基于小波變換的數字圖像無損壓縮系統設計

杜久玲

摘要：隨著科技的發展，圖像壓縮技術也已經由有損壓縮逐漸轉化成為無損壓縮，在數字圖像無損壓縮的過程中，如何實現實時、高效是目前圖像壓縮領域的重要問題，為滿足壓縮需求，解決傳統的數字圖像無損壓縮系統的運行速度慢、壓縮效率低的問題，設計了基于小波變換的數字圖像無損壓縮系統，硬件部分設計DSP數字信號處理器、TMS320C6201芯片和DM642外設接口，軟件部分首先優化了數字圖像壓縮傳輸數據，然后基于小波變換進行了無損壓縮編碼，最后設計了數字圖像壓縮框架，實現了數字圖像無損壓縮，進行系統測試，結果表明，設計的數字圖像無損壓縮系統性能良好，運行速度較快，壓縮效率較高，有一定的應用價值。

關鍵詞：小波變換;數字;圖像;無損;壓縮;系統設計

中圖分類號：TP3? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）09-0073-02

數字圖像信息量大是不可避免的事實，隨著大容量存儲的出現，對數據存儲需求有所緩解，現階段解決問題的最根本方法就是數據的有效壓縮。但是，數據壓縮方法取決于要壓縮的圖像數據特性[1-3]。目前，數據壓縮在通信、語音和圖像處理、模式識別、信息恢復、信息存儲和保密性等多個領域都得到了廣泛的應用。小波變換編碼具有嵌入漸進式傳播優點，可以在任何位置暫停，而傳統的數字圖像無損壓縮系統速度慢，壓縮效率低，因此本文設計了基于小波變換的數字圖像無損壓縮系統。

1硬件設計

1.1 DSP數字信號處理器

DSP數字信號處理器結合了數字處理器特有的超高穩定性、可重復性，可實現大規模數據集成，具有器件可編程性高、用戶自定義數據處理的優點，使電子信號數字處理應用手段更多樣，功能更全面，應用領域更廣闊[4]。因此，在本文設計的壓縮系統中，使用了DSP數字信號處理器實時進行數據通信和語音處理。DSP處理器的內核包括8個并行處理時鐘運算單元，數據處理頻率可達300mhz，當8個并行處理運算單元同時組合運行時，可以直接快速到達速度峰值，數據時鐘運算單元的運行最高速度約為2400mips，數據處理頻率大約最高可達1.2ghz。

1.2 TMS320C6201芯片

TMS320c6201芯片有幾個主要組成部分，接口由中央處理控制單元組成，CPU外部設備和路由存儲器由設備接口組成，包括中央控制器的外部電源和中央控制器的串行接口，該芯片還包括一個并行數據接口、一個擴展數據接口、一個主機鎖相端口和一個主機鎖相環。TMS320c6201芯片內部有32位字節地址線，最大尋址線的空間為16G，字節內部的數據存儲器可以實現512kbit的大量數據并行存儲，能執行邏輯移位以及數據尋址操作。

1.3 DM642外設接口

DM642外設接口由用戶可自行配置的獨立雙通道端口組成，每個端口又分成a和b兩個模擬通道，a、b兩個通道端口可分別處理圖像傳輸數據，一個DM642端口可以同時處理6路傳輸數據[5-7]。將兩個DM配置器進行配置，保證信號通道可以進行實時輸出，DM642使用的總線接口可以直接控制外圍設備，與整個網絡中的其他控制器同時進行通信。DM642還同時具有可自由配置的串口，由數據管理系統將數據輸入到多通道串口中。因此，DM642外設接口適合在本文設計的系統中應用。

2軟件設計

2.1優化數字圖像壓縮傳輸數據

數字圖像壓縮傳輸數據優化包括SDRAM和L2的優化。EDMA數據傳輸與CPU操作無關，所有L2緩存與其他外圍設備之間的數據通信都使用EDMA增強處理傳輸。傳輸通道一共包含64個，每個通道的優先級都可以進行預先配置。可以使用DM642支持的CSL API函數或CSL來直接進行控制。通過這種方式，可以直接分配EDMA。

CSLAPI的DAT模塊函數具有簡單的程序，用戶不需要知道基本細節即可進行操作。但該模塊函數具有程序不易調試的缺點，因此需要在程序穩定后使用。在圖像壓縮數據編碼時，需要輸入8位精度數字，再根據整數轉換變化矩陣特性，分析轉換過程中的數字差異。在地址更新中，可以使用起始地址偏移模式，轉換模塊地址，使其更容易處理。

