專利名稱：嵌入式圖象處理器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖象處理裝置，特別涉及多種功能集成的嵌入式靜態(tài)圖像壓縮系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新一代靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000應(yīng)運(yùn)而生，以滿足用戶對更高壓縮效率和對壓縮圖像的互動性和可伸縮性的要求。
“更高壓縮比率、更高圖像質(zhì)量、更低碼率”是對JPEG2000基本特性的概括，除此之外JPEG2000還提供了一套新的特征，如漸進(jìn)式傳輸，感興趣區(qū)域特別處理等，這些特征對于一些新產(chǎn)品(如數(shù)碼相機(jī))和應(yīng)用(如互聯(lián)網(wǎng))非常重要。另外，類似于第一套國際靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG與其動態(tài)JPEG(MJPEG，Motion JPEG)，JPEG2000也有與之相對應(yīng)的用于圖像序列的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)MJPEG2000(Motion JPEG2000)，它不僅沿用了JPEG2000的各種優(yōu)越性能，還將其成功應(yīng)用于運(yùn)動圖像。表1分別從應(yīng)用領(lǐng)域、碼率范圍、可編輯性、可測度性、靜止圖像模式、無損壓縮模式、壓縮效率、軟硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度幾個方面對幾種常用的視頻壓縮算法進(jìn)行了對比。由此能夠更清晰地看出JPEG2000/MJPEG2000所具有的獨(dú)特優(yōu)勢。
表1常用視頻壓縮算法性能比較

上述的幾種圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)(除JPEG2000)均不提供無損壓縮。JPEG也有無損壓縮的幾何算法，但其壓縮比很小，沒有實(shí)用價值，而JPEG2000的無損壓縮比率則可達(dá)到3～5倍。對于高端應(yīng)用如醫(yī)學(xué)圖像和衛(wèi)星遙感圖像，無損壓縮是最好的壓縮方式；對于另一些需要高清晰度的應(yīng)用如廣播級的視頻編輯，無損壓縮也有很大的吸引力。
JPEG2000的技術(shù)先進(jìn)性、需求針對性以及在高端應(yīng)用的優(yōu)秀性能表現(xiàn)保證了它的應(yīng)用前景，JPEG2000如今已被認(rèn)為是互聯(lián)網(wǎng)和無線接入應(yīng)用的理想影像編碼解決方案，在各個方面都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的靜態(tài)圖像壓縮算法，但在實(shí)際中還未獲得廣泛的應(yīng)用，主要原因是JPEG2000的軟件實(shí)現(xiàn)已經(jīng)為數(shù)不少，但硬件實(shí)現(xiàn)非常少，特別是集圖像采集、壓縮、傳輸接口為一體的JPEG2000壓縮芯片/模塊還沒有出現(xiàn)，這極大的制約了JPEG2000技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用。
JPEG2000算法硬件實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)主要在于算法復(fù)雜、運(yùn)算量大。如算術(shù)編碼是目前所普遍采用的熵編碼算法中最復(fù)雜的一種；離散小波變換(DWT)針對整個圖像區(qū)域，如分辨率為720×576的圖像，單分量存儲需要的數(shù)據(jù)空間為414.720K字，由于第一級DWT后要對整幅圖像進(jìn)行解交織，故最大還需要414.720K字的臨時存儲空間；采用硬件語言編程具有一定難度，如碼率控制部分的“最優(yōu)率失真”算法涉及到32位浮點(diǎn)數(shù)除法，而硬件編程語言(如ASM)不提供除法指令。
目前JPEG2000技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)主要有三種主流方案。
