基于SSE技术的CCSDS译码复杂度的研究及改进

【摘要】随着人们对图像压缩算法的要求越来越高，实时性和复杂度成为衡量算法好坏的重要标准。Intel所的Pentium III以上的处理器增加了一些新的指令集：Streaming SIMD Extensions（单指令多数据流扩展指令集，简称SSE）。这些新指令集极大地提升了计算机在图形、动画、音频和视频等方面的性能。同时增加了8个128位寄存器（xmm0-xmm7），能同时处理4个单精度浮点变量，大大提升浮点计算效率。空间数据系统咨询委员会（CCSDS）于2005年11月了一套用于空间领域的图像压缩算法标准，其基本单元包括离散小波变换（DWT）和位平面编码器（BPE），其中小波变换使用了9/7小波。该算法主要用于空间领域，比如在航天器上，这对算法的实时性有着严格的要求。因此，对CCSDS算法复杂度的研究十分重要，简单、快速且内存占用率小的算法将越来越满足空间领域的需求。

本文详细介绍了CCSDS算法的基本原理以及SSE技术的指令集和运算的基本特点，并使用Intel VTuneTM Performance Analyzer软件分析研究程序译码过程中的时间复杂度，从中得出浮点运算较多的离散小波反变换（IDWT）是整个程序中占用时间最多的模块。

【关键词】图像压缩；SSE；CCSDS；时间复杂度；小波反变换

1. 前言

（1）图像压缩编码的目的是在保证图像质量的前提下，用尽可能少的比特数来表示数字图像中所包含的信息。从信息论的角度来讲，图像压缩编码属于“信源编码”。图像信息之所以能够压缩，在于原始图像中存在着大量的信息冗余，如时间冗余、空间冗余、信息熵冗余、谱间冗余、几何结构冗余、视觉冗余和知识冗余等等。图像编码技术是在信道和存储容量有限的条件下，解决由于图像数据量庞大带来的存储和传输困难的主要措施，在军事和民用的许多领域中都具有重要的研究价值。

（2）在图像编码领域，由于具有描述非平稳信号的独特优点，小波变换可将图像信号分解成不同空间分辨率、不同频率特征和方向性特征的子图像信号，这便于在失真编码中综合考虑人的视觉特性，同时也利于图像的逐渐浮现传输。另外，它作用于图像的整体，在有效去除图像的全局相关性的同时，使量化误差分散到整个图像中，避免了JPEG方法带来的“马赛克”方块效应。所有的这些优势使得它成为一种极有前途的编码方法，它所具备的高压缩潜力也正不断为各国学者的研究成果所证实。近年来涌现出来的一些基于小波变换的压缩算法，结合特定的量化和编码方法，普遍能够在高压缩比下获得比JPEG更为理想的压缩性能。其中最为突出的是Shapiro提出的内嵌零树（EZW）编码方法、Said与Pearlman提出的基于多级树集合分裂（SPIHT）编码方法以及由Taubman提出的EBCOT编码方法。EBCOT编码方法已经成为最新静止图像压缩国际标准JPEG2000的标准量化方法。

2. 本文简要介绍了数据系统咨询委员会（CCSDS）空间数据压缩标准，并在此基础上重点研究了CCSDS算法程序的译码复杂度

2.1作为数据压缩的一种，CCSDS图像压缩算法具备如下基本特点：

（1）减少传输带宽；

（2）降低存储和缓存需求；

（3）在给定传输速率下减少传输时间。

2.2同时，作为应用于特殊领域的图像压缩算法，CCSDS算法还具有如下独有特点：

（1）该算法被明确指定用于航天器上；

（2）根据航天应用的侧重点不同，可以从算法的性能和复杂性之间均衡；

（3）该算法复杂性比较低，有利于快速和低功耗硬件实现；

（4）算法的选项很少，在实际应用时不需要很强的背景知识。

2.41999年2月，Intel了最新款处理器Pentium III处理器，从本质上说，Pentium III处理器只不过是一个运行在更高速度的Pentium II处理器，另外再增加了一些新的指令集：Streaming SIMD Extensions（单指令多数据流扩展指令集，或者称为SSE）。这些新指令集的增加并不会影响原来的程序运行，因为Pentium III处理器采用的是完全兼容于原来Pentium II处理器的IA-32构架。而且，它极大地提升了计算机在高级图形、三维动画、数据流音讯、视频、语音识别应用等方面的性能。

2.5目前，人们对图像压缩算法的要求越来越高，因此，对图像压缩算法的研究日趋重要。当前对图像压缩算法的评价不仅仅停留在实现上，并且很大程度上取决于该算法的效率与复杂程度。

图2测试用图

图3系统各可执行文件所占资源

2.6对于前文所叙述的CCSDS算法，一个空间数据系统咨询委员会（CCSDS）提出的用于空间领域的数据压缩标准，其算法的重要性不言而喻。对于一个算法来说，一般情况下，都是分为编码和译码两个部分，且两个过程互为逆过程。CCSDS算法也不例外，分为编码和译码两个过程。对于这个算法，应用于深空通信领域，对解碼的要求比较高，这是因为在对编码过的码流进行译码的过程，需要非常高的实时性，这样才能给人们带来“第一手”信息，让人们掌握永不过时的信息。否则，在这个信息万变的时代，只会永远落在别人身后，错失发展的时机。

2.7性能测试所使用的工具：Intel VTuneTM Performance Analyzer（以下简称VTune）。VTune是Intel一个功能强大的性能分析软件。主要包括三个小工具：

（1）Performance Analyzer：性能分析，找到软件性能比较热的部分，一般也就是性能瓶颈的关键点，说明我们收集资料发现问题。

（2）Intel Threading Checker：用于查找线程错误，能够检测资源竞争、线程死锁等问题。程序在并行化后，可以通过Threading Checker检测一下有没有多线程相关的错误。

（3）Intel Threading Profiler：线程性能检测工具，多线程化有可能会有负载比平衡，同步开销过大等等线程相关的性能问题。该工具可以发现每一个线程每一时刻的状态。

本章主要介绍了本文的核心内容，即基于SSE技术的CCSDS解碼复杂度的研究与改进。首先是对原CCSDS算法程序进行性能分析，得出该程序存在的热点问题；然后对热点问题进行分析，得出占用时间资源较多的模块为IDWT，并以此为切入点，在代码上采用SSE指令系统对IDWT模块进行优化，此间还介绍整个过程的操作流程以及具体步骤，并最后得出结论：使用SSE技术对CCSDS算法程序进行优化，不改变译码图像质量的前提下，IDWT模块译码时间节约可达86%以上，而整个CCSDS解碼时间节约可高达75%以上。因此，SSE技术用于该CCSDS算法程序中，对于译码速度的提高有着重要的贡献，以此可以提高解碼的效率以及实时性。