2.2基于小波變換進行無損壓縮編碼

優化數字壓縮傳輸數據后需要基于小波變換進行無損壓縮編碼。為了保證小波信號的有效性需要預先進行信號分解式Ψ（x）如（1）所示。

2.3設計數字圖像壓縮框架

在設計數字圖像壓縮框架時，需要根據DSP/BIOS的實時操作內核、DSP外圍芯片的兼容性，將壓縮框架集成到Code Composer Studio交互式開發環境中，并在壓縮任務執行中使用消息機制進行通信，在本文設計的系統中，Task可以完成圖像數據存儲和文件分配表更新，ProcessTaskIs6J可以完成圖像解碼和壓縮，Input Task和Output Task可以收集和顯示圖像數據，基于此設計的壓縮框架如圖1所示。

由圖1可知，在配置該壓縮框架時，需要注意操作映像與程序需求的變化，保證設計的壓縮框架滿足系統的壓縮需求，提高壓縮系統的壓縮效率。

2.4實現數字圖像無損壓縮

本文設計的小波變換算法主要針對無損壓縮的編碼器進行變換，壓縮程序的文件操作、用戶界面的調試信息取決于顯示界面程序。第二是要修改不適合CCS環境的函數和變量，CCS與VC環境支持的函數和變量不同。在遷移時，DM642沒有浮點表示，僅支持點計算和4種數據類型。CCS環境中的long為40bits，VC環境中的long為32bits。因此，根據實際情況，應適當修改源代碼中的數據類型，避免調試出現問題，一旦出現偏差，應及時進行查找替換，避免在CCS中使用功能屬性相似的函數。

為了在編碼器中正確設置CCS編譯選項，某些選項不能使用默認設置。由于編碼器涉及動態存儲空間分配和函數頻繁調用，因此在代碼遷移初期，必須將heap和stack設置得盡可能大，在優化時進行調整。保證兩者可以在編譯選項中修改，實現圖像壓縮編碼的正確輸入。

3系統測試

為了驗證本文設計的基于小波變換的數字圖像無損壓縮系統的性能，搭建了測試平臺，檢測本文設計的壓縮系統與傳統的壓縮系統的性能差異，進行實驗。

3.1測試準備

選取標準編程測試平臺，進行測試，選取Visual Basic 6.0進行圖像分塊處理，此時進行壓縮，將選定的圖像放入壓縮系統中，為了保證有效性，需要預先設定壓縮的范圍，此時壓縮的仿真示意圖如圖2所示。

由圖2可知，進行壓縮仿真時，首先需要根據仿真01H提示，選取壓縮地址，使用該壓縮地址進行初次讀取，當輸入編碼轉換時，需要利用轉換后的地址，重新進行編碼匹配，實現壓縮，為后續的測試奠定基礎。

3.2測試結果與討論

在上述壓縮仿真環境下，選取10組數字圖像數據，分別使用本文設計的數字圖像壓縮系統和傳統的數字圖像壓縮系統進行壓縮，記錄圖像壓縮差異，測試結果如表1所示。

由表1可知，本文設計的數字圖像無損壓縮系統能有效壓縮數字圖像數據，壓縮的文件較小，且具有較小的壓縮耗時，證明設計系統的運行速度快，壓縮效率高。

4結束語

綜上所述，對圖像進行無損壓縮處理可以增加圖像的傳輸效率，在各個領域都有廣泛的應用。因此本文基于小波變換設計了新的數字圖像無損壓縮系統，進行系統測試，結果表明，設計的系統的壓縮耗時較小，運行速度快，壓縮效率高，有一定的應用價值，可以作為后續數字圖像無損壓縮的參考。

參考文獻：

[1] 朱福全，王華軍，楊麗平，等.自適應波段選擇與最佳預測順序的高光譜圖像無損壓縮[J].光學精密工程，2020，28（7）：1609-1617.

[2] 王兆麗，肖春霞，王梅娟，等.哈夫曼編碼在圖像無損壓縮中的應用[J].計算機工程與科學，2019，41（S1）：200-202.

[3] 孫建偉，薛長斌，鄭鐵，等.面向空間天文觀測的序列圖像無損壓縮算法[J].空間科學學報，2019，39（6）：847-852.

[4] 郭媛，敬世偉.基于L-L級聯混沌與矢量分解的無損壓縮光學圖像加密[J].光子學報，2020，49（7）：35-45.

[5] 肖紹章，張正偉，李芬芬，等.基于無損壓縮和差值擴展的可逆圖像水印算法[J].江蘇海洋大學學報（自然科學版），2020，29（4）：32-38.

[6] 謝云，李志中，唐廣花，等.卷積神經網絡的艦船圖像快速無損壓縮算法[J].艦船科學技術，2020，42（10）：58-60.

[7] 舒銳，武少林，龔偉，等.星上高光譜圖像無損壓縮方法[J].上海航天（中英文），2021，38（4）：152-160.

【通聯編輯：張薇】