專用集成電路(ASIC)+外圍電路目前最具代表性的是模擬器件(AD)公司生產(chǎn)的ADVJP2000，準(zhǔn)確的說它是一個JPEG2000加速引擎，只能用來實(shí)現(xiàn)JPEG2000應(yīng)用系統(tǒng)中的運(yùn)算部分——小波變換和算術(shù)熵編碼，也就是說用ADVJP2000實(shí)現(xiàn)JPEG2000系統(tǒng)，還需要設(shè)計(jì)專用的視頻解碼器設(shè)置接口(I2C總線)、視頻采集接口、視頻緩存、非易失存儲器(FLASH)接口以及專用的系統(tǒng)控制處理器等大量的外圍硬件支持，才能構(gòu)成完整的JPEG2000圖像編碼內(nèi)核。
現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)JPEG2000本身是一種非常復(fù)雜的算法，并且是對整幅圖片進(jìn)行處理，需要占用數(shù)量巨大的存儲器，這非常不利于用FPGA實(shí)現(xiàn)，另外FPGA的編程復(fù)雜、開發(fā)周期長、功能驗(yàn)證復(fù)雜、功耗大等也是制約這一方案的因素。
通用DSP(數(shù)字信號處理器)實(shí)現(xiàn)如今DSP芯片的發(fā)展非常成熟，高指令執(zhí)行速度、低功耗、大存儲容量是DSP的發(fā)展方向，而且成本相對低廉，采用通用DSP實(shí)現(xiàn)有幾個優(yōu)勢能根據(jù)不同的需求選用不同速度、存儲容量的DSP；能夠完成JPEG2000應(yīng)用系統(tǒng)的大部分功能(如顯示、網(wǎng)絡(luò)、存儲等)；能方便的對軟件進(jìn)行升級；低的功耗可以用于便攜設(shè)備。采用通用DSP實(shí)現(xiàn)JPEG2000技術(shù)是一種柔性的實(shí)現(xiàn)方案，可以通過選用不同檔次的DSP、不同容量的存儲器來適應(yīng)各種情況的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種嵌入式圖像處理器，其目的是在高性價比的通用DSP平臺上設(shè)計(jì)一個低成本的可擴(kuò)充性高速數(shù)字圖像處理平臺，采用通用DSP實(shí)現(xiàn)JPEG2000技術(shù)。
本發(fā)明的嵌入式圖像處理器由圖像采集模塊、圖像壓縮模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和供電模塊四個部分組成，其特征在于(1)圖像采集模塊包括視頻解碼器、視頻采集可編程邏輯器件CPLD和與其相應(yīng)的兩片靜態(tài)存儲器SRAM，視頻解碼器將輸入的模擬復(fù)合視頻信號轉(zhuǎn)換為符合CCIR656格式的數(shù)字視頻流；CPLD采集圖像、對數(shù)字視頻流進(jìn)行格式分析、將相應(yīng)的亮度Y、色度U、飽和度V分量以4∶1∶1的格式存儲在SRAM內(nèi)，同一時刻一片SRAM用于采集視頻圖像，另一片SRAM用做DSP的圖像緩沖區(qū)。
(2)圖像壓縮模塊由數(shù)字信號處理器DSP及相應(yīng)的同步動態(tài)存儲器SDRAM組成，數(shù)字信號處理器負(fù)責(zé)圖像壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)存放于同步動態(tài)存儲器，所述數(shù)字信號處理器作為JPEG2000編碼器包括預(yù)處理、小波變換、熵編碼、碼率控制和打包四個模塊，分別對亮度Y、色度U、飽和度V三個分量進(jìn)行電平位移、小波變換、熵編碼，然后將得到的所有碼塊的編碼流根據(jù)碼率控制要求進(jìn)行分層組織，其中包括碼流截?cái)嗖僮?，編碼器的輸出即是打包后的分層位流，即壓縮位流；(3)數(shù)據(jù)傳輸模塊由主控制器Host Controller和通用串行總線USB2.0控制器組成，上電時通過HPI接口向DSP裝載程序代碼；工作時通過HPI接口將壓縮控制參數(shù)傳輸?shù)紻SP，并通過HPI接口以DMA方式讀取DSP壓縮結(jié)果按照USB規(guī)范打包發(fā)送到主機(jī)。
