淺談ADSP2189常用的圖像處理方法

近幾年來，Analog Devices公司的ADSP系列數(shù)字信號處理器以其優(yōu)異的性能和簡單易學(xué)的語言逐漸受到人們的青睞，其中的ADSP218X定點(diǎn)系列更是得到廣泛的應(yīng)用。ADSP2189片內(nèi)有192KB的RAM，因此更多地應(yīng)用于圖像領(lǐng)域。本文就圖像處理壓縮過程中常用到的算法及其在ADSP2189上的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，如何充分利用ADSP系列數(shù)字信號處理器特殊的硬件結(jié)構(gòu)和功能強(qiáng)大的指令集實(shí)現(xiàn)各種算法是本文討論的重點(diǎn)。然而作為通用定點(diǎn)處理器，處理過程中如何避免可能出現(xiàn)的問題以及如何解決問題也是本文所要討論的。
　　1 ADSP2189及EZ-KIT簡介
　　ADSP2189是指令執(zhí)行速度最高可達(dá)75MIPS的16位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，主要具有以下特點(diǎn)：單周期指令執(zhí)行，片內(nèi)的程序控制器不會附加循環(huán)和條件指令的執(zhí)行周期；三總線的體系結(jié)構(gòu)允許在單指令周期中進(jìn)行雙操作數(shù)傳遞；片內(nèi)192KB的存儲器可被配置成32K×24bit的程序區(qū)（PM Program Memory）和48K×16bit的數(shù)據(jù)區(qū)（DM： Data Memory），而ＰＭ中還可同時存放數(shù)據(jù)。除了具有優(yōu)異的計算能力外，ADSP2189還具有強(qiáng)大的系統(tǒng)接口：8位的BDMA端口尋址可達(dá)4MB，用來提供片內(nèi)外存儲器的高速存??；16位的IDMA（Internal Direct Memory Access）端口可實(shí)現(xiàn)主系統(tǒng)對片內(nèi)存儲器的高速存?。?048個I/O地址，支持并行的外設(shè)；兩個雙緩沖串口，帶自動壓擴(kuò)。
　　ADSP-2189M EZ-KIT Lite是一塊可用來演示驗(yàn)證DSP基本算法的仿真板，也是本文所有算法的測試平臺。它主要由以下器件組成：
　　·ADSP-2189M 75 MIPS DSP
　　·AD73322立體聲編譯碼器
　　·RS-232接口
　　·FLASH存儲器
　　EZ-KIT Lite的FLASH存儲器中帶有監(jiān)控程序，這段程序可完成仿真板與PC機(jī)間的串行通信，并允許用戶下載、執(zhí)行和調(diào)試ADSP2189程序。EZ-KIT Lite可與EZ-ICE仿真器相連，通過EZ-ICE仿真器，用戶可以單步執(zhí)行程序、觀察和改變寄存器和內(nèi)存值以及完成其它調(diào)試工作［1］。
　　2 模板運(yùn)算
　　在圖像處理時，模板運(yùn)算有著廣泛的應(yīng)用。例如，在邊沿檢測時，通過將像素矩陣與邊沿檢測矩陣即模板相卷積來實(shí)現(xiàn)檢測功能；在圖像平滑時，通過模板運(yùn)算來濾除噪聲。模板運(yùn)算的數(shù)學(xué)涵義就是卷積（或互相關(guān)）運(yùn)算［2］，它是一項(xiàng)非常耗時的運(yùn)算。以模板1/16［1 2 1 2 4 2 1 2 1］為例，每個像素完成一次模板操作要用9個乘法、8個加法和1個除法。對于一幅N×N的圖像，就是9N2個乘法，8N2個加法和N2個除法，算法復(fù)雜度為0（N2）。一幅較大的圖像計算量是很大的，所以很多專用的圖像處理系統(tǒng)，用硬件來完成模板運(yùn)算，這樣可以大大提高速度。在ADSP2189上快速實(shí)現(xiàn)模板運(yùn)算需要充分利用ADSP2189的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能強(qiáng)大的指令集。由于ADSP的哈佛結(jié)構(gòu)允許同時訪問程序和數(shù)據(jù)存儲器，而ADSP的多功能指令（Multifunction Instructions）在執(zhí)行算術(shù)操作的同時還可以并行進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此在單周期內(nèi)可以完成取指、譯碼、讀數(shù)、執(zhí)行和調(diào)整寄存器。例如，MR=MR+MX0*MY0（SS）、MX0=DM（I0，M0）、MY0=PM（I4，M4），MX0和MY0分別從數(shù)據(jù)和程序存儲區(qū)以間接尋址方式取得操作數(shù)相乘，乘積與結(jié)果寄存器中數(shù)值相加后放回結(jié)果寄存器，數(shù)值計算的同時地址指針寄存器I0、I4中的地址自動與調(diào)整寄存器中M值進(jìn)行相加更新。雖然ADSP2189支持除法指令，但為了提高速度，可在程序中將除法改為乘以除數(shù)的倒數(shù)。另外，在程序中將２維模板運(yùn)算轉(zhuǎn)換成1維模板運(yùn)算，可極大地降低運(yùn)算量。需要注意的是，由于ADSP2189中CNTR寄存器為14bit，所以在單循環(huán)處理中輸入像素個數(shù)必須小于16383。模板運(yùn)算程序的流程如圖1所示。
　　
　　以3×3模板為例，通過在Visual DSP環(huán)境下設(shè)置PROFILE選項(xiàng)，可以得到以下結(jié)論：對于一個100×100的數(shù)組，完成模板運(yùn)算共需要96445個指令周期；對于一個640×480的數(shù)組，共需要3052205個指令周期，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直接計算。
　　3 DCT變換
　　許多圖像壓縮算法采用DCT（Discrete Cosine Transform，即離散余弦變換）來消除像素間冗余，例如JPEG 、H.261以及MPEG。采用DCT是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：DCT不同于DFT（Discrete Fourier Transform，即離散傅立葉變換），它屬于實(shí)域運(yùn)算；DCT變換矩陣的基向量很接近于托波列茲矩陣的特征向量，所得變換系數(shù)具有弱相關(guān)性，可以單獨(dú)處理各系數(shù)而不損失壓縮效率。