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1、华南理工大学硕士学位论文基于DSP的HUFFMAN编码解码器的实现与研究姓名：张恒申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：冯文修;郑学仁2003.3.1捅要f 多媒体技术中，图像的数据压缩和解压缩实现是目前国内和国际研 究燃点问题之一。本文研究静态图像的J P E G 编码和解码及关键模块的实现，重点研究了J P E G 算法中H u f f m a n 编码解码器在D S P 处理器上的实现，以及针对D S P 处理器特点进行H u f f m a n 算法的优化，并由此得出实现H u f f m a n 编码解码器的方案。7根据H u f f m a n 编码解码器的实7 现
2、方案，本文采用C 语言描述H u f f m a n编码解码器，以T I 公司的T M S 3 2 0 C 5 4 0 2 D S P 处理器为目标器件。从D S P处理器的硬件特点出发，在编程当中尽量减少存储器空间的占用。在设计中，本文在H u f f m a n 算法的基础上增加调整符号频率值模块，解决了在H u f f m a n 码表生成过程中数据量过大以及输出文件的头文件过大的问题，提高了存储器的利用率、系统的运算速度及压缩率。对处理器内部存储空间不够的情况，本文对它进行外部F l a s h 存储器和R A M 的扩展。本文采用T I 公司的集成开发系统C o d eC o m p
3、 o s e rS t u d i of o r5 0 0 0 对用c 语言描述的H u f f m a n 编码解码器进行综合验证。证明该编码器功能正确，能实现2 0 9 5 的压缩率，比普通的H u f f m a n 编码器具有更高的压缩率。解码器能将压缩后的文件正确地解压。综合验证后，本文研究了输入文件大小对压缩率的影响，用C o d eC o m p o s e rS t u d i of o r5 0 0 0 对该编码器和解码器各个模块分别进行评价，得到了每个模块运行时占用的C P U 时钟数，为算法的优化提供了方向。根据评价的结果，对优化空间比较大的模块进行重点优化。在H u f
4、 f m a n 算法上提出了减小数据扫描行程，节约了D S P 的存储器资源，减少了系统等待时间，提高了系统性能。本文整个设计用c 语言来实现，采用模块化程序设计，大大减少了开发时间，充分发挥了D S P 能用高级语言编程的特点。关键词：H u f f m a n 编码解码器弋、胀阢。s PI VA B S T R A O T1 nm u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，t h ed i g i t a lC o m p r e s s iO Na n dd e c o m p r ess i0 n0 ng r a p h Sa r eo n eo f
5、f o c U S eso fd o m e s t iCa n din t e F n a t i o n a lr e s e a r c h T h iSp a p e riSa na t te m p ta tP i n p o in t i n gt h eJ P E GC o d i n ga n dd e c o d i n gt h e o r i e so fs t a t i cg r a p h sa sw e l la st h er e a l iz a t i0 n0 fk e Ym o d u l e w h iC he m p h a S iz eso nt h
6、 er e a l iz a t i0 no ff l u f f m a ne n c o d e ra n dd e c o d e rb a s e d0 nt h eD S Pp r o c e ss o rb YJ P E GC a l C U l a ti n gm e t h o da n dt h eo p t i m iz a t i o n0 fH u f f m a nC a l c U l a t i n gm e t h o dint h el ig h to ft h ef e a t u r e so fD S Pp r o c e s s o r I nt h
7、isp a p e r ，H u f f m a nc o d i n gp r in c i p l ew a sf o r m u l a t e d ，a n dt h er e a l iz a t i o nS C h e m e0 fH u f f m a ne n c o d e ra n dd e c o d e rw a so b t a i n e d T h e n ，t h ea d v a n c e d1 a n g u a g e C1 a n g u a g ew a sH S e dt 0d e S c r i b et h eP r o c e s si n
8、t h eT M S 3 2 0 C 5 4 0 2D S Pp r 0 C e s S o ro fT IC o m p a n Y W h il ep r o g r a m m i n g i ts h o u l db eC 0 n S i d e r e dt h a tt h eo c c u p ie dm e m o t yS o a c eiSa se f f e c t i V ea sp o s S i b l e L a s t l Y ac o m p r e h e n s i v et e S tO nt h eH u f f m a ne n c o d e r