所述的嵌入式圖像處理器，其進(jìn)一步特征在于所述數(shù)字信號處理器中所述預(yù)處理模塊進(jìn)行電平位移，即如果無符號圖像分量用p位二進(jìn)制數(shù)表示，則將這些無符號分量的采樣值減去2p-1；所述小波變換模塊，采用LeGall5/3濾波器實(shí)現(xiàn)基于抽2取1濾波器組UMDFB提升小波算法，704×576分辨率采樣圖像進(jìn)行5級小波分解，352×288圖像進(jìn)行4級小波分解；所述熵編碼模塊采用最優(yōu)截?cái)嗟那度胧絽^(qū)塊編碼EBCOT+自適應(yīng)位平面算術(shù)編碼器，將小波變換后的子帶劃分成小的碼塊，并將碼塊中的小波系數(shù)組織成若干位平面進(jìn)行編碼，進(jìn)行碼塊編碼時，EBCOT將每個位平面進(jìn)一步分成三個編碼通道有效性通道、幅度細(xì)化通道和清除通道；進(jìn)行位平面編碼時，JPEG2000采用的是快速自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼；所述碼率控制和打包模塊，根據(jù)用戶設(shè)定好的壓縮比，把經(jīng)熵編碼后得到的碼塊編碼位流，按照率失真要求，截取成不同長度的位流段，將截?cái)帱c(diǎn)和失真值以壓縮的形式同碼塊位流保存在一起，形成碼塊的嵌入式壓縮位流。
所述的嵌入式圖像處理器，通過多片DSP的并行操作，可以大大提升系統(tǒng)的處理速度，采用兩片DSP并行運(yùn)算，可以滿足運(yùn)算量的需求，所述視頻采集可編程邏輯器件CPLD和與其相應(yīng)的兩片靜態(tài)存儲器SRAM可以有兩套，兩片CPLD分別采集奇數(shù)幀和偶數(shù)幀圖像、每幀包含奇數(shù)場和偶數(shù)場，每片CPLD對數(shù)字視頻流進(jìn)行格式分析，將相應(yīng)的亮度Y、色度U、飽和度V分量以4∶1∶1的格式存儲在SRAM內(nèi)，同一時刻一片SRAM用于采集視頻圖像，另一片SRAM用做DSP的圖像緩沖區(qū)；圖像壓縮模塊可以由兩片完全獨(dú)立的數(shù)字信號處理器DSP及相應(yīng)的同步動態(tài)存儲器SDRAM組成，分別負(fù)責(zé)奇數(shù)幀和偶數(shù)幀圖像的壓縮和存放。
所述的嵌入式圖像處理器，如果需要更高的處理速度和更大的處理容量，可以將DSP的數(shù)量增加到4片來提高系統(tǒng)的處理速度，這時所述視頻采集可編程邏輯器件CPLD和與其相應(yīng)的兩片靜態(tài)存儲器SRAM可以有4套，并行運(yùn)行；圖像壓縮模塊可以由4片完全獨(dú)立的數(shù)字信號處理器DSP及相應(yīng)的同步動態(tài)存儲器SDRAM組成，并行運(yùn)行。
所述的嵌入式圖像處理器，所述視頻采集可編程邏輯器件CPLD和與其相應(yīng)的兩片靜態(tài)存儲器SRAM還可以有8套，并行運(yùn)行；圖像壓縮模塊還可以由8片完全獨(dú)立的數(shù)字信號處理器DSP及相應(yīng)的同步動態(tài)存儲器SDRAM組成，并行運(yùn)行。
由于采取上述技術(shù)，理論上JPEG2000應(yīng)提供更好的性能和更多的功能，下面通過幾組對比數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。用作參考的JPEG算法是當(dāng)前業(yè)界硬件平臺上使用最廣泛的壓縮算法；測試圖片為24位真彩色lenna圖。實(shí)驗(yàn)采用的壓縮性能度量是峰值信噪比(PSNR)，

表2不同目標(biāo)碼率下試驗(yàn)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)單位dB)

由表2中的數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論在較高壓縮比率情況下，JPEG2000的信噪比均高出JPEG6～9dB；在高分辨率情況下，JPEG2000的信噪比值下降度低于碼率下降度，這意味著，分辨率越高，越能體現(xiàn)JPEG2000的高壓縮比性能；當(dāng)信噪比低于26dB時，JPEG的重構(gòu)圖由于嚴(yán)重的“馬賽克”效應(yīng)已經(jīng)無法分辨，而此時的JPEG2000重構(gòu)圖像雖然在細(xì)節(jié)部分已經(jīng)有所損失，但是圖像輪廓仍舊比較明晰。表中“-”表示此時圖像質(zhì)量已經(jīng)很低，計(jì)算的PSNR值不再具有實(shí)際意義。
