CN104102594A - 实现图像数据缓存读写控制的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现图像数据缓存读写控制的系统，其中包括数据存储模块、读写地址跳变模块、数据读取模块和数据写入模块，本发明还提供一种实现图像数据缓存读写控制的方法，读写地址跳变模块根据读写地址函数运算得出每次的数据读取地址或者数据写入地址，数据读取模块根据对应的数据读取地址向数据存储模块读取图像数据，数据写入模块根据对应的数据写入地址向数据存储模块写入图像数据。采用本发明的实现图像数据缓存读写控制的系统及方法，不需要增加额外缓存空间、大大节省存储空间、芯片选择范围更广，降低图像处理系统的成本，提高图像处理效率，具有更广泛的应用范围。

Description

实现图像数据缓存读写控制的系统及方法

技术领域

本发明涉及图像处理领域，尤其涉及图像数据读取控制领域，具体是指一种实现图像数据缓存读写控制的系统及方法。

背景技术

图像处理(Image Processing)是指用计算机对图像进行分析以达到所需结果的技术，又称影像处理。图像处理一般指数字图像处理，数字图像是指用数字摄像机、扫描仪等设备经过采样和数字化得到的一个大的二维数组，该数组的元素称为像素，其值为一整数，称为灰度值。图像处理技术的主要内容包括图像压缩，增强和复原，匹配、描述和识别3个部分。

以图像压缩为例，在进行JPEG图像压缩时，需要将一个二维的像素阵列划分为8x8的像素块，然后以块为单位进行处理。由于图像通常是以行的顺序进行扫描，所以必须先保存8行像素点再进行块划分，如图1所示，其中每个方格代表同一行中的连续8个像素点，且每行的像素点个数为8的整数倍。那么R1-0，R2-0，R3-0，R4-0，R5-0，R6-0，R7-0，R8-0组成了第一个8x8的像素块，而R1-(N-1)，R2-(N-1)，R3-(N-1)，R4-(N-1)，R5-(N-1)，R6-(N-1)，R7-(N-1)，R8-(N-1)组成了这8行数据的最后一个8x8像素块。可以看出，数据以行的顺序写入缓存中，而以列的顺序读取，只有当全部8行数据都处理完后才能写入新的数据，在实时图像压缩的应用中，势必要增加缓存的大小，来保存处理8行数据过程中新接收到的数据。

在图像处理过程中，必然会存在需要分批处理图像数据的过程，则在处理上一批图像数据时，待处理的图像数据会缓存于某个存储器中，造成图像数据占用大量存储空间，影响图像处理的速度。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种通过利用对应存储单元已被读取的数据地址来缓存新接收的数据、不需要增加额外缓存空间、大大节省存储器空间、降低芯片成本的实现图像数据缓存读写控制的系统及方法。

为了实现上述目的，本发明的实现图像数据缓存读写控制的系统具有如下构成：

该实现图像数据缓存读写控制的系统，其主要特点是，所述的系统包括数据存储模块、读写地址跳变模块、数据读取模块和数据写入模块，其中：

所述的数据存储模块，用以存储待处理的图像数据；

所述的读写地址跳变模块，用以根据所述的读写地址函数运算得出每次数据读取模块的数据读取地址或数据写入模块的数据写入地址；

所述的数据读取模块，用以根据所述的读写地址跳变模块运算得出的数据读取地址向所述的数据存储模块读取所对应的图像数据；

所述的数据写入模块，用以根据所述的读写地址跳变模块运算得出的数据写入地址向所述的数据存储模块写入所对应的图像数据。

进一步地，所述的数据读取模块的读出速率大于所述的数据写入模块的写入速率。

更进一步地，所述的读写地址函数为：

$\begin{array}{c}f(x,k)=\left\{\right[x\·T\left(k\right)]\%D\}+\mathrm{RoundDown}\left\{\right[x\·T\left(k\right)]/D\};\\ \begin{array}{c}x=\mathrm{0,1,2},\·\·\·\·\·\·\\ k=\mathrm{1,2,3},\·\·\·\·\·\·\end{array};\end{array}$

