基于小波變換的數(shù)字圖像無損壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜久玲

摘要：隨著科技的發(fā)展，圖像壓縮技術(shù)也已經(jīng)由有損壓縮逐漸轉(zhuǎn)化成為無損壓縮，在數(shù)字圖像無損壓縮的過程中，如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效是目前圖像壓縮領(lǐng)域的重要問題，為滿足壓縮需求，解決傳統(tǒng)的數(shù)字圖像無損壓縮系統(tǒng)的運(yùn)行速度慢、壓縮效率低的問題，設(shè)計(jì)了基于小波變換的數(shù)字圖像無損壓縮系統(tǒng)，硬件部分設(shè)計(jì)DSP數(shù)字信號處理器、TMS320C6201芯片和DM642外設(shè)接口，軟件部分首先優(yōu)化了數(shù)字圖像壓縮傳輸數(shù)據(jù)，然后基于小波變換進(jìn)行了無損壓縮編碼，最后設(shè)計(jì)了數(shù)字圖像壓縮框架，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字圖像無損壓縮，進(jìn)行系統(tǒng)測試，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的數(shù)字圖像無損壓縮系統(tǒng)性能良好，運(yùn)行速度較快，壓縮效率較高，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：小波變換;數(shù)字;圖像;無損;壓縮;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP3? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）09-0073-02

數(shù)字圖像信息量大是不可避免的事實(shí)，隨著大容量存儲的出現(xiàn)，對數(shù)據(jù)存儲需求有所緩解，現(xiàn)階段解決問題的最根本方法就是數(shù)據(jù)的有效壓縮。但是，數(shù)據(jù)壓縮方法取決于要壓縮的圖像數(shù)據(jù)特性[1-3]。目前，數(shù)據(jù)壓縮在通信、語音和圖像處理、模式識別、信息恢復(fù)、信息存儲和保密性等多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。小波變換編碼具有嵌入漸進(jìn)式傳播優(yōu)點(diǎn)，可以在任何位置暫停，而傳統(tǒng)的數(shù)字圖像無損壓縮系統(tǒng)速度慢，壓縮效率低，因此本文設(shè)計(jì)了基于小波變換的數(shù)字圖像無損壓縮系統(tǒng)。

1硬件設(shè)計(jì)

1.1 DSP數(shù)字信號處理器

DSP數(shù)字信號處理器結(jié)合了數(shù)字處理器特有的超高穩(wěn)定性、可重復(fù)性，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)集成，具有器件可編程性高、用戶自定義數(shù)據(jù)處理的優(yōu)點(diǎn)，使電子信號數(shù)字處理應(yīng)用手段更多樣，功能更全面，應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊[4]。因此，在本文設(shè)計(jì)的壓縮系統(tǒng)中，使用了DSP數(shù)字信號處理器實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和語音處理。DSP處理器的內(nèi)核包括8個(gè)并行處理時(shí)鐘運(yùn)算單元，數(shù)據(jù)處理頻率可達(dá)300mhz，當(dāng)8個(gè)并行處理運(yùn)算單元同時(shí)組合運(yùn)行時(shí)，可以直接快速到達(dá)速度峰值，數(shù)據(jù)時(shí)鐘運(yùn)算單元的運(yùn)行最高速度約為2400mips，數(shù)據(jù)處理頻率大約最高可達(dá)1.2ghz。

1.2 TMS320C6201芯片

TMS320c6201芯片有幾個(gè)主要組成部分，接口由中央處理控制單元組成，CPU外部設(shè)備和路由存儲器由設(shè)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(gè)并行數(shù)據(jù)接口、一個(gè)擴(kuò)展數(shù)據(jù)接口、一個(gè)主機(jī)鎖相端口和一個(gè)主機(jī)鎖相環(huán)。TMS320c6201芯片內(nèi)部有32位字節(jié)地址線，最大尋址線的空間為16G，字節(jié)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器可以實(shí)現(xiàn)512kbit的大量數(shù)據(jù)并行存儲，能執(zhí)行邏輯移位以及數(shù)據(jù)尋址操作。

1.3 DM642外設(shè)接口

DM642外設(shè)接口由用戶可自行配置的獨(dú)立雙通道端口組成，每個(gè)端口又分成a和b兩個(gè)模擬通道，a、b兩個(gè)通道端口可分別處理圖像傳輸數(shù)據(jù)，一個(gè)DM642端口可以同時(shí)處理6路傳輸數(shù)據(jù)[5-7]。將兩個(gè)DM配置器進(jìn)行配置，保證信號通道可以進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出，DM642使用的總線接口可以直接控制外圍設(shè)備，與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的其他控制器同時(shí)進(jìn)行通信。DM642還同時(shí)具有可自由配置的串口，由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸入到多通道串口中。因此，DM642外設(shè)接口適合在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中應(yīng)用。

2軟件設(shè)計(jì)

2.1優(yōu)化數(shù)字圖像壓縮傳輸數(shù)據(jù)

數(shù)字圖像壓縮傳輸數(shù)據(jù)優(yōu)化包括SDRAM和L2的優(yōu)化。EDMA數(shù)據(jù)傳輸與CPU操作無關(guān)，所有L2緩存與其他外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信都使用EDMA增強(qiáng)處理傳輸。傳輸通道一共包含64個(gè)，每個(gè)通道的優(yōu)先級都可以進(jìn)行預(yù)先配置。可以使用DM642支持的CSL API函數(shù)或CSL來直接進(jìn)行控制。通過這種方式，可以直接分配EDMA。