PSNR反映的是圖像信噪比變化情況的統(tǒng)計(jì)平均，雖然它是目前廣泛應(yīng)用的衡量圖像主觀質(zhì)量的方法，但與人眼的主觀視覺特性并不具有普遍的相關(guān)性。因此，我們還對幾幅有代表性的圖片(人物圖片、風(fēng)景圖片、文獻(xiàn)圖片)進(jìn)行了主觀視覺比較。
表3三種分辨率情況下系統(tǒng)壓縮速度

綜上所述，本發(fā)明的先進(jìn)性體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)(1)本發(fā)明采用的圖像壓縮算法基于小波變換，避免了基于DCT變換的圖像壓縮算法的普遍缺點(diǎn)壓縮比超過一定限度時會出現(xiàn)方塊效應(yīng)；壓縮比由量化參數(shù)控制，用戶難以直觀控制。
(2)圖像壓縮算法采用了EBCOT+自適應(yīng)算術(shù)編碼器的全新方案。此方案的編碼效率比哈夫曼編碼效率提高了10％，同時解決了“多失真度支持”的要求。
(3)JPEG2000壓縮算法采用完全匯編方案，最大限度的發(fā)揮了C6713的效率，在本系統(tǒng)內(nèi)存空間有限而又強(qiáng)調(diào)效率的情況下，匯編語言的優(yōu)勢得以充分顯現(xiàn)。
(4)接口技術(shù)是本發(fā)明除圖像壓縮技術(shù)之外的另一個重要技術(shù)，直接關(guān)系到本嵌入式系統(tǒng)作為輸入設(shè)備的工作效率。采用的具有480Mbps傳輸速率的USB 2.0接口，不僅保證了高速圖像壓縮時大量數(shù)據(jù)交換的流暢性，還具有方便的即插即用和熱插拔特性，具有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性。
JPEG2000在視頻編輯領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢，與現(xiàn)有基于DV技術(shù)的視頻編輯系統(tǒng)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)
(1)提供無損壓縮功能，壓縮比率達(dá)到3～5倍；(2)提供有損壓縮功能，對于較高分辨率圖像(如4CIF)，即使采用100∶1的壓縮比率也能得到很好的重構(gòu)圖像質(zhì)量，而且絕無“方塊效應(yīng)”，這一特點(diǎn)可以將系統(tǒng)的存儲量要求降低30～60％；(3)提供靜止圖像模式，每幀都可任意存取，用一個非線性編輯器就很容易編輯；(4)碼率可控，在基于無線網(wǎng)絡(luò)或其他帶寬有限的信道傳輸圖像數(shù)據(jù)時，利用這一特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)需要和帶寬，決定下載圖像質(zhì)量的好壞，從而控制數(shù)據(jù)量的大小，節(jié)約、充分利用有限的帶寬。
本發(fā)明以低成本實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的圖像壓縮功能，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，例如數(shù)碼相機(jī)；高誤碼率環(huán)境(如無線通信和因特網(wǎng))；用于專業(yè)廣播和膠片轉(zhuǎn)錄的高質(zhì)量數(shù)碼視頻錄像；高分辨率醫(yī)學(xué)圖像或衛(wèi)星遙感圖像；手持設(shè)備(如手機(jī)或PDA)；電子影院等。


圖1為本發(fā)明硬件結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施方式；圖2為本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理流程；圖3為本發(fā)明數(shù)字信號處理器作為JPEG2000編碼器方框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為本發(fā)明硬件結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施方式；視頻采集可編程邏輯器件CPLD和與其相應(yīng)的兩片靜態(tài)存儲器SRAM有兩套，兩片CPLD分別采集奇數(shù)幀和偶數(shù)幀圖像、同一時刻一片SRAM用于采集視頻圖像，另一片SRAM用做DSP的圖像緩沖區(qū)；圖像壓縮模塊由兩片完全獨(dú)立的數(shù)字信號處理器DSP及相應(yīng)的同步動態(tài)存儲器SDRAM組成，分別負(fù)責(zé)奇數(shù)幀和偶數(shù)幀圖像的壓縮和存放。采用兩片DSP并行運(yùn)算，可以滿足運(yùn)算量的需求。