其中，x为读写顺序变量，T(k)为地址跳变增量函数，RoundDown为舍去小数的运算函数，D为所述的数据存储模块的存储长度。

更进一步地，所述的地址跳变增量函数T(k)具体为：

其中，&为按位与运算符，>>为向右移位运算符。

此外，本发明还提供一种实现图像数据缓存读写控制的方法，该方法包括以下步骤：

(1)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出所述的数据写入地址；

(2)所述的数据写入模块根据所述的数据写入地址向所述的数据存储模块写入对应的图像数据；

(3)所述的数据存储模块存储所述的数据写入地址对应的图像数据；

(4)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出所述的数据读取地址；

(5)所述的数据读取模块根据所述的数据读取地址向所述的数据存储模块读取对应的图像数据。

进一步地，所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出所述的数据写入地址，包括以下步骤：

(1.1)所述的读写地址跳变模块判断前次的运算得出的数据写入地址是否超出所述的数据存储模块的存储长度；

(1.2)如果判断结果为超出所述的数据存储模块的存储长度，则继续步骤(1.3)，否则继续步骤(1.4)；

(1.3)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出此次的数据写入地址，且该数据写入地址减去所述的存储长度并加1；

(1.4)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出此次的数据写入地址。

进一步地，所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出所述的数据读取地址，包括以下步骤：

(4.1)所述的读写地址跳变模块判断前次的运算得出的数据读出地址是否超出所述的数据存储模块的存储长度；

(4.2)如果判断结果为超出所述的数据存储模块的存储长度，则继续步骤(4.3)，否则继续步骤(4.4)；

(4.3)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出此次的数据读出地址，且该数据读出地址减去所述的存储长度并加1；

(4.4)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出此次的数据读出地址。

采用了本发明的实现图像数据缓存读写控制的系统及方法，通过对应存储单元已被读取的数据地址来缓存新接收的图像数据，这样就不需要额外增加缓存空间，从而大大节省存储空间，芯片选择范围更大，实现成本更低，同时根据公式推导和变换得出的读写地址函数，读写地址跳变模块在初次运算以后，可以比较上一次运算结果判断是否超出存储长度，根据判断结果从而选择不同的计算方式，两种计算方式只含有加减法，计算简单快速，变成容易实现，硬件设计也相对简单，并且该读写地址函数不局限于用于图片压缩和解压，具有更广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明的图像压缩示意图。

图2为本发明的实现图像数据缓存读写控制的系统的结构示意图。

图3为本发明的实现图像数据缓存读写控制的方法的主流程图。

图4为本发明的实现图像数据缓存读写控制的方法的初次写入地址的示意图。

图5为本发明的实现图像数据缓存读写控制的方法的第9行前16组数据的存储示意图

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

以图像压缩为例来证明图像处理过程中数据缓存占用存储器空间的问题，如图1所示，设图像每行有P个像素点(P为8的整数倍)，处理一个块需要M个时钟周期，在最坏的情况下，每个时钟周期都会接收到一个新的数据。那么增加的缓存大小为：

${\mathrm{Buf}}_{\mathrm{Ext}}=\frac{P}{8}\·M;---\left(1\right)$

保存8行数据的缓存大小为：

Buf＝P·8；  (2)

所以，增加的比率为：

$\mathrm{Rate}=\frac{{\mathrm{Buf}}_{\mathrm{Ext}}}{\mathrm{Buf}}=(\frac{P}{8}\·M)/(P\·8)=M/64;---\left(3\right)$

M的值由设计而定，若M＝20，则需要增加约32％的存储器空间，大大占用了存储器空间。

因此，本发明提出了一种实现图像数据缓存读写控制的系统及方法，如果数据处理的速度一定高于数据接收的速率，则可以利用存储器中已被读取的数据地址来缓存新接收的数据，这样就不需要额外增加缓存，并且，通过公式的推导和变换，本发明还提出了该方法在芯片程序设计时的最简单经济的算法公式，即读写地址函数。

