IMSA121型圖像信息壓縮專用IC

摘要：圖像壓縮技術(shù)是現(xiàn)代圖像數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的圖像數(shù)據(jù)傳輸方式。文中介紹了采用二維離散余弦變換處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)壓縮的原理和方法。同時(shí)介紹了IMS A121型圖像信息壓縮專用集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作方法。

關(guān)鍵詞：圖像傳輸 壓縮 離散余弦變換 ISM A121

隨著離分辨電視HDTV電視電話會(huì)議、第二代電視傳真和數(shù)字圖像存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，圖像數(shù)據(jù)通訊已成當(dāng)今的一個(gè)熱門課題。而有線通訊系統(tǒng)最為昂貴的是不終端設(shè)備，也不是主控設(shè)備，而是長距離的傳輸線。那么，圖像數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)可不可以利用當(dāng)前已經(jīng)十分發(fā)達(dá)的有線電話傳輸線路來進(jìn)行傳輸呢？答案當(dāng)然是肯定的。但是，電話線帶寬很窄，難以傳送高速率的圖像數(shù)據(jù)信號(hào)。這樣就需將高速率的圖像數(shù)據(jù)信號(hào)壓縮成低速率信號(hào)，然而，完成這項(xiàng)工作需要一種稱為離散余弦變換DCT圖像處理器的硬件。文中介紹的IMS A121型圖像信息壓縮專用IC正是這種圖像處理器。

1 圖像信息壓縮原理

IMS A121型二維離散余弦變換處理器一種新型圖像處理器件，可應(yīng)用在需要采用先進(jìn)的圖像壓縮處理技術(shù)的系統(tǒng)中。該器件功能強(qiáng)大，性能可靠，使用靈活，可用于幾乎所有的電視電話系統(tǒng)中，并且可廣泛地應(yīng)用于電話傳統(tǒng)。

眾所周知，一幅電子圖像是由一系列亮度不同、色度不同的光點(diǎn)組成，這些光點(diǎn)叫做像素。而一幅圖像又可以分成許多小區(qū)域，在這些小區(qū)域里，像素點(diǎn)的亮度和色度是基本相同的，稱之為像素點(diǎn)的相關(guān)性。圖像壓縮技術(shù)正是利用圖像中存在的區(qū)域像素的相關(guān)特性，來將相關(guān)的一個(gè)小區(qū)域的圖像信息用一個(gè)點(diǎn)信息來傳送。這樣，要求的傳輸帶寬便可以大大降低。因此，去掉相關(guān)性便去掉了冗余的圖像信息。但稍有不慎，圖像上便會(huì)出現(xiàn)明顯的失真。采用上便會(huì)出現(xiàn)明顯的失真。采用kahrannem-Loeve變換是去掉相關(guān)性的最佳方法，但是它的計(jì)算太復(fù)雜，幾乎不可能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。真正行之有效的圖像壓縮方案是DCT離散余弦變換法。這種方案不需要很復(fù)雜的計(jì)算，也不需要太多的硬件，因此可以用較低的費(fèi)用來實(shí)現(xiàn)。這種方法是將圖像變成了一系列頻率分量，而不像亞帶編碼法那樣需要一大堆并行濾波器。

DCT離散余弦變換法圖像壓縮法是CCITT（國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)）為電視電話會(huì)議所選用的方法，另外，選用DCT圖像壓縮法還可以使電視電話會(huì)議用于新型的ISDN網(wǎng)絡(luò)。在DCT壓縮過程中，圖像信息被分成許多頻率分量，而且為了方便傳輸，每一種頻率分量均分別編碼。這樣一來，由于壓縮而引起的失真便成為窄帶性失真，而這種失真比外界干擾所引起的失真要小得多，因此，完全可在幾乎不使圖像質(zhì)量退化的情況下使圖像還原。這種圖像壓縮法實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先使一幅完整的圖像分割成許多個(gè)小區(qū)，通常一個(gè)小區(qū)包含8×8個(gè)像素，然后利用二維DCT變換將各個(gè)小區(qū)變換成頻率分量。圖1為采用DCT變換法壓縮信息的過程示意圖。

