1 引言
    JPEG2000是新一代靜止圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)，具有優(yōu)越的圖像壓縮性能和高的圖像質(zhì)量,，不僅克服了傳統(tǒng)JPEG靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)在高壓縮時出現(xiàn)方塊效應(yīng)的缺點(diǎn)，還提供了圖像漸進(jìn)傳輸,、圖像質(zhì)量可伸縮及感興趣區(qū)域編碼等特性,，可以應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、醫(yī)療圖像,、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确矫妗?br /> 2  JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)基本原理
2.1 JPEG2000編解碼框架
    JPEG2000編碼器編碼主要有預(yù)處理,、小波變換、量化和熵編碼等步驟,，相對于編碼過程,，該系統(tǒng)的解碼過程比較簡單[1]。JPEG2000編解碼器框圖如圖1和圖2所示,。

圖1  JPEG2000編碼器框圖

圖2  JPEG2000解碼器框圖
2.2  JPEG2000編碼的核心算法
    1） DWT變換
    通過離散小波變換多級小波分解,，小波系數(shù)既能表示圖像片中局部區(qū)域的高頻信息也能表示圖像片中的低頻信息,。這樣，即使在低比特率的情況下,，也能保持較多的圖像細(xì)節(jié),，另外，下一級分解得到的系數(shù)所表示圖像在水平和垂直方向的分辨率只有上一級小波系數(shù)所表示的圖像的一半,，所以通過對圖像的不同級進(jìn)行解碼,，就可以得到具有不同空間分辨率的圖像。
    2） EBCOT算法
    EBCOT算法的基本思想是將小波變換以后的子帶劃分為大小固定的碼塊,，對碼塊系數(shù)量化,，按照二進(jìn)制位分層的方法，從高有效位平面開始,，依次對每個位平面上的所有小波系數(shù)位進(jìn)行三個通道掃描建模（重要性傳播編碼通道,、幅度精煉編碼通道、清除編碼通道）,，即位平面編碼,，生成上下文和0、1符號對,，然后對這些上下文和符號對進(jìn)行上下文算術(shù)編碼,，形成碼塊碼流，完成第一階段編碼塊編碼,；最后根據(jù)一定參數(shù)指標(biāo)如碼率,、失真度，按率失真最優(yōu)原則在每個獨(dú)立碼塊碼流中截取合適的位流組裝成最終的圖像壓縮碼流,，完成第二階段碼流組裝過程[2],。
2.3  EBCOT算法中塊編碼算法的改進(jìn)研究及實(shí)現(xiàn)
    在JPEG2000編解碼系統(tǒng)中，EBCOT算法是其重要的組成部分,。而EBCOT算法中的第一階段塊編碼又是整個算法的核心,，它占用了大量的編碼時間，無論是無損壓縮還是有損壓縮,，EBCOT算法中的位平面編碼時間都占到整個編碼耗時的50%以上[3][4],。所以，自從EBCOT算法提出后,，由于第一階段塊編碼的運(yùn)算量比較大,、編碼速度較慢，針對這種情況的優(yōu)化改進(jìn)研究很有必要,。
    圖3為barbara圖像（256×256）在位平面編碼時三個通道系數(shù)編碼數(shù)量變化示意圖,。圖中通道1表示重要性通道，通道2表示幅度精練通道,，通道3表示清除通道,。由圖可以看出,，在最高位平面MSB，所有系數(shù)都只在清除通道進(jìn)行編碼,。重要性傳播通道中編碼的系數(shù)數(shù)量先是增加,，然后由于在重要性傳播通道中的系數(shù)已變?yōu)橹匾模栽谥匾詡鞑ネǖ乐芯幋a的系數(shù)數(shù)量又逐漸減少,。在低位平面（0,、1、2）大部分系數(shù)在幅度精練通道中編碼,，只有一少部分在重要通道中編碼,，沒有系數(shù)在清除通道中編碼。在整個掃描編碼過程中,，三次掃描要形成三次上下文并判斷其所屬編碼通道,，這樣就會使編碼時間大幅度增加。
    根據(jù)對圖3的數(shù)據(jù)分析研究,，本文給出兩種針對于位平面編碼的改進(jìn)方法[5],。
    （1）位平面0、1,、2清除通道編碼省略法,。由圖3可以看出在較低位平面（即位平面0、1,、2）上清除通道實(shí)際編碼的像素是很少的,，幾乎為零。所以花費(fèi)時間對較低位平面上的清除通道進(jìn)行掃描編碼是無意義的,。本論文就此給出一種改進(jìn)方案即省略較低位平面的清除通道編碼,，達(dá)到改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)算法的目的。該編碼模塊與標(biāo)準(zhǔn)算法此部分代碼相近,，只是對編碼條件進(jìn)行了改變,。
    （2）位平面6、7一次掃描法,。由圖3可以看出在高位平面（位平面6和位平面7）重要性傳播通道和幅度精練通道的編碼量都很低,，趨近于零，而清除編碼通道編碼的像素量相反卻很高,。在標(biāo)準(zhǔn)算法的掃描機(jī)制下，對圖像質(zhì)量影響很小的高頻子帶像素編碼,，掃描算法必須從最高平面由高向低分三次完整的掃描,。本文給出一次掃描法對較高位平面進(jìn)行改進(jìn)，即在一次掃描過程中對最高位平面和次高位平面所有系數(shù)進(jìn)行編碼,。在一次編碼一個系數(shù)時,，通過上下文的形成,，先確定此系數(shù)屬于哪個通道。然后,，此系數(shù)按所屬通道馬上進(jìn)行相應(yīng)編碼,。這樣就能減少兩次掃描，節(jié)約了編碼時間,，從而能夠提高編碼效率,。本文處理的對象主要是8比特的灰度圖像。有損壓縮采用9/7小波變換,。