请参阅图2所示，在一种实施方式中，本发明的实现图像数据缓存读写控制的系统包括数据存储模块、读写地址跳变模块、数据读取模块和数据写入模块，其中：

所述的数据存储模块，用以存储待处理的图像数据；

所述的读写地址跳变模块，用以根据所述的读写地址函数运算得出每次数据读取模块的数据读取地址或数据写入模块的数据写入地址；

所述的数据读取模块，用以根据所述的读写地址跳变模块运算得出的数据读取地址向所述的数据存储模块读取所对应的图像数据；

所述的数据写入模块，用以根据所述的读写地址跳变模块运算得出的数据写入地址向所述的数据存储模块写入所对应的图像数据。

在一种优选的实施方式中，所述的数据读取模块的读出速率大于所述的数据写入模块的写入速率。

由于在读写缓存时地址不是连续跳变，所以不能通过读取地址或写入地址来判断缓存的空满状态，同时，又因为数据读取模块的读出速率大于数据写入模块的写入速率，所以为了防止缓存读写溢出，可以用一个数据计数器来记录当前有效的数据个数，写入新数据的时候，计数器增加，读取数据的时候，计数器减少，这样就可以用数据计数器的值来判断缓存是否被写满或读空。

在一种更优选的实施方式中，所述的读写地址函数为：

$\begin{array}{c}f(x,k)=\left\{\right[x\·T\left(k\right)]\%D\}+\mathrm{RoundDown}\left\{\right[x\·T\left(k\right)]/D\};\\ \begin{array}{c}x=\mathrm{0,1,2},\·\·\·\·\·\·\\ k=\mathrm{1,2,3},\·\·\·\·\·\·\end{array};\end{array}$

其中，x为读写顺序变量，T(k)为地址跳变增量函数，RoundDown为舍去小数的运算函数，D为所述的数据存储模块的存储长度。

在一种更优选的实施方式中，所述的地址跳变增量函数T(k)具体为：

其中，&为按位与运算符，>>为向右移位运算符。

此外，本发明还提供一种实现图像数据缓存读写控制的方法，如图3所示，该方法包括以下步骤：

(1)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出所述的数据写入地址；

(2)所述的数据写入模块根据所述的数据写入地址向所述的数据存储模块写入对应的图像数据；

(3)所述的数据存储模块存储所述的数据写入地址对应的图像数据；

(4)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出所述的数据读取地址；

(5)所述的数据读取模块根据所述的数据读取地址向所述的数据存储模块读取对应的图像数据。

在一种优选的实施方式中，所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出所述的数据写入地址，包括以下步骤：

(1.1)所述的读写地址跳变模块判断前次的运算得出的数据写入地址是否超出所述的数据存储模块的存储长度；

(1.2)如果判断结果为超出所述的数据存储模块的存储长度，则继续步骤(1.3)，否则继续步骤(1.4)；

(1.3)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出此次的数据写入地址，且该数据写入地址减去所述的存储长度并加1；

(1.4)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出此次的数据写入地址。

在一种优选的实施方式中，所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出所述的数据读取地址，包括以下步骤：

(4.1)所述的读写地址跳变模块判断前次的运算得出的数据读出地址是否超出所述的数据存储模块的存储长度；

(4.2)如果判断结果为超出所述的数据存储模块的存储长度，则继续步骤(4.3)，否则继续步骤(4.4)；

(4.3)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出此次的数据读出地址，且该数据读出地址减去所述的存储长度并加1；

(4.4)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出此次的数据读出地址。

另外，本发明中所述的读写地址函数推算过程如下：

首先，将一个二维的像素阵列以行的顺序写入数据存储模块中，若数据存储模块的数据位宽为8个像素点，则第一行数据存储在地址0到(N-1)的地址上，其中N＝P/8，第二行存储在N到(2N-1)的地址上，以此类推，如图4所示，可以看出图像数据是以一维的形式保存在存储器中的。

然后，以列的顺序读取数据从而获取8x8的像素块，第一列的数据读取地址分别为：0，N，2N，3N，4N，5N，6N，7N；第二列的数据读取地址分别为：1，(N+1)，(2N+1)，(3N+1)，(4N+1)，(5N+1)，(6N+1)，(7N+1)，这些地址对应的存储内容为空的存储单元可以用来缓存新接收到的数据，所以下一个8行的数据写入地址完全按照上一个8行的数据读取地址的顺序进行跳变。

图5表示出了第9行的前16组数据如何根据数据写入地址(即上一个数据读取地址)写入数据存储模块中对应的存储单元内。

从上面的例子中可以分析出，如果第一个8行的写入操作以1为地址跳变增量，则读取操作的地址跳变增量为N；那么下一个8行的写入操作将以N为地址跳变增量，读取操作以N2为地址跳变增量。所以，对于第k个8行数据，数据写入地址的跳变增量T的函数为：

