基于TMS320VC550的JPEG视频压缩系统的实现

1、基于tms320vc550的jpeg视频压缩系统的实现随着网络和多媒体技术的进展，视觉通信的重要性和需求急剧增强，如桌面视频会议、移动终端、基于因特网的视频通信等。这些视觉信息内涵丰盛，但数据量大，必需压缩数据。但采纳多种办法压缩图像数据，其数据量仍然巨大，这就对计算机处理速度、传输介质、传输办法和存储介质提出较高要求。因此，数据压缩作为数据图像处理的关键技术之一，对讨论图像压缩编码技术具有重要价值。微处理器中，具有灵便、高速、便于嵌入式应用等优点，特殊适合复杂算法处理的应用。数字视频图像压缩系统利用dsp作为其嵌入式平台，充分发挥其性能优势，较好地提高编码效率，满足图像实时处理需要。因此，这

2、里介绍一种基于tms320vc5509a型dsp的视频压缩系统。2 静止图像的压缩编码标准jpegjpeg(joint photographic experts group)是由国际标准化组织(iso)提出面对静止图像编码的标准，其处理办法依次用法离散余弦变换、量化、z行扫描、游程编码和不变字长编码。jpeg算法定义了以下4种运行模式：(1)基于dct挨次型模式根据从左到右、从上到下的挨次对图像举行扫描和编码，称为基本系统。(2)基于dct递增模式 根据从粗到细的挨次对一幅图像举行编码，适用于传输时光长、用户喜爱图像从粗糙到清楚的场合。(3)无失真编码模式保证重建图像与原始图像彻低相同。(4)

3、分层编码 采纳各种辨别率对图像举行编码。该系统采纳基本系统模式。图1是jpeg的编码框图。3 硬件系统设计该视频压缩系统挺直与pal制摄像头的输出端相连，来采集、预处理和压缩现场图像，再以或rs232方式将处理后的图像数据传给上位机。图2为视频压缩系统硬件结构图。该系统硬件设计以ti公司的tms320vc5509a型数字信号处理器为核心，包括视频采集、预处理电路、存储器扩展、系统电源和电路等。系统中tms320vc5509a为中心处理器；sdram为dsp外扩数据存储器；flash为程序存储器，用于系统上电自举；模拟摄像头与视频 ad转换器负责视频图像采集；fpga用于地址译码、隔行运算，控制

4、两片sram用于缓存视频ad转换器转换后的数字图像。从系统设计成本考虑，这里选用公司的可编程规律器件e6q240c8型fpga。该器件是cyclone系列器件中一款非bga封装的可用io引脚最多的 fpga。31 视频采集电路该系统选用的视频为philip公司的高性能视频ad转换器saa7111。该器件是一款广泛应用于桌面视频、多媒体、图像处理、视频电话的高性能视频输入处理器件。该器件采纳33 v的电路，高度集成和数字视频；包括2路模拟视频处理通道，1个时钟产生电路，1个自动箝位和自动增益控制电路，1个多制式数字解码器，1个亮度对照度饱和度控制电路，以及颜色空间矩阵。saa7111输出为16位

5、vpo，支持不同位宽的数据输出格式。saa7111支持的输出格式包括：12位yuv411，16位yuv4：2：2，8位ccir-656、16位565rgb以及24位的888rgb。图3为视频采集电路。32 存储器选型挑选存储器应从以下方面考虑：首先图像压缩算法中间数据量大，要求处理器的片上内存尽可能大，尽量避开对外部存储器读写操作。vc5509a的片上存储器包括32 kx16位daram，96 kx16位saram，共128 k位的存储空间。其中daram为双地址，在每个周期内可以对其举行两次操作(2次读，两次写，一次读和一次写)，这样大大增强片上存储器的利用率；第二，vc5509a片上资源丰

6、盛，包括i2c总线(多主从接口)，3个mcbsps(1个与多媒体卡数字加密卡mmc/sd串行接口复用引脚)。利用 fc总线对saa7111的片内控制寄存器举行读写操作，十分便利实时控制saa711 1的工作状态；利用mcbsp协作dma，软件编程实现uart功能，无需特地的硬件uart，从而节约电路板空间：vc5509a采纳144引脚 lqfp封装，便于安装、调试；vc5509a功耗小，工作在200 mhz主频下，功耗仅100 mw，十分适合嵌入式应用。33 dsp供电电源电路dsp基本系统由自立的电源系统供电，而硬件平台的其他器件共用另一套电源供电系统。为了降低系统功耗，dsp普通采纳低供电

