[图]基于Blackfin533的CCSDS图像压缩算法
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，S64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。
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。
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