T(k)＝N^k-1，k＝1，2，3，......；  (4)

由于k的值在实际应用中是逐一递增的，上述公式(4)可变换为：

$T\left(k\right)=\left\{\begin{array}{c}1\\ T(k-1)\·N,k=\mathrm{2,3,4},......\end{array}\right.;---\left(5\right)$

设8行数据的存储长度D，地址最大不能超过D，所以需要对T(k-1)·N求其相对于D的余数。而地址每次绕回后要加一，所以还要加上T(k-1)·N与D的商的整数部分。实际的T(k)应该为：

T(k)＝{[N·T(k-1)]％D}+RoundDown{[N·T(k-1)]/D}，k＝2,3，......  (6)

其中％为求余运算，RoundDown为舍去小数的运算函数，长度D为：

D＝N·8；  (7)

带入则上述公式变换为：

$\begin{array}{c}T\left(k\right)=\left\{\right[\frac{D}{8}\·T(k-1)]\%D\}+\mathrm{RoundDown}\left\{\right[\frac{D}{8}\·T(k-1)]/D\}\\ =\left\{\right[\frac{D}{8}\·T(k-1)]\%D\}+\mathrm{RoundDown}[T(k-1)/8]\\ =\left\{\right[\frac{D}{8}\·T(k-1)]\%D\}+[T(k-1)>>3],k=\mathrm{2,3},......\end{array};---\left(8\right)$

其中，>>为向右移位运算符。

可以证明，若T(k-1)<D，则通过上式(8)计算得到的T(k)也小于D，求余运算可以分解为先两数相除，再用商的小数部分和除数相乘，所以公式(8)可以继续变换为：

T(k)＝{FractionPart[T(k-1)/8]·D}+[T(k-1)＞＞3]，k＝2,3，......；  (9)

其中FractionPart为取小数部分的运算函数，T(k-1)除8后的小数部分相当于仅保留T(k-1)的最低3位并除上8，并且D为8的整数倍，所以(9)式最终可以简化为：

T(k)＝{[T(k-1)&7]·(D＞＞3)}+[T(k-1)＞＞3]，k＝2，3，……；  (10)

其中&为按位与运算符。

公式(10)中乘法左边的乘数只有三个有效位，可以用三个加法和移位运算代替，因此，公式(10)能以很低的硬件成本实现。

得到对每个8行数据进行读写时所需的地址跳变增量T(k)后，那么对于第k个8行数据，按行的顺序写入的地址依次为：0T(k)，1T(k)，2T(k)，3T(k)……；按列的顺序读出的地址依次为：0T(k+1)，1T(k+1)，2T(k+1)，3T(k+1)……。所以读写地址函数可统一表示为：

$\begin{array}{c}f(x,k)=x\&CenterDot;T\left(k\right);\\ \begin{array}{c}x=\mathrm{0,1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\\ k=\mathrm{1,2,3},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\end{array};\end{array}---\left(11\right)$

考虑到8行数据的长度D，和地址的绕回，实际的读写地址函数f(x,k)为：

$\begin{array}{c}f(x,k)=\left\{\right[x\&CenterDot;T\left(k\right)]\%D\}+\mathrm{RoundDown}\left\{\right[x\&CenterDot;T\left(k\right)]/D\};\\ \begin{array}{c}x=\mathrm{0,1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\\ k=\mathrm{1,2,3},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\end{array};\end{array}---\left(12\right)$

由于在实际应用中数据是按顺序读写的，也就是x的值总是加一递增，所以计算f(x,k)时可以先计算f(x-1,k)+T(k)，判断和是否小于D，如果小于D则f(x,k)＝f(x-1,k)+T(k)，如果大于等于D则f(x,k)＝f(x-1,k)+T(k)-D+1，这样在硬件设计上只用加法和比较就可以实现了。