根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)可選用如下芯片●圖像處理器選用TI公司的高性價比浮點(diǎn)DSP-TMS320C6713，同時選用PQFP封裝，有效的降低系統(tǒng)成本。C6713的單片峰值處理速度高達(dá)1600MIPS，通過多片并行處理，完全滿足高速數(shù)據(jù)處理的需求；●選用Cypress公司的CY7C68013 USB2.0控制器作為與上位主機(jī)數(shù)據(jù)交換的接口，在低成本下實(shí)現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)交換；●選用Altera公司最新的MAX3000系列低成本高性能CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)作為視頻圖像采集控制器，直接將CCIR656標(biāo)準(zhǔn)的視頻流分解為以4∶1∶1格式存放的原始視頻圖像，降低圖像處理DSP的工作任務(wù)量；●通信控制器選用TI的極高性價比DSP-TMS320VC5402，讀取圖像處理DSP壓縮結(jié)果，并根據(jù)USB協(xié)議打包數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)。同時也負(fù)責(zé)裝載程序代碼到各片C6713內(nèi)部。
●視頻解碼器選用Philiphs公司的SAA7111AHZ高性能解碼器，具有4路模擬視頻復(fù)合信號輸入，并可以直接連接YC分量輸入；每片DSP擴(kuò)展16MB的SDRAM，SDRAM以100MHz的頻率工作，滿足圖像壓縮過程中大量數(shù)據(jù)交換的要求。
供電模塊由于系統(tǒng)大部分模塊以超出100MHz的高速工作，供電質(zhì)量直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，除了對電源濾波電容的一般性要求之外，系統(tǒng)供電需求的詳細(xì)分析，如表4表4系統(tǒng)供電需求

根據(jù)上述分析，整個電路板的供電分為5個獨(dú)立的模塊2個1.2V供電模塊；1個1.8V供電模塊2個3.3V供電模塊。
C6713使用的1.2V電源從5.0V電源通過線性變換獲得，電源功耗約2147mW，需要加裝散熱片，兩片C6713使用兩個獨(dú)立的1.2V電源模塊；VC5402使用的1.8V電源從5.0V電源通過線性變換獲得，電源功耗約144mW；3.3V從5.0V電源通過線性變換獲得，其中兩片C6713、兩片SDRAM、CY7C68013和VC5402共用一個3.3V電源，電源功耗約660mW，兩片EPM7256、4片SRAM和SAA7111共用一個3.3V電源，電源功耗約490mW。
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)不是便攜系統(tǒng)，以系統(tǒng)穩(wěn)定為設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以全部采用線性電源，保證高質(zhì)量的供電。
視頻信號從模擬輸入到JPEG2000數(shù)據(jù)流輸出經(jīng)歷的流程如圖2所示。
輸入的模擬視頻信號經(jīng)過解碼器，形成標(biāo)準(zhǔn)的CCIR656數(shù)字視頻流，通過CPLD的邏輯處理，將這個數(shù)據(jù)流分為奇數(shù)幀圖像和偶數(shù)幀圖像，兩個DSP分別負(fù)責(zé)處理奇數(shù)幀圖像和偶數(shù)幀圖像；壓縮后的JPEG2000數(shù)據(jù)存放于DSP內(nèi)部特定緩沖區(qū)內(nèi)，Host通過HPI接口以DMA的方式讀取。