首先取出原始圖像的一個(gè)小區(qū)加以討論。這個(gè)小區(qū)共有8×8個(gè)像素，利用DCT變換將實(shí)現(xiàn)圖像區(qū)的能量壓縮到左上方，見圖1中的大值箭頭所指處。由于能量主要在低頻分量上，故大值表示低頻分量的值，而小值和極小值則表示高頻分量的值，這樣一來只要低頻分量能量不丟失，信息便丟失得不多。對(duì)于圖像小區(qū)的掃描可以從左上角開始，且只有那么低頻分量才得到傳送。而那些幅值很小的高頻分量，因其很接近于零而不被傳送。那么，圖像小區(qū)中的高頻分量的幅值究竟小到什么程序才被當(dāng)成無用的成分而不被傳送呢？解決這個(gè)問題的根據(jù)辦法是根據(jù)某種規(guī)則建立一個(gè)閾值，若高頻分量的幅值大于該閾值，則判定其為應(yīng)當(dāng)傳送的有用成分；反之則判為無用成分。一般來說，閾值是根據(jù)比照人們對(duì)于圖像細(xì)節(jié)的敏感程度而確定的。接收機(jī)將傳送來的成分當(dāng)成零對(duì)待，因此產(chǎn)生了圖像信息量的壓縮。閾值的選擇本質(zhì)上是一種選擇量化電算選擇量化電算方法的問題，這種電算方法主要的任務(wù)是折衷地處理壓縮信息量和犧牲圖像細(xì)節(jié)這一對(duì)矛盾。之所以要以一個(gè)個(gè)的圖像小區(qū)作為信息量壓縮的對(duì)象，而不對(duì)整幅圖像進(jìn)行壓縮，其主要原因有兩條：首先是以圖像小區(qū)為單位壓縮信息量，其電算復(fù)雜度遠(yuǎn)比直接對(duì)整幅圖像壓縮要低得多，其次是從平衡意義上來說，相距較遠(yuǎn)的像素之間的關(guān)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相鄰像素之間的相關(guān)性，采用小區(qū)法可以更為方便地利用相關(guān)性特性來壓縮信息量。

在接收機(jī)一方，可以利用DCT逆變換法來恢復(fù)圖像。對(duì)于靜止圖像，對(duì)于靜止圖像，利用DCT法可將信息量壓縮到20：1，對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像則可達(dá)40：1，采用這種圖像壓縮方法，雖然信息量壓縮很大，但圖像失真卻很小。圖2所示為運(yùn)動(dòng)圖像信息壓縮系統(tǒng)方框圖，該系統(tǒng)可用于數(shù)字式電視電話系統(tǒng)，其主要部件是電視攝像機(jī)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，DCT變換環(huán)路表明了在返回路徑中存在有一幀延遲的回饋。返回路徑是一個(gè)解壓模型，它使得前一幀圖像的像素值與存儲(chǔ)在接收機(jī)里的像素相同。在DCT函數(shù)運(yùn)算之前應(yīng)減去這幀像素的值，以使所發(fā)送的數(shù)據(jù)隨圖像的變化而變化，這樣一來，便大大降低了儲(chǔ)如數(shù)字電話應(yīng)用等固定區(qū)域中靜止圖像對(duì)頻帶寬度的要求。圖3所示為運(yùn)動(dòng)圖像解壓縮系統(tǒng)的方框圖。在該系統(tǒng)中，解壓縮電路在環(huán)路中運(yùn)用了第二回授環(huán)路。這個(gè)回授環(huán)路通過結(jié)合加進(jìn)所發(fā)射圖像信息的變化，來構(gòu)成按幀存儲(chǔ)的接收?qǐng)D像的雛形。方框圖中的濾波器一般可以與所采有的任何運(yùn)動(dòng)圖像補(bǔ)償電路相配套。DCT變換器的后面是一個(gè)量化電路，該電路可對(duì)傳輸?shù)膱D像成分進(jìn)行選擇。在圖2所示環(huán)路中，量化電路后面緊接著一個(gè)反量化電路，反量化電路的任務(wù)是確定發(fā)射成分的位置。而在反量化電路之后接的是DCT逆變換電路，以便重新產(chǎn)生原發(fā)射圖像信號(hào)。系統(tǒng)中的DCT正變換電路、逆變換電路及濾波電路具有相同的形式，這就意味著任何情況下都可以采用一個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的器件，只需調(diào)整系數(shù)即可。

