航空圖像由于可以提供大量豐富的直觀信息，因而在軍事偵察、搶險救災(zāi)、氣象探測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。航空圖像由于是遠距離成像，所以分辨率較低且數(shù)據(jù)量很大。如果要把拍攝的航空圖像實時回傳，就必須對其進行壓縮編碼。由于圖像壓縮算法復(fù)雜，因此決定了回傳系統(tǒng)必須采用高速數(shù)字信號處理芯片來實現(xiàn)。DSP作為當(dāng)前運算性能最高的信號處理芯片，成為實現(xiàn)系統(tǒng)方案的最佳選擇。
　　目前進行圖像壓縮的方法很多，主要集中在小波變換、分形壓縮、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼等幾個領(lǐng)域。其中小波變換編碼憑借其優(yōu)良的時頻特性和多分辨率特性成為最熱門的研究方向之一，并在圖像壓縮領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。但傳統(tǒng)的小波變換計算復(fù)雜，且都是在頻域進行。1994年，W.Sweldens提出了一種新的小波構(gòu)造方案——提升小波。它可以進行原位運算，硬件實現(xiàn)時較為容易，且可以節(jié)省內(nèi)存空間，這一點對于提高系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)成本非常重要；和傳統(tǒng)的小波變換相比，它可以把計算復(fù)雜度減小一半，運算速度非常快；此外，提升方案適合用SIMD(單指令多數(shù)據(jù)流)來實現(xiàn)，這和DSP的多總線讀寫結(jié)構(gòu)是一致的^[1]。鑒于提升方案的諸多優(yōu)點，本系統(tǒng)在具體實現(xiàn)時其小波變換部分采用提升算法來實現(xiàn)。
　　Shaprio于1992年提出了零樹編碼方案，它采用全新的零樹結(jié)構(gòu)來表征小波系數(shù)，使小波變換應(yīng)用于圖像壓縮的優(yōu)越性得到了充分的體現(xiàn)^[2]。由于零樹法高效的性能，人們在其基礎(chǔ)上又提出了各種改進方法。1996年，Said和Pearlman提出了基于等級樹集合分割的算法——SPIHT算法^[3]。該算法也是基于零樹思想，但采用集合劃分來進行編碼，在系數(shù)組織方面更有效，壓縮效率也更高。SPIHT算法已經(jīng)成為公認的編碼效率最高的算法之一，即使不采用算術(shù)編碼進行熵編碼，編碼效率仍然很高，優(yōu)于前面的零樹編碼。因此，本系統(tǒng)在具體實現(xiàn)時采用SPIHT算法對小波系數(shù)進行編碼。
1 軟件實現(xiàn)
1.1提升小波的實現(xiàn)
　　由于圖像的非平穩(wěn)統(tǒng)計特性，任何一組小波基都不可能同時最優(yōu)地刻畫所有的圖像特征，因此存在小波基的選取問題。從熵、峰-峰比PPR、廣義編碼增益、抗誤差性能分析等幾個方面綜合比較，本系統(tǒng)采用Antini9/7作為提升方案的小波基^[4]。該小波提升方案的實現(xiàn)過程如下：
　　Antini9/7的分析濾波器為：
　　

    
　　首先對圖像進行行變換，然后進行列變換，最后對圖像系數(shù)按圖1所示的規(guī)則進行重新排列。

1.2 邊界處理問題
　　在圖像壓縮的工程應(yīng)用時，邊界處理問題是關(guān)鍵技術(shù)之一。如果處理不好，信號將不能完全重構(gòu)，會直接影響重構(gòu)圖像的質(zhì)量。對此，提升方案原文中介紹的做法是采用插值細分算法，在邊界點重新計算濾波器的系數(shù)值，這樣就無需對信號進行邊界處理^[5]。但通過對插值細分算法實現(xiàn)過程的深入研究發(fā)現(xiàn),這樣會帶來浮點計算等額外的計算量，并且破壞了提升方案原本多讀單寫的結(jié)構(gòu)特點，使邊界處理問題變得非常復(fù)雜。此外，對于二維圖像處理而言，無需考慮不規(guī)則面的情況，在邊界點的處理上可以采用相對簡單的邊界延拓法。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，采用邊界延拓法處理問題更為簡單，不僅計算量大大減少，而且保留了多讀單寫的結(jié)構(gòu)，效果也不錯。因此，本系統(tǒng)在具體實現(xiàn)時用邊界延拓法代替提升方案原文中的插值細分算法，實際使用的是全對稱延拓方式。
1.3 SPIHT算法的具體實現(xiàn)
　　對SPIHT算法進行編程實現(xiàn)時,為了提高執(zhí)行效率，對具體實現(xiàn)過程做了部分改進。
　　假設(shè)LIS為非顯著點集鏈表，每個鏈表的元素為坐標(biāo)值(i,j)和類型標(biāo)志；LIP為非顯著點鏈表，每個鏈表的元素為坐標(biāo)值(i,j)；LSP為顯著點鏈表，每個鏈表的元素為坐標(biāo)值(i,j)。
　　用C語言對該算法進行實現(xiàn)時，LIP和LSP結(jié)構(gòu)存儲了像素點在圖像中的坐標(biāo)位置，根據(jù)它可從圖像中檢索出相應(yīng)的像素值。對于C6xDSP，這樣做需要用多條取數(shù)指令輾轉(zhuǎn)訪問內(nèi)存才能獲得像素值。但經(jīng)過分析知道，在編碼程序中，僅當(dāng)對LIS鏈表中元素進行零樹判斷和子節(jié)點處理時才需要根據(jù)坐標(biāo)進行像素點訪問，像素點被放入LIP或者LSP后，只需對像素值進行訪問、修改，沒有必要再通過坐標(biāo)進行像素值的訪問，可直接在LIP和LSP結(jié)構(gòu)中存儲像素值，從而提高編碼速度。
　　在解碼時，因為在LIP和LSP的掃描過程中需根據(jù)輸入位流的0、1值對像素值進行更新，所以必須存儲像素點的坐標(biāo)，由于圖像可以改為用一維線性數(shù)組存儲，故只需在LIP和LSP中存儲像素點在圖像中的偏移。
1.4 試驗結(jié)果
　　采用標(biāo)準(zhǔn)圖像Zelda對本系統(tǒng)算法和Shaprio的零樹法(EZW)進行測試比較。小波變換分解級數(shù)采用六級，試驗結(jié)果見表1。