在圖像采集和DSP處理過程中，使用了“乒乓”緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)A(BufferA)用于采集視頻圖像時，緩沖區(qū)B(BufferB)直接連接到DSP的總線上進(jìn)行圖像壓縮，同理BufferB用于采集視頻圖像時，BufferA直接連接到DSP的總線上進(jìn)行圖像壓縮，這個過程基本不需要DSP的干預(yù)，只需要DSP查詢圖像采集是否完成。
圖像壓縮后的JPEG2000數(shù)據(jù)由Host通過DMA方式直接讀取經(jīng)過處理后通過USB送到PC，這個過程完全不需要DSP的干預(yù)。
采用上圖的數(shù)據(jù)流程，可以使負(fù)責(zé)視頻處理的DSP最大限度的發(fā)揮其處理性能，由外圍電路系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的供給和讀取，并且避免了昂貴的FIFO(先入先出存儲器)或DPSRAM(雙端口存儲器)，采用低成本的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高的性能。
本發(fā)明中的JPEG2000編碼器如圖3所示。
預(yù)處理模塊包括電平位移，即如果無符號圖像分量用p位二進(jìn)制數(shù)表示，則將這些無符號分量的采樣值減去2p-1。其目的是為了在解碼時能夠從有符號的數(shù)值中正確恢復(fù)重構(gòu)的無符號采樣值。
傳統(tǒng)小波變換的運(yùn)算量相當(dāng)大，而且往往將8位的圖像數(shù)據(jù)變換為浮點(diǎn)型，在編碼中引入量化失真，不利于圖像數(shù)據(jù)的無損壓縮，因此JPEG2000主要采用基于UMDFB(抽2取1濾波器組)提升小波算法。其優(yōu)點(diǎn)在于速度快、運(yùn)算復(fù)雜度低、所需的存儲空間少，而且得到的小波系數(shù)與使用傳統(tǒng)小波變換得到的結(jié)果相同。經(jīng)過大量測試，JPEG2000選用兩種濾波器LeGall5/3濾波器和Daubechies9/7濾波器。前者是可同時滿足有損無損壓縮需求的整數(shù)型濾波器組，后者是具有較高有損壓縮性能的浮點(diǎn)型濾波器組。9/7小波相對5/3小波運(yùn)算復(fù)雜，需要進(jìn)行了4次“提升”和2次“變尺度”運(yùn)算，而5/3小波只需要進(jìn)行2次“提升”即可完成，本系統(tǒng)考慮到實(shí)時性要求以及無損壓縮需求，選用5/3小波運(yùn)算。當(dāng)小波分解級數(shù)提高的時候分解系數(shù)的能量更為集中，但小波分解級數(shù)的提高會使編碼效率有所下降，對于本系統(tǒng)，4CIF(704×576)分辨率采樣圖像進(jìn)行5級小波分解，CIF(352×288)圖像進(jìn)行4級小波分解就足夠了。
多分辨率支持可通過小波變換來實(shí)現(xiàn)，多失真度支持則可通過熵編碼來解決。熵編碼模塊采用了EBCOT(Embedded Block Coding withOptimized Truncation，最優(yōu)截?cái)嗟那度胧絽^(qū)塊編碼)+MQ編碼器(自適應(yīng)位平面算術(shù)編碼器)的方案，而非傳統(tǒng)JPEG常用的哈夫曼編碼方式。哈夫曼編碼采取依次對每個系數(shù)進(jìn)行熵編碼的方式；JPEG2000編碼系統(tǒng)則是將小波變換后的子帶劃分成小的碼塊，并將碼塊中的小波系數(shù)組織成若干位平面進(jìn)行編碼。以“位平面”為編碼元，有兩點(diǎn)好處可以更好地利用圖像局部的統(tǒng)計(jì)特性，為隨機(jī)獲取圖像壓縮位流提供支持；有助于提高壓縮碼流的抗誤碼性能。在進(jìn)行碼塊編碼時，JPEG2000強(qiáng)調(diào)多截?cái)帱c(diǎn)的支持，越多的截?cái)帱c(diǎn)，表明圖像可提供更多的質(zhì)量選擇。如果對每個碼塊僅進(jìn)行位平面編碼，那么對于數(shù)據(jù)最高位數(shù)為N的塊，最多可得到N個截?cái)帱c(diǎn)。很多時候這種截?cái)嗍谴植诘亩医財(cái)帱c(diǎn)數(shù)目過少。為了獲得更多的截?cái)帱c(diǎn)，EBCOT引入“編碼通道”的概念，將每個位平面進(jìn)一步分成子位平面(編碼通道)。在JPEG2000編碼系統(tǒng)中使用三個編碼通道有效性通道、幅度細(xì)化通道和清除通道。這樣對某個碼塊Bi來說，可能的截?cái)帱c(diǎn)可以有3N個。進(jìn)行位平面編碼時，JPEG2000采用的是快速自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼。自適應(yīng)算術(shù)編碼與哈夫曼編碼最大的不同在于它并不是對每個信號產(chǎn)生一個碼值，而是對一個信號序列產(chǎn)生一個碼值；它除了需要獲得信號序列外，還要獲得其中每個信號的預(yù)測概率。根據(jù)這個概率，將