圖3  位平面編碼三個通道系數(shù)編碼數(shù)量變化示意圖
    通過對壓縮性能研究發(fā)現(xiàn),，在壓縮比較小時本文改進(jìn)算法比標(biāo)準(zhǔn)算法的壓縮性能約低0.4db左右，在壓縮比較大時兩者的壓縮性能相一致,，保留了JPEG2000優(yōu)異的壓縮性能,；從編解碼時間來看，在有損壓縮編碼執(zhí)行時間上,，本文所給出的改進(jìn)算法比標(biāo)準(zhǔn)算法時間縮短8%到12%,，解碼時間縮短2%到5%，提高了編碼效率,，達(dá)到了改進(jìn)的目的,。
3  JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中改進(jìn)算法的DSP實(shí)現(xiàn)
3.1 DSP硬件開發(fā)平臺
    本文使用評估板是北京聞亭公司的TDS642，板上的DSP芯片是TMX DM642,，BGA548封裝,，內(nèi)部工作時鐘為600M，外部總線時鐘為100M,，計(jì)算能力高達(dá)4.8億指令每秒,。
    該平臺提供了豐富的外圍接口。板上有兩個復(fù)合視頻（PAL/NTSC/SECAMS）輸入和1個復(fù)合視頻輸出端口,；立體聲輸入/出或單一麥克風(fēng)輸入端口,；提供兩個UART、以太網(wǎng)接口,、子板接口,、PC104接口和JTAG接口[6][7]。板上還提供了4M Bytes的Flash存儲器,，位于DM642的CE1地址空間,，寬度為8bits，F(xiàn)PGA擴(kuò)展了3根地址線,，把Flash分成8頁,，F(xiàn)lash 的第0頁的前半頁存放用戶的自啟動程序，后半頁存放FPGA程序，第1頁尾用戶存放數(shù)據(jù)空間,，第2頁至第8頁用于存放用戶程序,。
3.2 核心算法的DSP實(shí)現(xiàn)
    （1）算法總體框架。本文算法基于DM642EVM實(shí)現(xiàn)時主要分為兩個大的模塊（如圖4）,，第一部分為DWT變換模塊,，它將輸入圖像數(shù)據(jù)變換為一系列的小波系數(shù)；第二部分為EBCOT算法模塊,，將量化后的的小波系數(shù)編碼生成壓縮碼流,。硬件開發(fā)平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖4 算法框架圖