9、a n dd e c o d e rd e S c r ib e di nC1 a n g u a g eb yt h em e a n so fi n t e g r a t e dd e v e l o p i n gs ys t e m c o d ec o m p o s e rs t u d i 0f o r5 0 0 0o fT Ic o m p a n yw a sd o n e T h er e s u l ts h O W st h a tt h ee n c o d e rc a nw o r ka tac o m p r e ss i o nr a t er a n g
10、ef r o m2 0 t 05 0 a n dt h ed e c o d e rc a nd e c o m p r e s sac o m p r e ss e dd 0 C u m e n tc o r F e c t1Y I nt h es y n t h eS iSa n dc o m p r e h e n s i v et e s t 。e v e r ym o d u l eo ft h iSe r i C O d e ra n dd e c o d e rb yC o d eC o m p o S e rS t U d i 0f o r5 0 0 0W a Se v a l
11、 u a t e d ，a n dth en U m b e ro fC P Uc 1 0 C k so fe v e r ym o d u l ew a sc a lc u l a te d A c c o t d i n gt 0t h ee v a l u a t i O nr e s u l ts a no p t i m iz a t i o no ft h em o d u lesw i t h s u i t a b l es p a c eW a SS t u d ie d I tiSh o p e dt h a tb Yr e d u c i n gd i g i t a l
12、s c a n n i n gp r o c e s so ru s i n gd y n a m icH u f f m a nt r e e ，V华南理工大学工学硕士学位论文t h es Ys te mp e r f o r m a n c eC O U l db ei m p r o v e da n dt h eh a r d w a r ec o m p lex i t yc o u ldb er e d u ce d K e y w ords ：H u f f m a ne n c o d e ra n dd e c o d e r ；S y n t h e s i s ：O p
13、t i m i z a t i o n ；J P E GD S Pv 第一章绪论第一章绪论1 1图像压缩的意义随着移动终端、多媒体、I n t e r n e t 网络、通信以及图像扫描技术的发展，人们将会遇到比以前多得多的图像数据，由于图像数据量非常巨大，因而处理起来也困难得多，图像处理算法的特点是数据量和运算量大。例如一幅5 1 2 5 1 2 、各分量为8 b i t s 的中低分辨率彩色图像，数据量为7 6 8 k B ，一张1 4 M B 容量的软盘只能存放近两幅这样的图像。如果是运动图像则数据量更大。所以只有压缩图像数据，才能实现图像的存储、传输和处理。目前发展迅速的多媒体技术，在
14、很大程度上依赖于图像压缩技术。图像压缩是通信、多媒体计算机领域研究的重点课题。它在工业、医学、军事、教育等诸多方面有着重要应用。随着移动数码设备的广泛运用和人们对图像分辨率的要求不断增加，用软件压缩难以达到实时性的要求。所以用硬件实现图像处理算法已经成为必然的趋势，也成为目前研究的热点问题。现在的图像压缩算法很多，例如C C I T I I S O 的J P E G 以及I T U T 的H 2 6 1 等。1 2当前的实现方法基本的J P E G 标准中具有两个压缩步骤，先采用离散余弦变换( D C T )和量化( Q u a n t i z a t i o n ) 进行空间上的冗余度压缩，
15、然后利用哈夫曼变换( H u f f m a n ) 进行熵压缩。J P E G 编码、解码实现方法有：1 、采用软件实现开发基于P C 的图像处理软件来对图像文件进行压缩、解压，例如A C D S E E 、P H O T O S H O P 等，采用全软件的开发方法，不用理会硬件结构；2 、用全硬件实现方法采用自顶向下的方法，开发专用的A S I C 压缩、解压处理器；3 、基于数字信号处理器( D S P s ) 的实现方法即采用D S P 核实现一些较复杂的运算，而用一些硬件来实现大吞吐量的控制、操作。1 3基于D S P 实现的优点采用软件的方法具有最好的灵活性，实现起来也最容易，但
16、不适于小型移动数码设备运用，由于不是采用专用的硬件设备，处理速度也较慢a 采用A S I C 编码解码器，A S I C 结构中每个功能都采用专用的V L S I结构，通过一个系统控制器控制各部分的运行。A S I C 结构能有效地提高系统时钟频率，运算速度快，但是A S I C 实现起来对技术要求较高，开发周期较长，开发成本也很高，而且A S I C 实现起来灵活度是最低的，设计改动起来很复杂。D S P 处理器具有良好的灵活性，采用汇编语言或者高级语言，例如C来实现，能够非常方便的修改设计，并且设计具有很高的可移植性，设计实现起来也相对简单一些。同时D S P 处理器具有高速处理能力，完善的开发工具及较低的价格，是理想的J P E G 实现平台。应用前景非常好，所以本文选用D S P 处理器为目标器件来研究J P E G 标准中的关键模块H u f f m a n 编码解码器的实现，以及优化方法。1 4本文的主要研究内容H u f f m a n 变换是一种无损数据压缩技术，被广泛运用于各种信号压缩标准中，也是
