IMSA121型图像信息压缩专用IC

    摘要：图像压缩技术是现代图像数据通讯系统中的一个非常重要的图像数据传输方式。文中介绍了采用二维离散余弦变换处理技术来实现图像数据压缩的原理和方法。同时介绍了IMS A121型图像信息压缩专用集成电路的内部结构和工作方法。

    关键词：图像传输 压缩 离散余弦变换 ISM A121

随着离分辨电视HDTV电视电话会议、第二代电视传真和数字图像存储技术的发展，图像数据通讯已成当今的一个热门课题。而有线通讯系统最为昂贵的是不终端设备，也不是主控设备，而是长距离的传输线。那么，图像数据通讯系统可不可以利用当前已经十分发达的有线电话传输线路来进行传输呢？答案当然是肯定的。但是，电话线带宽很窄，难以传送高速率的图像数据信号。这样就需将高速率的图像数据信号压缩成低速率信号，然而，完成这项工作需要一种称为离散余弦变换DCT图像处理器的硬件。文中介绍的IMS A121型图像信息压缩专用IC正是这种图像处理器。

1 图像信息压缩原理

IMS A121型二维离散余弦变换处理器一种新型图像处理器件，可应用在需要采用先进的图像压缩处理技术的系统中。该器件功能强大，性能可靠，使用灵活，可用于几乎所有的电视电话系统中，并且可广泛地应用于电话传统。

    众所周知，一幅电子图像是由一系列亮度不同、色度不同的光点组成，这些光点叫做像素。而一幅图像又可以分成许多小区域，在这些小区域里，像素点的亮度和色度是基本相同的，称之为像素点的相关性。图像压缩技术正是利用图像中存在的区域像素的相关特性，来将相关的一个小区域的图像信息用一个点信息来传送。这样，要求的传输带宽便可以大大降低。因此，去掉相关性便去掉了冗余的图像信息。但稍有不慎，图像上便会出现明显的失真。采用上便会出现明显的失真。采用kahrannem-Loeve变换是去掉相关性的最佳方法，但是它的计算太复杂，几乎不可能实时实现。真正行之有效的图像压缩方案是DCT离散余弦变换法。这种方案不需要很复杂的计算，也不需要太多的硬件，因此可以用较低的费用来实现。这种方法是将图像变成了一系列频率分量，而不像亚带编码法那样需要一大堆并行滤波器。

DCT离散余弦变换法图像压缩法是CCITT（国际电报电话咨询委员会）为电视电话会议所选用的方法，另外，选用DCT图像压缩法还可以使电视电话会议用于新型的ISDN网络。在DCT压缩过程中，图像信息被分成许多频率分量，而且为了方便传输，每一种频率分量均分别编码。这样一来，由于压缩而引起的失真便成为窄带性失真，而这种失真比外界干扰所引起的失真要小得多，因此，完全可在几乎不使图像质量退化的情况下使图像还原。这种图像压缩法实现时，首先使一幅完整的图像分割成许多个小区，通常一个小区包含8×8个像素，然后利用二维DCT变换将各个小区变换成频率分量。图1为采用DCT变换法压缩信息的过程示意图。

    首先取出原始图像的一个小区加以讨论。这个小区共有8×8个像素，利用DCT变换将实现图像区的能量压缩到左上方，见图1中的大值箭头所指处。由于能量主要在低频分量上，故大值表示低频分量的值，而小值和极小值则表示高频分量的值，这样一来只要低频分量能量不丢失，信息便丢失得不多。对于图像小区的扫描可以从左上角开始，且只有那么低频分量才得到传送。而那些幅值很小的高频分量，因其很接近于零而不被传送。那么，图像小区中的高频分量的幅值究竟小到什么程序才被当成无用的成分而不被传送呢？解决这个问题的根据办法是根据某种规则建立一个阈值，若高频分量的幅值大于该阈值，则判定其为应当传送的有用成分；反之则判为无用成分。一般来说，阈值是根据比照人们对于图像细节的敏感程度而确定的。接收机将传送来的成分当成零对待，因此产生了图像信息量的压缩。阈值的选择本质上是一种选择量化电算选择量化电算方法的问题，这种电算方法主要的任务是折衷地处理压缩信息量和牺牲图像细节这一对矛盾。之所以要以一个个的图像小区作为信息量压缩的对象，而不对整幅图像进行压缩，其主要原因有两条：首先是以图像小区为单位压缩信息量，其电算复杂度远比直接对整幅图像压缩要低得多，其次是从平衡意义上来说，相距较远的像素之间的关性远远低于相邻像素之间的相关性，采用小区法可以更为方便地利用相关性特性来压缩信息量。