　　從表1可以看出，本系統(tǒng)算法重構(gòu)圖像的信噪比比零樹法平均高0.3dB，其性能的優(yōu)越性是顯而易見的。
2 軟件優(yōu)化
　　本系統(tǒng)算法采用C語言編程實現(xiàn)后，首先在ATEME公司的NVDK6416開發(fā)板上進行算法調(diào)試和代碼優(yōu)化，主要采用如下優(yōu)化手段。
2.1基于C語言環(huán)境的優(yōu)化
　　為了提高程序的執(zhí)行效率，在編程實現(xiàn)算法時，應(yīng)采用一些具體的優(yōu)化手段。在SPIHT編解碼中門限值的初始化和逐步降階中，對于2次冪整數(shù)的乘除運算可采用比特的移位操作來代替；盡量少使用局部變量，多使用全局變量和static變量；對于多次重復(fù)訪問的變量，如for循環(huán)中的變量，可設(shè)置為register變量；函數(shù)調(diào)用時，盡量避免傳遞結(jié)構(gòu)參數(shù)，一般用結(jié)構(gòu)指針代替，如果結(jié)構(gòu)是不可修改的，可用常量結(jié)構(gòu)指針代替。
2.2 基于CCS的優(yōu)化
　　CCS集成開發(fā)環(huán)境提供了很多現(xiàn)成的優(yōu)化方法，可以直接為開發(fā)人員所用，常用的有編譯器法、使用字訪問短型數(shù)據(jù)、合理采用Const關(guān)鍵字、使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)、循環(huán)展開以及編寫線性匯編等。
2.3 基于TMS320C6416硬件特征的優(yōu)化
　　TMS320C6416的片內(nèi)存儲器容量較小，總共為1Mbit，采用了兩級緩存結(jié)構(gòu)。在編制程序和存儲數(shù)據(jù)時，在內(nèi)存滿足的情況下，應(yīng)使用片內(nèi)RAM和高速緩存，將核心代碼存儲在片內(nèi)的高速緩存或RAM內(nèi)；若片內(nèi)內(nèi)存容量不足，則把使用次數(shù)較少的數(shù)據(jù)放在片外RAM中進行存儲。
　　采用DMA／EDMA傳輸數(shù)據(jù)是系統(tǒng)高速采集數(shù)據(jù)的一個重要手段，在圖像實時采集中應(yīng)用非常廣泛。TMS320C6416的EDMA有多種地址生成方式，通過設(shè)置各個控制寄存器，可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)重排、一對多和多對一的數(shù)據(jù)交換等操作，利用這些操作可以大大提高程序效率。
　　對算法的關(guān)鍵代碼部分綜合采用上面的各種優(yōu)化措施，經(jīng)過反復(fù)實驗、測試、優(yōu)化，算法的執(zhí)行效率得到了明顯的提高。優(yōu)化前后的時間結(jié)果比較見表2。

　　從表中可以看出，優(yōu)化后系統(tǒng)的執(zhí)行效率提高了近20倍，較好地滿足了系統(tǒng)的實時性要求。
3 硬件實現(xiàn)
　　本系統(tǒng)采用TI公司的定點芯片TMS320C6416作為核心處理器。此芯片采用了VelociTI.2TM甚長指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)，最高工作頻率達到720MHz，運算能力達5760 MIPS，是目前性能最高的DSP芯片，特別適合圖像壓縮等具有較大運算量的場合。由于數(shù)據(jù)的輸入速率和輸入量都非常大，因此將高速FIFO用于圖像數(shù)據(jù)緩存非常適合。FIFO只需數(shù)據(jù)總線和控制信號就可以對其進行讀寫，開發(fā)十分方便；并且可以與TMS320C6416 DSP的同步FIFO進行無縫接口。
　　圖2所示是系統(tǒng)壓縮板卡的設(shè)計原理框圖。

　　從CCD高分辨率相機送出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)處理后由時鐘信號控制存儲在同步FIFO中，當(dāng)FIFO出現(xiàn)半滿標(biāo)志時立即以中斷方式通知DSP到FIFO中讀取數(shù)據(jù)，同時在FIFO的另一端繼續(xù)存儲原圖像數(shù)據(jù)，并一直以這種方式存取數(shù)據(jù)。DSP收到中斷后立即從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，然后對圖像進行壓縮處理，處理完畢后送到雙口RAM(DPRAM)中，進行調(diào)制處理后由發(fā)射機發(fā)射出去。
　　接收端首先利用接收機接收信號，然后進行信號解調(diào)、小波反變換和SPIHT解碼，這可以通過PC機或地面工作站來進行，這時只需相應(yīng)的解壓縮軟件即可實現(xiàn)。
　　經(jīng)過實際測試，結(jié)果表明本系統(tǒng)在保持良好的重構(gòu)圖像的情況下較好地滿足了系統(tǒng)的實時性要求，并且其它設(shè)計指標(biāo)也均滿足設(shè)計要求。本系統(tǒng)已經(jīng)在某航空圖像回傳系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用。
參考文獻
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