區(qū)間不斷分割，最后得到的碼值即是最后分割得到的小區(qū)間所對應(yīng)的一個二進(jìn)制表示。自適應(yīng)性的獲得在于不斷更新信號的預(yù)測概率，使之總是趨近于實(shí)際。
本發(fā)明的碼率用戶可控功能主要在碼率控制和打包模塊部分實(shí)現(xiàn)。根據(jù)用戶設(shè)定好的壓縮比，把經(jīng)熵編碼后得到的碼塊編碼位流，按照一定的率失真要求，截取成不同長度的位流段，將截?cái)帱c(diǎn)和失真值以壓縮的形式同碼塊位流保存在一起，形成碼塊的嵌入式壓縮位流。多級小波分解后，碼流在空間分辨率上具有可分級性。為了使壓縮碼流具有質(zhì)量上的可分級性，JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)對編碼后的碼塊位流，采用PCRD(Post-compression Rate-distortion Optimization，最優(yōu)率失真)算法思想，計(jì)算碼塊位流在每一層上的截?cái)帱c(diǎn)。將所有碼塊位流按照截?cái)帱c(diǎn)分層組織，形成具有不同質(zhì)量級的壓縮碼流。碼塊的嵌入式壓縮位流分布在不同的層上，不同的碼塊對不同的層有不同的貢獻(xiàn)，即使同一碼塊，對不同的層，貢獻(xiàn)也可能不同，有的碼塊甚至對某一層根本就沒有貢獻(xiàn)。將碼流分層組織，每一層含有一定的質(zhì)量信息，在前面層的基礎(chǔ)上，改善圖像質(zhì)量。這樣，在進(jìn)行圖像傳輸時，可先傳送第一層，給用戶一個較粗的圖像，然后再傳送第二層，圖像質(zhì)量在第一層的基礎(chǔ)上得到改善，這樣一層一層地傳輸下去，可得到不同質(zhì)量的重構(gòu)圖像。如果傳輸了所有的層，則可獲得完整的圖像壓縮位流。
權(quán)利要求
1.一種嵌入式圖像處理器，由圖像采集模塊、圖像壓縮模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和供電模塊四個部分組成，其特征在于(1)圖像采集模塊包括視頻解碼器、視頻采集可編程邏輯器件CPLD和與其相應(yīng)的兩片靜態(tài)存儲器SRAM，視頻解碼器將輸入的模擬復(fù)合視頻信號轉(zhuǎn)換為符合CCIR656格式的數(shù)字視頻流；CPLD采集圖像、對數(shù)字視頻流進(jìn)行格式分析、將相應(yīng)的亮度Y、色度U、飽和度V分量以4∶1∶1的格式存儲在SRAM內(nèi)，同一時刻一片SRAM用于采集視頻圖像，另一片SRAM用做DSP的圖像緩沖區(qū)。(2)圖像壓縮模塊由數(shù)字信號處理器DSP及相應(yīng)的同步動態(tài)存儲器SDRAM組成，數(shù)字信號處理器負(fù)責(zé)圖像壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)存放于同步動態(tài)存儲器，所述數(shù)字信號處理器作為JPEG2000編碼器包括預(yù)處理、小波變換、熵編碼、碼率控制和打包四個模塊，分別對亮度Y、色度U、飽和度V三個分量進(jìn)行電平位移、小波變換、熵編碼，然后將得到的所有碼塊的編碼流根據(jù)碼率控制要求進(jìn)行分層組織，其中包括碼流截?cái)嗖僮?