基于Blackfin533的CCSDS图像压缩算法编码优化

摘要 通过程序结构的调整，编码结构的优化及代码的汇编级优化，完成编码器的DSP高效实现。实验结果表明，优化后的编码器降低了运算复杂度，提高了CCSDS图像压缩算法的实时性。
关键词 CCSDS；Blackfin533；编码器；优化

    空间数据咨询会(CCSDS)于2005年11月提出的针对空间应用的CCSDS图像压缩算法，具有良好的图像压缩性能和抗误码能力，同时算法复杂度较低。但在具体硬件实现时，仍不能够满足实时高效的要求，因此，必须对该算法的硬件实现进行改进和优化。文中针对这一问题，提出编码优化方案，提高算法的实时性。采用ADI公司的Blackfin533芯片以及Visual DSP++5．0仿真平台，是实现CCSDS编码器的有效途径。

1 编码优化
    文中采用CCSDS图像压缩算法编、解码的C程序源代码。通过以下几个方面实现优化：调整程序结构；编码结构的优化；代码的汇编级优化。
1．1 程序结构调整
    选用的源代码是符合CCSDS图像压缩算法标准流程的编、解码器源代码，代码容量约为326 kB，对于实时图像压缩，其中含有大量的冗余代码，而所用芯片的64 kB指令存储器是远远满足不了要求的，因此，要将CCSDS源代码移植到DSP上，就必须调整程序结构，去掉冗余代码，降低程序所占内存。
    (1)删除与编码无关的代码。(2)删除冗余判断。(3)删除不必要的中间变量。(4)改写编码主函数。
    经过以上优化，代码容量降低为56 kB，这样，所选用的Blackfin533芯片的L1指令存储器就足以容纳，而无需利用高速Cache和DMA进行指令的传输，提高了编码效率。
1．2 主要函数和数据的优化
    在以上优化的基础上，采用Blackfin533芯片对Lena图像进行压缩，压缩比率为8：1，时间为3425 ms，远达不到实时性的要求。因此，还需对编码结构和算法进行改进，以提高编码速度。
    (1)编码选项的选取。
    在CCSDS图像压缩算法中有多种编码供选取，增大了算法的灵活性，但也增加了算法硬件实现的复杂度，并且这些编码选项在实现时存在大量判断语句。一般情况下，判断分支会打断DSP指令运行的流水线，从而影响编码运行时间。所以在进行DSP移植时应进行编码选项。
    1)编码段大小S的选取：如图l所示，S>64时，重建图像的客观质量增加趋于平缓，所以在实现时选择S大小为64，这样一个编码段所需的编码原数据存储量为8kB，从而可以保证对编码段的编码过程在数据存储器L1中完成，而无需Cache和DMA在各级存储器之间转移数据，提高了编码效率。


    2)DC系数编码选项k的选取：标准中提供了最优化和启发式两种k值选择方式，文中选择复杂度较低的启发式选取方案。
    (2)程序级优化。
    1)Blackfin533是16位定点DSP处理器，而在源代码中使用的是浮点DWT，移植在定点DSP中运行需要大量时间。测试结果表明：对512× 512的图像进行浮点DWI变换耗时3000 ms以上，影响了CCSDS图像压缩算法的编码效率。因此在实现过程中，采用定点化的方法实现浮点DWT，并最终汇编化，使对图像进行浮点DWT处理的时间降低到12 ms以下。
    2)源代码中有大量数组类型的指针变量，其缓冲区是通过malloc和calloc等函数进行动态分配的，这样会占用大量的编码时间和可能会导致内存泄露以及导致DMA数组传输错误等问题，所以在实现过程中，由于所需编码的图像信息是可以事先得知的，于是可用静态数组来代替动态申请的数组，这样不仅指定了分配的位置，便于DMA传输，还缩短了编码时间。
    3)编码块的数据格式选取：源代码中是将一个编码块按照二维数组的格式进行存储的，即8×8的格式。在实现过程中发现，DC系数编码及AC系数字的映射过程对二维数组的索引取值耗时很长，因此可以将编码块改成一维数组，即1×64的组织形式，这样在实现过程中可以减少编码时间。
    4)用查表法代替大量的判断分支：AC系数熵编码函数RiceCoding中有大量的分支判断语句，占据大量的编码时间，用查表法替换这里的分支判断语句，可以使函数的编码时间减少80％以上。此外，CCSDS编码器代码中的大量分支判断语句和RiceCoding函数一样，也可用查表法实现。这正是以空间换时间的典型应用。[!--empirenews.page--]
    5)在源代码中，为了节省存储器空间，在结构中使用了位域，但Blackfin 533在处理位域操作时效率极低，若将位域类型改为char或sh-ort类型，虽然在一定程度上增加了编码时所需的存储容量，但却能够明显缩短编码时间。
    6)码流输出函数BitsOutput的功能是输出指定位数的数据到码流文件，在源代码中占到总编码时间的约1／5。据统计，在压缩比率为8：1的 Lena图时，程序调用BitsOutput函数达14万多次。若将该函数改为32位的形式输出，并通过移位方式进行码流输出以及在程序中减少该函数调用的方法进行优化，可使其占用周期减少到原来的20％。另外，编码时只输出一位的情况很多，将这些地方换成单独的函数可进一步减少编码时间；
    7)循环优化：保持循环体内代码简单，减少分支判断。避免循环中依赖前次循环的数据，这样可以实现并行处理。内外循环合并，可以使优化器专注于内循环。减少数据跨切层数。利用Blackfin533的零开销循环，将代码中的循环层数控制在两层以内。
    (3)汇编级优化。
    通过以上方式进行的CCSDS编码器的优化，使得图像编码的时间缩短，但是，这样实现的算法运行效率还是比较低，这是因为所有的代码都是由C语言编写的，并没有完全利用DSP的各种性能。因此必须结合DSP本身的特点，对其进一步优化，才能使CCSDS高效的对图像进行编码。
    C语言汇编化的优化方法有：
    (1)节省寄存器资源。Blackfin提供了8个32位数据寄存器及一系列地址寄存器。对于这些寄存器，应尽可能做到一个寄存器多次使用，同时尽量使用较短的数据类型。
    (2)利用指令的流水线结构，尽量展开C语言中的循环体，减少分支判断，尽量减少流水线的打断。
    (3)使用并行指令。大多数指令都存在相应的可并行的指令，如一条运算指令可以并行两条数据读取指令。使用并行指令可以成倍地提高代码的执行速度。
    (4)将除法转化为乘法或查表实现。Blackfin中提供了乘法器但没有除法器，执行除法指令将花费几十甚至上百个指令周期，因此将除法转化为乘法或查表，可减少这种开销。
    (5)使用专用指令。Blackfin533提供了大量的图像视频专用指令，通过使用这些指令，能在很大程度上提高代码的执行效率。

2 优化结果
    选用Lena图像和Area图像在压缩比率为8的情况下进行测试，测试结果如表1所示，可见文中的优化方案可将编码时间由原来的3 425 ms优化至48 ms，时间节省98．6％，提高了CCSDS图像压缩算法编码的实时性能。



3 结束语
    文中首先介绍了CCSDS算法结构的一般流程，接着针对编码器的DSP移植提出了优化方案，包括算法编码选项的选取优化、系统级优化、程序级优化以及汇编优化，最后给出了对比结果。可见，文中提出的优化方法缩短了编码时间，提高了算法效率。