摘要：圖像壓縮技術是現代圖像數據通訊系統中的一個非常重要的圖像數據傳輸方式。文中介紹了采用二維離散余弦變換處理技術來實現圖像數據壓縮的原理和方法。同時介紹了IMS A121型圖像信息壓縮專用集成電路的內部結構和工作方法。

關鍵詞：圖像傳輸 壓縮 離散余弦變換 ISM A121

隨著離分辨電視HDTV電視電話會議、第二代電視傳真和數字圖像存儲技術的發(fā)展，圖像數據通訊已成當今的一個熱門課題。而有線通訊系統最為昂貴的是不終端設備，也不是主控設備，而是長距離的傳輸線。那么，圖像數據通訊系統可不可以利用當前已經十分發(fā)達的有線電話傳輸線路來進行傳輸呢？答案當然是肯定的。但是，電話線帶寬很窄，難以傳送高速率的圖像數據信號。這樣就需將高速率的圖像數據信號壓縮成低速率信號，然而，完成這項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，可應用在需要采用先進的圖像壓縮處理技術的系統中。該器件功能強大，性能可靠，使用靈活，可用于幾乎所有的電視電話系統中，并且可廣泛地應用于電話傳統。

眾所周知，一幅電子圖像是由一系列亮度不同、色度不同的光點組成，這些光點叫做像素。而一幅圖像又可以分成許多小區(qū)域，在這些小區(qū)域里，像素點的亮度和色度是基本相同的，稱之為像素點的相關性。圖像壓縮技術正是利用圖像中存在的區(qū)域像素的相關特性，來將相關的一個小區(qū)域的圖像信息用一個點信息來傳送。這樣，要求的傳輸帶寬便可以大大降低。因此，去掉相關性便去掉了冗余的圖像信息。但稍有不慎，圖像上便會出現明顯的失真。采用上便會出現明顯的失真。采用kahrannem-Loeve變換是去掉相關性的最佳方法，但是它的計算太復雜，幾乎不可能實時實現。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雜的計算，也不需要太多的硬件，因此可以用較低的費用來實現。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（國際電報電話咨詢委員會）為電視電話會議所選用的方法，另外，選用DCT圖像壓縮法還可以使電視電話會議用于新型的ISDN網絡。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量退化的情況下使圖像還原。這種圖像壓縮法實現時，首先使一幅完整的圖像分割成許多個小區(qū)，通常一個小區(qū)包含8×8個像素，然后利用二維DCT變換將各個小區(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小區(qū)加以討論。這個小區(qū)共有8×8個像素，利用DCT變換將實現圖像區(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成無用的成分而不被傳送呢？解決這個問題的根據辦法是根據某種規(guī)則建立一個閾值，若高頻分量的幅值大于該閾值，則判定其為應當傳送的有用成分；反之則判為無用成分。一般來說，閾值是根據比照人們對于圖像細節(jié)的敏感程度而確定的。接收機將傳送來的成分當成零對待，因此產生了圖像信息量的壓縮。閾值的選擇本質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是折衷地處理壓縮信息量和犧牲圖像細節(jié)這一對矛盾。之所以要以一個個的圖像小區(qū)作為信息量壓縮的對象，而不對整幅圖像進行壓縮，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，其電算復雜度遠比直接對整幅圖像壓縮要低得多，其次是從平衡意義上來說，相距較遠的像素之間的關性遠遠低于相鄰像素之間的相關性，采用小區(qū)法可以更為方便地利用相關性特性來壓縮信息量。

在接收機一方，可以利用DCT逆變換法來恢復圖像。對于靜止圖像，對于靜止圖像，利用DCT法可將信息量壓縮到20：1，對于運動圖像則可達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所示為運動圖像信息壓縮系統方框圖，該系統可用于數字式電視電話系統，其主要部件是電視攝像機和模/數轉換器，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。返回路徑是一個解壓模型，它使得前一幀圖像的像素值與存儲在接收機里的像素相同。在DCT函數運算之前應減去這幀像素的值，以使所發(fā)送的數據隨圖像的變化而變化，這樣一來，便大大降低了儲如數字電話應用等固定區(qū)域中靜止圖像對頻帶寬度的要求。圖3所示為運動圖像解壓縮系統的方框圖。在該系統中，解壓縮電路在環(huán)路中運用了第二回授環(huán)路。這個回授環(huán)路通過結合加進所發(fā)射圖像信息的變化，來構成按幀存儲的接收圖像的雛形。方框圖中的濾波器一般可以與所采有的任何運動圖像補償電路相配套。DCT變換器的后面是一個量化電路，該電路可對傳輸的圖像成分進行選擇。在圖2所示環(huán)路中，量化電路后面緊接著一個反量化電路，反量化電路的任務是確定發(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，以便重新產生原發(fā)射圖像信號。系統中的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具有相同結構的器件，只需調整系數即可。

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

2 IMS A121器件

雖然計算DCT的方法有很多種，但是都不及IMS A121，它利用經典的矩陣相乘方法來實現各種變換。其最大優(yōu)越性是采用大規(guī)模集成電路來實現這些變換。圖4所示為IMS A121的內部方框圖。從圖中可以看出，該器件采用泵線式結構，這種結構可以使連續(xù)數據以最大時鐘速率流過器件，并能使需要經過不同方式處理的數據塊在沒有任何延遲的條件下，一個接 個地流過該器件。

方式選擇輸入電路將從四組14位可可編程ROM中存儲的系數中選擇一級，并且建立輸入和輸出的字長。為方便對IMS A121進行改進，該器件的內部數據路徑均作了精密排列，以滿足16位以內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9位輸入字的每人字均乘以存儲在ROM中的系數值，并將其求和形成各個輸出點。由第一個乘法器所輸出的64個16位字均存儲在器件的一個內部RAM中，然后按變換的順序讀出，以傳送給下一個乘法器。該乘法器將輸出一個正交的一維DCT信號。該選擇器的作用是保證輸出字的位數剛好等于當前變換方式或濾波方式所要求的位數。最后，器件按照輸入數據的變換順序將數據輸出。利用相同的方法，IMSA 121還可以進行DCT逆變換。當器件工作在逆變換方式時，輸入的是12位數據，但其內部始終保持16位精度，而輸出端只取9位。輸出數據信號經過再次轉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，后加加法器和預減減法都是完全飽和的，同前面所提到的CCITT技術指標一致。有兩個相同的矩陣乘法電路集成在器件的運算部分，這些乘法電路采用分布式算術結構，這種結構很適合于把固定系數存儲在預編程ROM中的那些專用陣列。將系數固定可使整機制造廠省去價格昂貴的初始化電路。采用分布式算術結構還具有功耗低、容易利用以及可以矩陣法計算等優(yōu)點，而矩陣乘法又可以利用重復布線的長處。此外，矩陣法需要的內部總線不大，且符合CCITT的標準。而利用矩陣乘法得到的電算結果的誤差都是對稱于零的。IMSA 121采用1.2μm微細加工技術制作，芯片中匯集了十三萬個晶體管。該器件的最大時鐘效率為20MHz，相當于320MOPS的處理速率，其變換的時間大約3.2μs。