，編碼器的輸出即是打包后的分層位流，即壓縮位流；(3)數(shù)據(jù)傳輸模塊由主控制器Host Controller和通用串行總線USB2.O控制器組成，上電時通過HPI接口向DSP裝載程序代碼；工作時通過HPI接口將壓縮控制參數(shù)傳輸?shù)紻SP，并通過HPI接口以DMA方式讀取DSP壓縮結(jié)果按照USB規(guī)范打包發(fā)送到主機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的嵌入式圖像處理器，其特征在于所述數(shù)字信號處理器中所述預(yù)處理模塊進(jìn)行電平位移，即如果無符號圖像分量用p位二進(jìn)制數(shù)表示，則將這些無符號分量的采樣值減去2p-1；所述小波變換模塊，采用LeGall5/3濾波器實(shí)現(xiàn)基于抽2取1濾波器組UMDFB提升小波算法，704×576分辨率采樣圖像進(jìn)行5級小波分解，352×288圖像進(jìn)行4級小波分解；所述熵編碼模塊采用最優(yōu)截?cái)嗟那度胧絽^(qū)塊編碼EBCOT+自適應(yīng)位平面算術(shù)編碼器，將小波變換后的子帶劃分成小的碼塊，并將碼塊中的小波系數(shù)組織成若干位平面進(jìn)行編碼，進(jìn)行碼塊編碼時，EBCOT將每個位平面進(jìn)一步分成三個編碼通道有效性通道、幅度細(xì)化通道和清除通道；進(jìn)行位平面編碼時，JPEG2000采用的是快速自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼；所述碼率控制和打包模塊，根據(jù)用戶設(shè)定好的壓縮比，把經(jīng)熵編碼后得到的碼塊編碼位流，按照率失真要求，截取成不同長度的位流段，將截?cái)帱c(diǎn)和失真值以壓縮的形式同碼塊位流保存在一起，形成碼塊的嵌入式壓縮位流。
3.如權(quán)利要求1或2所述的嵌入式圖像處理器，其特征在于所述視頻采集可編程邏輯器件CPLD和與其相應(yīng)的兩片靜態(tài)存儲器SRAM有兩套，兩片CPLD分別采集奇數(shù)幀和偶數(shù)幀圖像、每幀包含奇數(shù)場和偶數(shù)場，每片CPLD對數(shù)字視頻流進(jìn)行格式分析，將相應(yīng)的亮度Y、色度U、飽和度V分量以4∶1∶1的格式存儲在SRAM內(nèi)，同一時刻一片SRAM用于采集視頻圖像，另一片SRAM用做DSP的圖像緩沖區(qū)；圖像壓縮模塊由兩片完全獨(dú)立的數(shù)字信號處理器DSP及相應(yīng)的同步動態(tài)存儲器SDRAM組成，分別負(fù)責(zé)奇數(shù)幀和偶數(shù)幀圖像的壓縮和存放。
4.如權(quán)利要求1或2所述的嵌入式圖像處理器，其特征在于所述視頻采集可編程邏輯器件CPLD和與其相應(yīng)的兩片靜態(tài)存儲器SRAM有4套，并行運(yùn)行；圖像壓縮模塊由4片完全獨(dú)立的數(shù)字信號處理器DSP及相應(yīng)的同步動態(tài)存儲器SDRAM組成，并行運(yùn)行。
5.如權(quán)利要求1或2所述的嵌入式圖像處理器，其特征在于所述視頻采集可編程邏輯器件CPLD和與其相應(yīng)的兩片靜態(tài)存儲器SRAM有8套，并行運(yùn)行；圖像壓縮模塊由8片完全獨(dú)立的數(shù)字信號處理器DSP及相應(yīng)的同步動態(tài)存儲器SDRAM組成，并行運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及多功能集成的嵌入式靜態(tài)圖像壓縮系統(tǒng)，目的是構(gòu)建低成本的可擴(kuò)充性高速數(shù)字圖像處理平臺，采用通用DSP實(shí)現(xiàn)JPEG2000技術(shù)。本發(fā)明(1)圖像采集模塊包括視頻解碼器、視頻采集可編程邏輯器件和與其相應(yīng)的靜態(tài)存儲器，(2)圖像壓縮模塊由包括預(yù)處理、小波變換、熵編碼、碼率控制和打包模塊的數(shù)字信號處理器及相應(yīng)的同步動態(tài)存儲器組成，(3)數(shù)據(jù)傳輸模塊由主控制器和通用串行總線控制器組成。本發(fā)明集圖像采集、壓縮、存儲、傳輸為一體，采用150∶1的壓縮比仍能保證重構(gòu)圖像畫面圓潤平滑、輪廓清晰、無“方塊效應(yīng)”、無顏色突變；可選擇采集圖像的分辨率、設(shè)定圖像壓縮比率，從而直觀控制碼流大??；壓縮的數(shù)據(jù)流傳輸速率高達(dá)480Mbps。
文檔編號H04N7/26GK1558682SQ200410012659
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月14日
發(fā)明者朱光喜, 吳薇, 張江山 申請人:華中科技大學(xué)