CSLAPI的DAT模塊函數(shù)具有簡單的程序，用戶不需要知道基本細(xì)節(jié)即可進(jìn)行操作。但該模塊函數(shù)具有程序不易調(diào)試的缺點(diǎn)，因此需要在程序穩(wěn)定后使用。在圖像壓縮數(shù)據(jù)編碼時(shí)，需要輸入8位精度數(shù)字，再根據(jù)整數(shù)轉(zhuǎn)換變化矩陣特性，分析轉(zhuǎn)換過程中的數(shù)字差異。在地址更新中，可以使用起始地址偏移模式，轉(zhuǎn)換模塊地址，使其更容易處理。

2.2基于小波變換進(jìn)行無損壓縮編碼

優(yōu)化數(shù)字壓縮傳輸數(shù)據(jù)后需要基于小波變換進(jìn)行無損壓縮編碼。為了保證小波信號的有效性需要預(yù)先進(jìn)行信號分解式Ψ（x）如（1）所示。

2.3設(shè)計(jì)數(shù)字圖像壓縮框架

在設(shè)計(jì)數(shù)字圖像壓縮框架時(shí)，需要根據(jù)DSP/BIOS的實(shí)時(shí)操作內(nèi)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(fā)環(huán)境中，并在壓縮任務(wù)執(zhí)行中使用消息機(jī)制進(jìn)行通信，在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，Task可以完成圖像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，基于此設(shè)計(jì)的壓縮框架如圖1所示。

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

2.4實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像無損壓縮

本文設(shè)計(jì)的小波變換算法主要針對無損壓縮的編碼器進(jìn)行變換，壓縮程序的文件操作、用戶界面的調(diào)試信息取決于顯示界面程序。第二是要修改不適合CCS環(huán)境的函數(shù)和變量，CCS與VC環(huán)境支持的函數(shù)和變量不同。在遷移時(shí)，DM642沒有浮點(diǎn)表示，僅支持點(diǎn)計(jì)算和4種數(shù)據(jù)類型。CCS環(huán)境中的long為40bits，VC環(huán)境中的long為32bits。因此，根據(jù)實(shí)際情況，應(yīng)適當(dāng)修改源代碼中的數(shù)據(jù)類型，避免調(diào)試出現(xiàn)問題，一旦出現(xiàn)偏差，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行查找替換，避免在CCS中使用功能屬性相似的函數(shù)。

為了在編碼器中正確設(shè)置CCS編譯選項(xiàng)，某些選項(xiàng)不能使用默認(rèn)設(shè)置。由于編碼器涉及動(dòng)態(tài)存儲空間分配和函數(shù)頻繁調(diào)用，因此在代碼遷移初期，必須將heap和stack設(shè)置得盡可能大，在優(yōu)化時(shí)進(jìn)行調(diào)整。保證兩者可以在編譯選項(xiàng)中修改，實(shí)現(xiàn)圖像壓縮編碼的正確輸入。

3系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于小波變換的數(shù)字圖像無損壓縮系統(tǒng)的性能，搭建了測試平臺，檢測本文設(shè)計(jì)的壓縮系統(tǒng)與傳統(tǒng)的壓縮系統(tǒng)的性能差異，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.1測試準(zhǔn)備

選取標(biāo)準(zhǔn)編程測試平臺，進(jìn)行測試，選取Visual Basic 6.0進(jìn)行圖像分塊處理，此時(shí)進(jìn)行壓縮，將選定的圖像放入壓縮系統(tǒng)中，為了保證有效性，需要預(yù)先設(shè)定壓縮的范圍，此時(shí)壓縮的仿真示意圖如圖2所示。

由圖2可知，進(jìn)行壓縮仿真時(shí)，首先需要根據(jù)仿真01H提示，選取壓縮地址，使用該壓縮地址進(jìn)行初次讀取，當(dāng)輸入編碼轉(zhuǎn)換時(shí)，需要利用轉(zhuǎn)換后的地址，重新進(jìn)行編碼匹配，實(shí)現(xiàn)壓縮，為后續(xù)的測試奠定基礎(chǔ)。

3.2測試結(jié)果與討論

在上述壓縮仿真環(huán)境下，選取10組數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，分別使用本文設(shè)計(jì)的數(shù)字圖像壓縮系統(tǒng)和傳統(tǒng)的數(shù)字圖像壓縮系統(tǒng)進(jìn)行壓縮，記錄圖像壓縮差異，測試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，本文設(shè)計(jì)的數(shù)字圖像無損壓縮系統(tǒng)能有效壓縮數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，壓縮的文件較小，且具有較小的壓縮耗時(shí)，證明設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行速度快，壓縮效率高。

4結(jié)束語

綜上所述，對圖像進(jìn)行無損壓縮處理可以增加圖像的傳輸效率，在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。因此本文基于小波變換設(shè)計(jì)了新的數(shù)字圖像無損壓縮系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)測試，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的壓縮耗時(shí)較小，運(yùn)行速度快，壓縮效率高，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以作為后續(xù)數(shù)字圖像無損壓縮的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱福全，王華軍，楊麗平，等.自適應(yīng)波段選擇與最佳預(yù)測順序的高光譜圖像無損壓縮[J].光學(xué)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(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，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(xué)學(xué)報(bào)，2019，39（6）：847-852.

[4] 郭媛，敬世偉.基于L-L級聯(lián)混沌與矢量分解的無損壓縮光學(xué)圖像加密[J].光子學(xué)報(bào)，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(kuò)展的可逆圖像水印算法[J].江蘇海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，29（4）：32-38.

[6] 謝云，李志中，唐廣花，等.卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的艦船圖像快速無損壓縮算法[J].艦船科學(xué)技術(shù)，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(lián)編輯：張薇】