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1、精品论文JPEG 压缩算法在 DM642 上优化及实现魏洪涛，卢伟 武汉理工大学信息工程学院，武汉(430070) E-mail：摘要：在 DM642 上实现了 JPEG 图像压缩算法，并对传统的 DCT 变换进行了改进，针对DM642 的 CACHE 结构和 DMA 对 JPEG 编码程序的内存进行优化，对编码进行测试后表明 在没有降低图像质量的情况下，编码性能提高了 8 帧/秒（CIF 格式）左右。 关键词：JPEG；DM642；DCT 变换；cache 结构；yuv1. 引言JPEG （Joint Photographic Experts Group)它是由 ISO （Internati
2、onal Organization for Standardization） 和 CCITT（Committee Consultation International Technic and Telegraph）联 合指定的一种用于连续色调、多级灰度、彩色或单色静止图像数据压缩的国际标准。相对其 他静止图像压缩算法，它具有算法简单，运算速度快，占用空间小等优点，被广泛用于嵌入 式系统中。美国 TI 公司 TMS320C64x 系列中的 DM642 开发板是用来实现流媒体应用的主 流方式，它的芯片主频达到 600MHz，峰值处理速度达到 4800IPS。它具有小巧灵活、实时 高效的特点，在诸如监
3、视系统、手机、以及可视电话等多媒体嵌入式系统中应用广泛。本文 就是利用 DM642 来研究 JPEG 图像编码相关算法的。2.JPEG 压缩编码的基本原理及算法的优化实现如图 1 所示，JPEG 压缩编码1主要由预处理、DCT 变换、量化、Huffman 编码等流程 构成。JPEG 压缩编码时，先将原始 YV12（4：2：0）图像分为 88 的数据块，按一个 MCU 为单位进行编码，一个 MCU 包含 6 个 8x8 块，其中 Y 分量是 4 个 8x8 块，U 分量和 V 分 量各一个 8x8 块，如果图像高宽不能被 16 整除，则用边缘像素填充；然后将各数据块按从 左到右，从上到下的顺序分
4、别进行 DCT 变换、量化，对 DCT 变换后的 DC 系数要进行 DPCM 编码，并进行“之”字型(Zig-Zag )扫描和 Huffman 编码(量化和 Huffman 编码分别需要量化表 和 Huffman 表的支持)。- 1 -块8x8DCTPDCM量化Zig_Zag熵编码码流量化表码表图 1 JPEG 编码框图在整个编码过程中，DCT 变换的快慢决定了整个 JPEG 算法的速度。传统的 DCT2公式 如下所示：1 77(2i + 1)u(2 j + 1)v F (u, v) =C (u)C(v) f (i, j) coscos4C (u), C (v) = 1 i =0 j =0(其
5、他情况)1616C (u), C (v) = 12（当 u，v=0）如果按照该公式进行计算，虽得到的数值精度较高，但运算量太大，会降低 JPEG 编码 速度，为此可以将二维 DCT 分为两个一维的 DCT，转换如下：1 7( 2 i + 1 ) u 1 7( 2 j + 1 ) v F ( u , v ) =C ( u ) G ( i , v ) c o s2 i = 0 1 6 G ( i , v ) =C ( u ) 2 j = 0f ( i , j ) c o s 1 6 那么，8 点一维序列 xi (0 i 7) 的 DCT 定义：7y0 = xii = 07yk = xi cos (
6、2i + 1)k / 16i = 0(1 k 7)假设： s0 = x0 + x7s1 = x1 + x6s2 = x2 + x5s3 = x3 + x4s4 = x3 x4s5 = x2 x5s6 = x1 x6s7 = x0 x7由上式展开与合并，得到 DCT 的输出：y0 = s0 + s1 + s2 + s3y =s (cos3 sin3)+s (cos sin )+s (sin +cos )+s (cos3 +sin3)141616516166161671616y = s2 cos 6 s2 sin 6 + s2 sin 6 s2 cos 62 0 16 116 216 3 16y
7、= s2 sin 3 s2 cos s2 sin + s2 cos 33 4 16 516 616 7 16y4 = s0 s1 s2 + s3y = s2 cos 3 + s2 sin s2 sin + s2 cos 35 4 16 516 616 7 16y = s2 cos 6 s2 sin 6 + s2 sin 6 s2 cos 66 0 16 116 216 3 16y = s (sin 3 +cos 3 ) + s (sin + cos ) + s (sin cos ) + s (cos 3 sin 3 )7 4 16 165 16 166 16 16 716 16由上可知：改进后