圖5 算法硬件開發(fā)平臺結(jié)構(gòu)框圖
    （2）內(nèi)存分配,。對于圖像數(shù)據(jù)的處理,，往往涉及到大量的復(fù)雜的數(shù)據(jù)尋址計(jì)算，對于復(fù)雜的尋址計(jì)算,，其耗費(fèi)CPU的計(jì)算量可能比實(shí)際數(shù)據(jù)操作的計(jì)算量還大,。所以要加快CPU對數(shù)據(jù)的訪問速度，不但要求存儲器本身的速度快,，而且還需要一個合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來簡化CPU對地址的計(jì)算,。另外，DM642對數(shù)據(jù)的訪問技術(shù),，如Cache,、EDMA和寬bit數(shù)據(jù)直接讀寫等，都是基于存儲地址的連續(xù)性,?；谝陨峡紤]，本文在內(nèi)存分配及定位時,，依據(jù)以下大的原則：第一,，在滿足精度要求的情況下，使用較短的數(shù)據(jù)類型,；第二,、大的數(shù)據(jù)塊，如原始圖像,、重構(gòu)圖像存儲在片外SDRAM,；第三、關(guān)鍵數(shù)據(jù),、小的數(shù)據(jù)塊,，比如運(yùn)算時的系數(shù)、系統(tǒng)堆棧,、三個通道掃描都需要頻繁的訪問數(shù)據(jù)區(qū)和上下文標(biāo)志區(qū)等,，存放到片內(nèi)存儲器,；第四,、對L2級配置足夠的Cache以便CPU對數(shù)據(jù)的快速讀寫,；第五、對于具有運(yùn)算相關(guān)性的數(shù)據(jù),，應(yīng)在內(nèi)存中按序連續(xù)排放,。當(dāng)涉及到片內(nèi)外數(shù)據(jù)塊的搬移操作時，可由DM642的EDMA單元去完成,，它可與CPU并行工作,，不占用CPU的計(jì)算周期[8]。
    （3）圖像數(shù)據(jù)的讀寫,。由于本文工作主要完成針對圖像的壓縮功能,，不涉及圖像采集，所以在圖像數(shù)據(jù)的輸入輸出上做了適當(dāng)?shù)奶幚??？紤]到CCS的Simulator完全支持C/C++語言，因此原始圖像數(shù)據(jù)的輸入采用C語言中的頭文件形式,，小波變換模塊,，EBCOT算法模塊采用存放在PC機(jī)的數(shù)據(jù)文件形式。本文主要采用頭文件和二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件的形式,，將圖像的非文件頭部分的所有數(shù)據(jù)通過“fprintf（fp,，“%3d，”,，image_in [i][j]）”語句寫到.h文件中,。
    （4）DWT的實(shí)現(xiàn)。由于DM642為定點(diǎn)處理器,，不適合于浮點(diǎn)運(yùn)算,，所以本文選擇LeGall（5，3）整數(shù)濾波器完成JPEG2000中的小波變換,。在進(jìn)行小波變換時,，首先定義兩個與圖像塊大小相等的存儲緩沖器，一個是圖像片數(shù)據(jù)的輸入緩存Buf,，一個是用來臨時存放圖像片數(shù)據(jù)經(jīng)小波變換后的結(jié)果緩存TempBuf,。每經(jīng)過一級小波變換，圖像片數(shù)據(jù)都要先后兩次經(jīng)過integer（5,，3）的低通和高通濾波,。TempBuf中保存的高通濾波數(shù)據(jù)經(jīng)integer（5，3）濾波器處理后,，得到HL子帶和HH子帶的小波變換系數(shù),。最后將變換結(jié)果存放到輸入緩存Buf中,。若要進(jìn)行下一級分解，只需對Buf中LL子帶進(jìn)行同樣處理,。
    （5）EBCOT算法的實(shí)現(xiàn),。EBCOT算法是JPEG2000編碼系統(tǒng)中耗時最大的一個部分，因此對這一部分進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的性能提高很有意義,。在PC機(jī)上,，EBCOT編碼中的每個通道都是被獨(dú)立處理的。因此,，在DM642上實(shí)現(xiàn)的時候,，本文采用并行性技術(shù)來優(yōu)化代碼，加快程序的執(zhí)行速度,，比如在取位平面數(shù)據(jù)的時候可以和構(gòu)造上下文模型并行處理,，但是并不是簡單的并行處理，當(dāng)要形成通道二的上下文模型時,，其鄰域的數(shù)據(jù)在處理通道一的時候己經(jīng)被改變,。這樣做可以增加DM642功能單元的利用率，充分發(fā)揮出它的并行計(jì)算能力,。
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    本文實(shí)驗(yàn)基于Windows XP操作系統(tǒng),、CPU Intel Pentium（R）4 2.4GHz、512M內(nèi)存,、CCS編譯環(huán)境,，程序通過USB仿真器下載到DM642EVM開發(fā)板上進(jìn)行，采用LeGall（5,，3）小波,，處理圖像為512×512的lena和barbara圖像。經(jīng)測試,，壓縮比為16：1時編碼器編碼相應(yīng)耗時如表1所示,。

實(shí)驗(yàn)給出了lena圖像在8：1、16：1,、32：1三種壓縮比下的重構(gòu)圖像,，并分別給出了與原始圖像的峰值信噪比，如圖6所示,。
    表1數(shù)據(jù)表明,，編碼器基于DSP的編碼耗時相比基于PC的耗時有所增加，是因?yàn)榇a在DM642EVM硬件平臺上運(yùn)行時需要持續(xù)的通過USB仿真器和PC機(jī)交換數(shù)據(jù),，從而增加了時間的開銷,。從圖6中的PSNR值可知，lena圖像在較高壓縮比下的重構(gòu)圖像仍具有較高的圖像質(zhì)量,。就主觀評價來講,，壓縮比為8：1和16：1的重構(gòu)圖像與原始圖像差別細(xì)微,，視覺效果好；壓縮比為32：1的重構(gòu)圖像略有失真,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，移植到DSP上的JPEG2000編碼算法代碼仍具有良好的壓縮性能。

圖6  barbara圖像編碼圖
4  結(jié)束語
    為了實(shí)現(xiàn)對圖像的高效壓縮,，在這里使用了DWT變換和EBCOT算法,，并給出兩點(diǎn)改進(jìn)方法。通過將改進(jìn)的算法移植到DSP開發(fā)板上,，可以看出圖像在高壓縮比的重構(gòu)圖像仍具有較高的圖像質(zhì)量，結(jié)果表明移植到DSP上的JPEG2000編碼算法代碼仍具有良好的壓縮性能,，在圖像壓縮處理中有較好的嘗試應(yīng)用,。