基于Blackfin533的CCSDS图像压缩算法编码优化

摘要 通过程序结构的调整，编码结构的优化及代码的汇编级优化，完成编码器的DSP高效实现。实验结果表明，优化后的编码器降低了运算复杂度，提高了CCSDS图像压缩算法的实时性。
关键词 CCSDS；Blackfin533；编码器；优化

空间数据咨询会(CCSDS)于2005年11月提出的针对空间应用的CCSDS图像压缩算法，具有良好的图像压缩性能和抗误码能力，同时算法复杂度较低。但在具体硬件实现时，仍不能够满足实时高效的要求，因此，必须对该算法的硬件实现进行改进和优化。文中针对这一问题，提出编码优化方案，提高算法的实时性。采用ADI公司的Blac绕行电感kfin533芯片以及Visual DSP++5．0仿真平台，是实现CCSDS编码器的有效途径。

1 编码优化
文中采用CCSDS图像压缩算法编、解码的C程序源代码。通过以下几个方面实现优化：调整程序结构；编码结构的优化；代码的汇编级优化。
1．1 程序结构调整
选用的源代码是符合CCSDS图像压缩算法标准流程的编、解码器源代码，代码容量约为326 kB，对于实时图像压缩，其中含有大量的冗余代码，而所用芯片的64 kB指令存储器是远远满足不了要求的，因此，要将CCSDS源代码移植到DSP上，就必须调整程序结构，去掉冗余代码，降低程序所占内存。
(1)删除与编码无关的代码。(2)删除冗余判断。(3)删除不必要的中间变量。(4)改写编码主函数。
经过以上优化，代码容量降低为56 kB，这样，所选用的Blackfin533芯片的L1指令存储器就足以容纳，而无需利用高速Cache和DMA进行指令的传输，提高了编码效率。
1．2 主要函数和数据的优化
在以上优化的基础上，采用Blackfin533芯片对Lena图像进行压缩，压缩比率为8：1，时间为3425 ms，远达不到实时性的要求。因此，还需对编码结构和算法进行改进，以提高编码速度。
(1)编码选项的选取一体电感器。
在CCSDS图像压缩算法中有多种编码供选取，增大了算法的灵活性，但也增加了算法硬件实现的复杂度，并且这些编码选项在实现时存在大量判断语句。一般情况下，判断分支会打断DSP指令运行的流水线，从而影响编码运行时间。所以在进行DSP移植时应进行编码选项。
1)编码段大小S的选取：如图l所示，S>64时，重建图像的客观质量增加趋于平缓，所以在实现时选择S大小为64，这样一个编码段所需的编码原数据存储量为8kB，从而可以保证对编码段的编码过程在数据存一体成型电感器储器L1中完成，而无需Cache和DMA在各级存储器之间转移数据，提高了塑封电感器编码效率。


2)DC系数编码选项k的选取：标准中提供了最优化和启发式两种k值选择方式，文中选择复杂度较低的启发式选取方案。
(2)程序级优化。
1)Blackfin533是16位定点DSP处理器，而在源代码中使用的是浮点DWT，移植在定点DSP中运行需要大量时间。测试结果表明：对512× 512的图像进行浮点DWI变换耗时3000 ms以上，影响了CCSDS图像压缩算法的编码效率。因此在实现过程中，采用定点化的方法实现浮点DWT，并最终汇编化，使对图像进行浮点DWT处理的时间降低到12 ms以下。
2)源代码中有大量数组类型的指针变量，其缓冲区是通过malloc和calloc等函数进行动态分配的，这样会占用大量的编码时间和可能会导致片式电感器生产内存泄露以及导致DMA数组传输错误等问题，所以在实现过程中，由于所需编码的图像信息是可以事先得知的，于是可用静态数组来代替动态申请的数组，这样不仅指定了分配的位置，便于DMA传输，还缩短了编码时间。
3)编码块的数据格式选取：源代码中是将一个编码块按照二维数组的格式进行存储的，即8×8的格式。在实现过程中发现，DC系数编码及AC系数字的映射过程对二维数组的索引取值耗时很长，因此可以将编码块改成一维数组，即1×64的组织形式，这样在实现过程中可以减少编码时间。
4)用查表法代替大量的判断分支：AC系数熵编码函数RiceCoding中有大量的分支判断语句，占据大量的编码时间，用查表法替换这里的分支判断语句，可以使函数的编码时间减少80％以上。此外，CCSDS编码器代码中的大量分支判断语句和RiceCoding函数一样，也可用查表法实现。这正是以空间换时间的典型应用。
5)在源代码中，为了节省存储器空间，在结构中使用了位域，但Blackfin 533在处理位域操作时效率极低，若将位域类型改为char或sh-ort类型，虽然在一定程度上增加了编码时所需的存储容量，但却能够明显缩短编码时间。

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