8、的 DCT 算法由两级构成：第一级为碟形运算，第二级为乘法累加运算， 减少了运算级数，利用 C6000 的乘累加运算指令可大大优化 DCT 算法。3. 基于 DM642 的 CACHE 和 DMA 对编码优化CPU时钟600MHzL1CACHE600MHz存储器大小L2CACHE600MHz外部存储 器小于150MHz图 2 DM642 存储结构图和相应的读取时间DM6423采用的是 C64xDSP 核，时钟频率高达 600MHz，提供了 8 个并行处理单元， 处理能力高达 4800MIPS，片内是两级 CACHE 结构，其机制是透明的，图 2 为 DM642 存 储结构图和相应的读取时间。C
9、PU 和一级程序高速缓存（L1P）及一级数据高速缓存(L1D) 直接相连，L1P 和 L1D 大小分别为 16KByte。第二级缓存 L2 有 256Kbyte，程序空间和数据 空间是共享的，可以设置成存储单元，高速缓存（CACHE），或者是这两个的结合。L2 一 部分配置为 SRAM 时，映像入 C64 寻址空间，CPU 可以直接进行存取，L2 一部分配置为 CACHE，大小为 32KB，64KB，128KB，256KB 中的，任何被配置为 CACHE 的 L2SRAM 不处于存储器映像中，不能被存取。除了片内的 CACHE 外就是外部存储器，容量一般都会 满足要求。DM642 的 DMA
10、是为后台传输服务的，它可以独立于 CPU 工作和以 CPU 时钟 速度进行数据吞吐。CPU请求数据所需数据是 否在L1中NONO所需数据是 否在L2中向片外内存 请求数据YESYES将数据传给CPU将数据导入L1将数据导入L2图 3 两级缓存的访问原理在 JPEG 编码过程中，DCT 变换、量化、熵编码时存在着大量的数据交换，片内的存储有限使得大部分的程序代码和数据不得不放在片外。如图 3 所示两级 CACHE 的工作原理4， CPU 只对 L1 的数据进行访问，程序代码和数据必须经过存储器到 L2，L2 到 L1 的逐级搬 移才能被 CPU 访问。CPU 对于片外数据的存取速度较慢，对于需要
11、频繁访问的内存的处理 会浪费很多的时钟周期，限制了 JPEG 编码的速度。针对这个问题从两个方面进行优化，其一：将程序中频繁使用的数据存放在 L2 中，其次：使用 DMA 操作5，让处理器和内存存 取并行执行。 以下给出一幅 CIF(分辨率为 352x288)编码的优化实例。先将 YV12 图像分为 8X8 块，以 MCU 为单位从左至右，从上至下进行编码。每编码一个 MCU 单元，依次对亮度的 4 个 8x8 块和色度的 2 个 8x8 块进行 DCT 变化、量化、“之” 字型扫描和 Huffman 编码。在对亮度和色度进行量化和熵编码的时候需要调用 6 次量化表 和 Huffman 表，这
12、两个表在编码过程中频繁被调用，使用 DSP/BIOS 将这些表定位到 L2 中。同时将 YV12 图像的高划分以 MCU 为单位，二级 CACHE 配置为 128KL2SRAM，在 L2SRAM 中设置 2 个容量相等的缓存区 A 和 B。A 和 B 分别为一行图像数据的容量，大小 为 8.25K（352x16+176x8+176x8）/1024），首先读入一行 YV12 图像数据 8.25K（Y 分量 大小为 352x16Byte,U 分量大小为 176x8 Byte，V 分量为 176x8 Byte），CPU 从 L2 A 中读取 数据进行编码，编码的同时 DMA 开始从 SDRAM 中向
13、 B 中搬移数据，当 A 中的一行数据 编码完后，就编码 B 中的一行，同时 DMA 开始从 SDRAM 中向 A 中搬移数据。这样 A 和 B 就构成了一种“跷跷板”的结构。在任意一时刻，一个缓存在受 DMA 控制拷贝数据，另一 个缓存 CPU 控制处理数据，两个缓存区的状态都在不断的处理数据和拷贝数据间切换，这 样就实现了两个目的：（1）提高了数据访问速度，由于 CPU 访问的是 L2SRAM 的数据，速度明显高于直接 访问 SDRAM。（2）DMA 拷贝数据的开销很小，因为 DMA 的拷贝是与 CPU 处理数据并行的，节省 了数据在片内和片外的存储器的搬运时间。4 优化性能比较图 4 优化后输出图像表 1 对 YV12 优化前后性能比较YV12PSNRDCT优化前28.23 帧/秒42.536优化后31 .51 帧/秒42.079CACHE优化前31 .51 帧/秒41.976优化后36.19 帧/秒41.735上图是 JPEG 编码算法在 DM642 上编码出来的 JPEG 图片。表 1 可以发现，使用 DCT快速算法和 CACH