7、并且采纳io和 cpu内核分开供电方式。vc5509a不同的工作频率要求不同的核电压，200 mhz为16 v，144 mhz为135 v，108 mhz为12 v。dsp的io电压为33 v。dsp供电电源电路4所示。选用ti公司的两款电源器件tps76801和tps75833分离为dsp提供内核电压和io电压。tps76801能给cpu内核提供最大1 a的，电压在123 v范围内可调。调节tps76801的输入值得到16 v，135 v，12 v的核电压，dsp相应工作在200 mhz，144 mhz，108 mhz的频率下。而tps75833能提供最高3 a的io电流，对于低功耗的tms

8、320vc5509a，这已足够保证其工作在最大负荷状态。4 系统软件设计该系统软件设计的主要功能是实时采样现场的视频信号，然后对网像数据编码压缩并通过usb总线或rs232串口将图像数据传送给主机。系统主程序流程5所示，该系统软件设计可分为系统初始化、图像采集、压缩编码和数据传输4个主要模块。系统上电后，dsp首先初始化，初始化主要包括：通过i2c总线初始化saa7111，设置其工作模式；空间分配，emif的配置以保证外部存储器的正常拜访；配置usb模块；设定dma通道以及设定外部中断。然后dsp等待fpga的中断。当dsp接收到fpga的中断后，dsp设定标记寄存器，启动 dma读取数据，并

9、举行编码。当编码结束后，dsp把数据交付usb模块，通过usb总线传送至上位机，同时dsp向fpga发送空闲信号，通知fpga 继续发送下一帧。5 jpeg优化jpeg算法在dsp上实现需要解决编码速度问题。片上内存资源的有限性使得大部分的程序代码和数据不得不放在片外，大量的图像数据在慢速的sdram存储器中，对其拜访和算术运算是影响系统性能的关键因素之一。因此，应从内存分配和代码优化两个方面来优化程序，提高编码效率。51 数据内存优化因为vc5509a的片上存储器包括32 kx16位daram，96 kx16位saram，共128 k位的存储空间。其中daram为双拜访内存，即在一个周期内可

10、完成两次数据拜访，saram为单拜访内存，即在一个周期内只能完成一次数据拜访，片外内存为扩展的sdram，拜访其需要额外的等待时光，执行效率比较低。因此在算法设计中应合理支配内存分配，尽量将拜访常见的程序代码和数据放在片内内存中，特殊是daram中，可以提高编码效率。52 c代码优化在jpeg的编码中，按照vc5509a结构特点及结合图像数据量大的特点，提高编码效率，考虑程序编写和优化如下：(1)利用编译器优化，开启编译器的优化选项，包括基本优化、文件级优化和程序级优化。(2)用法本征(intrinsics)函数，c55x提供了一种特别函数一本征函数，可快速优化c代码。本征甬数前有个下划线“一

11、”，调用办法和一般函数相同。(3)用法图像库，ti提供基于c55x的图像库imglib，库中都是图像处理常用的函数，而且可以用调用，汇编优化好，执行效率高，因此尽量用库函数。在jpeg编码中比较关键的是dct变换可调用库函数中的img_sw_fdct_8x8(short*fdct_data，short， *inter_buffer)，该函数完成一次dct变换需用1 078个时钟周期。大大提高jpeg的编码效率。(4)高效用法mac硬件，c55x有特地的硬件高效执行mac运算。一个周期中可以执行一个单乘加或一个双乘加(dual-mac)运算。(5)用法特别数据类型(register类型、vola

12、tile类型、const类型)，对于需要多次重复拜访的变量，如for循环中的变量值，普通可设置为register型变量。声明变量为register型能提高效率，但必需当心用法。在某些编译器中，优化器会自动分配一些变量为register 型。(6)削减推断循环，在用法推断方式选取控制语句时应尽量削减推断转移。dsp多采纳流水线结构。因为tms320c55x采纳7级流水线结构，常见的转移命令使得流水线难以发挥作用。另外。dsp的大多数命令为单周期命令，但转移类命令却通常要耗费较多的机器周期。因此，应尽可能削减程序中的转移分支，以提高程序的效率。6 试验结果61 压缩效果试验结果通过转变量化因子q，

13、转变图像的压缩比。压缩比越大，压缩过程中的视觉损失越大，压缩后的越不清楚。图6为采纳不同的量化因子q的压缩前后效果比较图。其中，图6a为未压缩，大小574 kb的原始bmp图像，图6b为压缩后大小为518 kb的图像，图6c为压缩后大小518 kb的图像。由图知，压缩后的图像与原始图像在视觉效果上相差不大。当q=50时，压缩后图像所需存储空间仅为原图像的114。62 压缩耗时试验结果对于一个8x8数据块，各步耗时如下：分块：1335s；dct变换：5 39s；量化：1355s；哈夫曼编码：3375s。解释一个8x8数据块总耗时为11455s，一帧720x576灰度图像的压缩总耗时为90x72x11455=74 2284s，再加上其他辅助操作，实际耗时约75 ms。按照上述