關鍵詞： dsp , JPEG , 圖像 , 壓縮

一、引言

JPEG算法是一種數字圖像壓縮編碼算法，具有壓縮比例高、失真小的特點，并已被確定為國際標準。該標準被廣泛應用于數碼相機、監視系統、手機、可視電話等等諸多方面。它的應用與實現不僅限于PC機，更多的則是基于嵌入式系統。嵌入式系統有其體積小、成本低、可靠性高、速度快、環境適應性強等優點。嵌入式編碼實現方式也比較多，有的采用專用集成芯片，有的基于FPGA，有的基于DSP，ARM。采用專用芯片的方式實現簡單，技術成熟可靠，但靈活性以及可擴展性差。基于FPGA的方式，壓縮算法純硬件實現，并行處理速度高，可實現高速處理，但由于JPEG壓縮算法比較復雜，開發難度大些，費時費力。基于通用DSP實現方式優點是：靈活性強，能滿足特殊處理需求，具有很好的可擴展性、可升級性和易維護性。

二、系統硬件設計

考慮到系統的二次開發性本系統采用DSP開發方案，選用TMS320C6713芯片作為系統主處理器，該嵌入式系統能完成視頻圖像信號的采集、處理、壓縮、編碼、顯示、存儲等一系列功能。

本圖像處理系統由底板與子板兩部分組成，底板主要由DSP處理器TMS320C6713、一片256K×16bit Flash，四片4M×16bitSDRAM、外部存儲器接口EMIF(External Memory Interface)和其他通用外設接口如RS-232，音頻接口等組成。子板是在底板的EMIF上擴展出來的，主要由視頻解碼A/D芯片、采集和顯示時序控制芯片CPLD等。

（一）CCD攝像頭用來采集模擬視頻圖像數據。

（二）視頻解碼A/D芯片Philips SAA7113將模擬視頻電視信號（本系統PAL制）數字化。輸出為符合CCIR.601標準的數字視頻碼流。

（三）FIFOAL422B作為A/D與C6713DSP之間的數據緩沖，使A/D的轉換速度與DSP讀取A/D數據的速度匹配。

（四）TMS320C6713DSP為主處理器，實現對視頻數據的壓縮編碼處理。在存儲FIFO，存儲SDRAM和壓縮碼流輸出SDRAM采用DMA方式進行數據傳輸，可以提高數據傳輸的速率。

（五）SDRAM作為DSP的片外擴展存儲器，用于存儲A/D的圖像數據，中間過程的部分數據以及壓縮后的圖像數據。選用了4片ISSI公司的4M×16bit SDRAM芯片IS42S16400，構成了一個8M×32bit的外部存儲器。映射到DSP的CE0存儲空間。

（六）Flash 采用芯片256K×16bit的AM29LV400B，用于DSP上電或復位后的程序加載。

（七）CPLD采用Laitiice公司的LC4821V，作為視頻A/D對FIFO進行寫操作，DSP對FIFO進行讀操作的時序控制。

圖像采集與存儲關鍵問題與解決方法：

本設計中解碼CCD攝像頭的模擬視頻信號是采用專用的模擬視頻信號解碼器SAA71113， SAA71l13視頻解碼器是雙通道模擬預處理電路、自動鉗位和增益控制電路、時鐘產生電路、數字多標準解碼器、亮度/對比度/飽和度控制電路、彩色空間矩陣的組合，是一款功能完善的視頻處理器。SAA711l3只需要單一的3．3V電源供電，與C6713的I/O電壓一致。

SAA7113A接收CVBS(復合視頻)或S-video模擬視頻輸入，可以自動將PAL、SECAM、NTSC模式的彩色視頻信號解碼為CCIR-60l/656兼容的彩色數字分量值，器件功能通過I2C接口控制。圖像采集過程可以全部在后臺完成，基本上不需要CPU的干預，可以節約大量的CPU時間。但是這樣設計有一個難點：由模擬視頻信號解碼得出的數字視頻信號數據量非常大，而且由于是實時視頻信號，所以數據輸出速率也非常高；但是相反，DSP外部存儲器接口的讀出速率卻比較慢。為了解決這個問題，本設計采取是高速FIFO，對數據進行暫存以緩解速度上的差異，即采用FIFO來暫存10行圖像數據，視頻解碼器直接向FIF0中寫入圖像數據。當FIFO中寫入了10行圖像數據后，由CPLD向DSP發出中斷INT4請求；同時，DSP接到中斷請求后，啟動DMA方式將10行圖像數據從FIFO中讀入到其外部RAM中存放。這樣在采集的同時，DSP就可以讀取已采集的10行數據，而不必等待一幀圖像數據采集完成。這樣提高DSP的處理效率。CPLD主要控制解碼器向FIFO中寫入數據以及DSP從FIFO中讀出數據。  

系統可以采集到一幀圖像的尺寸為320點/行*240行，從SA71113輸出的是4:2:2的YcrCb數據格式，一個像素用2個字節表示，一個字節表示Y，另一個字節為Cb和Cr，那么總的數據量為320×240×2=150KB。對于亮度信號，每個像素Y占一個字節，一行共320個字節，用320個存儲單元存儲一行的Y數據，對于色度信號Cb，一行共320點，每兩個像素共用一個色度信號Cb，占一個字節，共160個字節，用160個字節單元存放一行的數據，對于色度信號Cr，存儲格式與Cb一樣。這樣一幀圖像數據需要的緩沖區大小為：320×240+160×240×2=150KB。對此選用了8M×32bit的SDRAM，而且選取用了具有3Mbit緩沖的FIFO。

三、JPEG壓縮編碼算法原理與實現

JPEG壓縮編碼主要由預處理、DCT變換、量化、Huffman編碼等流程構成。

JPEG壓縮編碼時，需先將原始YcbCr空間的二維圖像分成8×8的數據塊，然后將各數據塊按從左到右，從上到下的順序分別進行DCT變換、量化、“之”字型（Zig-Zag）掃描和Huffman編碼（量化和Huffman編碼分別需要量化表和Huffman表的支持）。

DCT優化的實現

DCT變換的快慢決定了整個JPEG算法的速度。因此，采用了行列法來減少計算量。將8×8數據塊的DCT轉換為16次一維8點DCT變換，只要提高一維DCT的速度就可以提高二維DCT的速度。因此將DCT算法分成兩級運算，即第一級蝶形運算，第二級乘法累加運算，減少了運算級數，這樣利用DSP的專用指令乘累加運算大大優化了DCT算法。

四、結束語

本文以上述算法和流程為基礎，設計以DSP的開發環境，實現JPEG的編碼算法，并進行了優化。與基于ASIC的方法相比，具有通用性強、靈活高效的特點。圖3為在dsp的CCS調試環境下，采用C和匯編混合編程，對采集的320*240*8位的灰度視頻圖像進行JPEG標準壓縮后復原的圖像。

從上面的結果可以看出，整個壓縮系統基本上可以實現對視頻圖像壓縮編碼。對本算法進行適當修改，可以應用到數碼相機，手機等多種嵌入式系統中。同時，該壓縮系統可以通過PCI總線控制，將壓縮后的碼流通過JPEG文件的形式傳輸給PC機。另外，該壓縮系統可以成為一個通用的視頻圖像采集壓縮平臺，在該平臺上可以實現JPEG2000，H.263，MPEG-2等多種多媒體壓縮標準。