.USA:Analog Devices Conpration，2006.

［4］DAVID S T，MICHAEL W M.JPEG2000 圖像壓縮基礎(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐［M］.魏江力，柏正堯，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［5］ISO.JPEG2000 Image Coding System［S］.USA:ISO/ITU －T FCD 15444－1，2000.