IMS A121就是集成了DCT正變換電路、DCT逆變換電路、濾波器和一個(gè)轉(zhuǎn)換器的器件，從而使其能夠在信息速率相當(dāng)于電視電話速率的條件下，具有足夠高的速度，使一個(gè)器件當(dāng)成幾個(gè)器件使用，以完成要求各種功能。

2 IMS A121器件

雖然計(jì)算DCT的方法有很多種，但是都不及IMS A121，它利用經(jīng)典的矩陣相乘方法來實(shí)現(xiàn)各種變換。其最大優(yōu)越性是采用大規(guī)模集成電路來實(shí)現(xiàn)這些變換。圖4所示為IMS A121的內(nèi)部方框圖。從圖中可以看出，該器件采用泵線式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以使連續(xù)數(shù)據(jù)以最大時(shí)鐘速率流過器件，并能使需要經(jīng)過不同方式處理的數(shù)據(jù)塊在沒有任何延遲的條件下，一個(gè)接 個(gè)地流過該器件。

方式選擇輸入電路將從四組14位可可編程ROM中存儲(chǔ)的系數(shù)中選擇一級(jí)，并且建立輸入和輸出的字長。為方便對(duì)IMS A121進(jìn)行改進(jìn)，該器件的內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑均作了精密排列，以滿足16位以內(nèi)輸入和輸出母線的帶寬要求。在IMS A121作為DCT正變換器使用的場合下，八個(gè)9位輸入字的每人字均乘以存儲(chǔ)在ROM中的系數(shù)值，并將其求和形成各個(gè)輸出點(diǎn)。由第一個(gè)乘法器所輸出的64個(gè)16位字均存儲(chǔ)在器件的一個(gè)內(nèi)部RAM中，然后按變換的順序讀出，以傳送給下一個(gè)乘法器。該乘法器將輸出一個(gè)正交的一維DCT信號(hào)。該選擇器的作用是保證輸出字的位數(shù)剛好等于當(dāng)前變換方式或?yàn)V波方式所要求的位數(shù)。最后，器件按照輸入數(shù)據(jù)的變換順序?qū)?shù)據(jù)輸出。利用相同的方法，IMSA 121還可以進(jìn)行DCT逆變換。當(dāng)器件工作在逆變換方式時(shí)，輸入的是12位數(shù)據(jù)，但其內(nèi)部始終保持16位精度，而輸出端只取9位。輸出數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過再次轉(zhuǎn)換后按原順序取代像素。IMS A121配備了9位輔助輸入母線，在器件作為DCT正變換器使用的情況下，該母線可以用于前一幀圖像的像素值預(yù)減，而在器件作為DCT逆變換器的情況下，則用于前一幀圖像的像素后加，后加加法器和預(yù)減減法都是完全飽和的，同前面所提到的CCITT技術(shù)指標(biāo)一致。有兩個(gè)相同的矩陣乘法電路集成在器件的運(yùn)算部分，這些乘法電路采用分布式算術(shù)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)很適合于把固定系數(shù)存儲(chǔ)在預(yù)編程ROM中的那些專用陣列。將系數(shù)固定可使整機(jī)制造廠省去價(jià)格昂貴的初始化電路。采用分布式算術(shù)結(jié)構(gòu)還具有功耗低、容易利用以及可以矩陣法計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，而矩陣乘法又可以利用重復(fù)布線的長處。此外，矩陣法需要的內(nèi)部總線不大，且符合CCITT的標(biāo)準(zhǔn)。而利用矩陣乘法得到的電算結(jié)果的誤差都是對(duì)稱于零的。IMSA 121采用1.2μm微細(xì)加工技術(shù)制作，芯片中匯集了十三萬個(gè)晶體管。該器件的最大時(shí)鐘效率為20MHz，相當(dāng)于320MOPS的處理速率，其變換的時(shí)間大約3.2μs。