在接收机一方，可以利用DCT逆变换法来恢复图像。对于静止图像，对于静止图像，利用DCT法可将信息量压缩到20：1，对于运动图像则可达40：1，采用这种图像压缩方法，虽然信息量压缩很大，但图像失真却很小。图2所示为运动图像信息压缩系统方框图，该系统可用于数字式电视电话系统，其主要部件是电视摄像机和模/数转换器，DCT变换环路表明了在返回路径中存在有一帧延迟的回馈。返回路径是一个解压模型，它使得前一帧图像的像素值与存储在接收机里的像素相同。在DCT函数运算之前应减去这帧像素的值，以使所发送的数据随图像的变化而变化，这样一来，便大大降低了储如数字电话应用等固定区域中静止图像对频带宽度的要求。图3所示为运动图像解压缩系统的方框图。在该系统中，解压缩电路在环路中运用了第二回授环路。这个回授环路通过结合加进所发射图像信息的变化，来构成按帧存储的接收图像的雏形。方框图中的滤波器一般可以与所采有的任何运动图像补偿电路相配套。DCT变换器的后面是一个量化电路，该电路可对传输的图像成分进行选择。在图2所示环路中，量化电路后面紧接着一个反量化电路，反量化电路的任务是确定发射成分的位置。而在反量化电路之后接的是DCT逆变换电路，以便重新产生原发射图像信号。系统中的DCT正变换电路、逆变换电路及滤波电路具有相同的形式，这就意味着任何情况下都可以采用一个具有相同结构的器件，只需调整系数即可。

IMS A121就是集成了DCT正变换电路、DCT逆变换电路、滤波器和一个转换器的器件，从而使其能够在信息速率相当于电视电话速率的条件下，具有足够高的速度，使一个器件当成几个器件使用，以完成要求各种功能。

2 IMS A121器件

虽然计算DCT的方法有很多种，但是都不及IMS A121，它利用经典的矩阵相乘方法来实现各种变换。其最大优越性是采用大规模集成电路来实现这些变换。图4所示为IMS A121的内部方框图。从图中可以看出，该器件采用泵线式结构，这种结构可以使连续数据以最大时钟速率流过器件，并能使需要经过不同方式处理的数据块在没有任何延迟的条件下，一个接 个地流过该器件。

    方式选择输入电路将从四组14位可可编程ROM中存储的系数中选择一级，并且建立输入和输出的字长。为方便对IMS A121进行改进，该器件的内部数据路径均作了精密排列，以满足16位以内输入和输出母线的带宽要求。在IMS A121作为DCT正变换器使用的场合下，八个9位输入字的每人字均乘以存储在ROM中的系数值，并将其求和形成各个输出点。由第一个乘法器所输出的64个16位字均存储在器件的一个内部RAM中，然后按变换的顺序读出，以传送给下一个乘法器。该乘法器将输出一个正交的一维DCT信号。该选择器的作用是保证输出字的位数刚好等于当前变换方式或滤波方式所要求的位数。最后，器件按照输入数据的变换顺序将数据输出。利用相同的方法，IMSA 121还可以进行DCT逆变换。当器件工作在逆变换方式时，输入的是12位数据，但其内部始终保持16位精度，而输出端只取9位。输出数据信号经过再次转换后按原顺序取代像素。IMS A121配备了9位辅助输入母线，在器件作为DCT正变换器使用的情况下，该母线可以用于前一帧图像的像素值预减，而在器件作为DCT逆变换器的情况下，则用于前一帧图像的像素后加，后加加法器和预减减法都是完全饱和的，同前面所提到的CCITT技术指标一致。有两个相同的矩阵乘法电路集成在器件的运算部分，这些乘法电路采用分布式算术结构，这种结构很适合于把固定系数存储在预编程ROM中的那些专用阵列。将系数固定可使整机制造厂省去价格昂贵的初始化电路。采用分布式算术结构还具有功耗低、容易利用以及可以矩阵法计算等优点，而矩阵乘法又可以利用重复布线的长处。此外，矩阵法需要的内部总线不大，且符合CCITT的标准。而利用矩阵乘法得到的电算结果的误差都是对称于零的。IMSA 121采用1.2μm微细加工技术制作，芯片中汇集了十三万个晶体管。该器件的最大时钟效率为20MHz，相当于320MOPS的处理速率，其变换的时间大约3.2μs。