基于TMS320C5409 图像压缩系统的实现

DSP课程结课论文

基于TMS320C28335 信号检测系统的实现

学号：2014282120167

姓名：熊正强

专业：电子与通信工程

指导老师：谭莹

2014年12月

基于TMS320C5409 图像压缩系统的实现

摘要：该文基于DSP芯片的特点和JPEG图像压缩的原理，重点描述了一个基于TMS320VC5409 DSP芯片的图像压缩系统。其中对传统的JPEG算法的DCT变换和量化过程作了一些改进，使本系统压缩速度更快，在压缩率相同的情况下图像的质量更高。

关键词：DSP；图像压缩；JPEG算法；快速DCT变换

1引言

随着多媒体和网络技术的发展和应用，数字图像大信息量的特点使得图像压缩技术的要求也越来越高，因此，专用高速数字信息的处理技术成为发展的方向。其中，在硬件技术中，TI推出的C5000系列DSP将数字信号处理器的处理能力提高到了一个新的境界，使信号处理系统的研究重点又回到软件算法上。在压缩算法研究上，DCT，小波等多个算法因为其高可靠性和高效性也越来越受到青睐。

2系统硬件设计

2.1 TMS320C549作为主处理器可行性分析

TMS320C5409是TI公司生产的新一代定点DSP芯片，时钟频率100MHz，性价比极高。采用围绕1组程序总线、3组数据总线和4组地址总线建立的改进型哈佛结构，取址和读数可同时进行。有独立的硬件乘法器，有利于实现优化卷积、数字滤波、FFT，矩阵运算等算法中的大量重复乘法运算。具有循环寻址、位倒序等特殊指令，这些指令使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。有一组或多组独立的DMA总线，与CPU的程序、数据总线并行工作。还有独特的乘法指令和方便的立即数寻址方式。

在本系统中，TMS320C5409作为主处理器，任务是实现JPEG压缩编码。文献[4]指出，以运算速度为100MHz的TMS320C5409作为主处理器，并以8X8的数据块作JPEG压缩编码时，所需要的机器周期为62Cycles，内存空间为6.3KB。如表2-1所示

通过分析不难得到，当处理一帧大小为640*480的图像时，作JPEG压缩编码所需要的时间为：T=62*10(ns)*640*480=0.9866s当所处理的图像分辨率更小时，则压缩每帧所花的时间则更少，这对于应用在对实时性要求不是很高的场合是完全可行的。

表2-1 TMS320C54X性能和内存需要

TMS320C54x Performance

TMS320C54x Memory requirement

2.2硬件设计框图

图2—1是基于TMS320C5409的图像处理系统的结构图。5409为中央处理器；SRAM为DSP片外扩展数据存储器；EPROM为脱机工作时的程序存储器，用于存储系统的引导程序和其他应用程序；A/D部分负责把转换为数字信号的图像存入帧存储器中}地址译码、图像采集系统控制电路产生本系统各部分的地址译码信号，使之映射到不同的地址区域，并控制图像A/D芯片进行图像采集，这部分由CPLD实现控制；图像采集芯片的寄存器控制由51单片机完成。

2.3存储空间的扩展方案

经过模数转换的原始图像数据是非常大的，TMS320C5409的内部仅有32KW的随机存储器和16KW的只读存储器不能满足需要，因此必须扩展存储器来存放原始图像数据和应用程序。我们考虑外接64KW的RAM和512KB的FLASH，RAM使用CYPRESS公司的CY7C1021V33，FLASH采用SST公司的SST39VF512。由于C5409的数据空间仅为64KW，因此采用内存页扩展技术。C5409的扩展输出口1Q和2Q作为扩展内存的页选择信号。用C5409的A15引脚和XF引脚通过3/8译码器来控制扩展存储器片选信号的产生，当A15=1。时选择片内RAM；当A15=1，XF=o时选择片外SRAM；当A15=1，XF=l时选择片外FLASH；存储器的扩展如图

2—2所示。我们将外部扩展RAM的64KW中的48KW用于存放原始图像数据，16KW用于存放压缩后的图像和程序以及暂存的数据。

图2-1 图像处理系统结构框图

图2-2 存储器扩展示意图

2.4 DSP芯片电源电路设计

电源设计中需要考虑的主要问题是功率和散热问题。功率要求：电流的消耗主要取决于器件的激活度，即CPU的激活度，外设功耗主要取决于正在工作的外设及其速度，与CPU 相比，外设功耗是比较小的。以TMS320C5409为例，其进行FFT运算时，需要的电源电流最大。因此在设计电源时，必须考虑在电源电流和实际需用电流之间留有一定裕量，因为峰

值电流会更大，裕量至少是20％。

C5409采用了双电源供电机制，其工作电压为3.3V 和1.8V 。其中，1.8V 主要为DSP 的内部逻辑提供电压，包括CPU 和其它所有的外设逻辑。外部接口引脚采用3.3V 电压。本系统中电源采用了TI 公司的两路输出电源芯片TPS73HD318，它是一种双输出稳压器。输出电压一路3.3V 、一路1.8V ，每路电源的最大输出电流为750mA 。

3 JPEG 图像压缩算法

3.1 JPEG 图像压缩

图 3-1 JPEG 图像压缩框图

传统的JPEG 图像压缩算法过程为(1)离散余弦变换(DCT)(2)量化(3)行程编码和烯编码(如图3-1)。

其中二维DCT 变换公式为：

7

7

UV U V yx x=0y=0

1x+1U x+1V S =C C S cos cos

41616ππ

∑∑（2）（2） 当u ，v=0，C U ，C V =

1/C U ，C V =1 (3-1)

量化主要通过原始数据除以量化表得到。量化表值可以根据需要自定，其值规定了其所对应DCT 系数的量化步长。

编码根据直流和交流数据分别采取不同的编码方式。对DC 系数，采用DCPM 编码，前子块的DC 系数被用来预测当前子块的DC 系数进行差值无失真编码。对于AC 系数，先按照Zig-Zag 序列扫描，再进行游程编码。最后将所有码值进行熵编码，由此形成JPEG 图像格式。

3.2 JPEG 算法的优化

尽管JPEG 基本系统能够对图像进行低压缩比压缩，但是DCT 和IDCT 在软件实现的过程