根据上述公式，下表1列出了读取第一个8行的第一、二块数据，以及写入第9行前16组数据的地址。

表1

下表2列出了读取第二个8行的第一、二块数据，以及写入第17行前16组数据的地址。

表2

本发明的读写地址函数不局限于上述实施例，也可以应用于JPEG和JPEG2000的压缩和解压应用，也不局限于用于8行数据缓存的情况，只要是满足以4个条件的应用均可使用本发明中的读写地址函数来减小所需的数据缓存，条件具体为：

1)需要缓存A行数据，其中A为2的n次幂，n为自然数；

2)图像数据是以行写入列读出，或者列写入行读出；

3)每行数据可以划分为整数个列读写单元；

4)读出速率大于写入速率。

采用了本发明的实现图像数据缓存读写控制的系统及方法，通过对应存储单元已被读取的数据地址来缓存新接收的图像数据，这样就不需要额外增加缓存空间，从而大大节省存储空间，芯片选择范围更大，实现成本更低，同时根据公式推导和变换得出的读写地址函数，读写地址跳变模块在初次运算以后，可以比较上一次运算结果判断是否超出存储长度，根据判断结果从而选择不同的计算方式，两种计算方式只含有加减法，计算简单快速，变成容易实现，硬件设计也相对简单，并且该读写地址函数不局限于用于图片压缩和解压，具有更广泛的应用范围。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种实现图像数据缓存读写控制的系统，其特征在于，所述的系统包括：

数据存储模块，用以存储待处理的图像数据；

读写地址跳变模块，用以根据读写地址函数运算得出每次数据读取模块的数据读取地址或数据写入模块的数据写入地址；

数据读取模块，用以根据所述的读写地址跳变模块运算得出的数据读取地址向所述的数据存储模块读取所对应的图像数据；

数据写入模块，用以根据所述的读写地址跳变模块运算得出的数据写入地址向所述的数据存储模块写入所对应的图像数据。

2.根据权利要求1所述的实现图像数据缓存读写控制的系统，其特征在于，所述的数据读取模块的读出速率大于所述的数据写入模块的写入速率。

3.根据权利要求2所述的实现图像数据缓存读写控制的系统，其特征在于，所述的读写地址函数为：

$\begin{array}{c}f(x,k)=\left\{\right[x\&CenterDot;T\left(k\right)]\%D\}+\mathrm{RoundDown}\left\{\right[x\&CenterDot;T\left(k\right)]/D\};\\ \begin{array}{c}x=\mathrm{0,1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\\ k=\mathrm{1,2,3},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\end{array};\end{array}$

其中，x为读写顺序变量，T(k)为地址跳变增量函数，RoundDown为舍去小数的运算函数，D为所述的数据存储模块的存储长度。

4.根据权利要求3所述的实现图像数据缓存读写控制的系统，其特征在于，所述的地址跳变增量函数T(k)具体为：

其中，&为按位与运算符，>>为向右移位运算符。

5.一种基于权利要求1至4中任一项所述的系统实现图像数据缓存读写控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出所述的数据写入地址；

(2)所述的数据写入模块根据所述的数据写入地址向所述的数据存储模块写入对应的图像数据；

(3)所述的数据存储模块存储所述的数据写入地址对应的图像数据；

(4)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出所述的数据读取地址；

(5)所述的数据读取模块根据所述的数据读取地址向所述的数据存储模块读取对应的图像数据。

6.根据权利要求5所述的实现图像数据缓存读写控制的方法，其特征在于，所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出所述的数据写入地址，包括以下步骤：

(1.1)所述的读写地址跳变模块判断前次的运算得出的数据写入地址是否超出所述的数据存储模块的存储长度；

(1.2)如果判断结果为超出所述的数据存储模块的存储长度，则继续步骤(1.3)，否则继续步骤(1.4)；

(1.3)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出此次的数据写入地址，且该数据写入地址减去所述的存储长度并加1；

(1.4)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出此次的数据写入地址。

7.根据权利要求5所述的实现图像数据缓存读写控制的方法，其特征在于，所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出所述的数据读取地址，包括以下步骤：

(4.1)所述的读写地址跳变模块判断前次的运算得出的数据读出地址是否超出所述的数据存储模块的存储长度；

(4.2)如果判断结果为超出所述的数据存储模块的存储长度，则继续步骤(4.3)，否则继续步骤(4.4)；

(4.3)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出此次的数据读出地址，且该数据读出地址减去所述的存储长度并加1；

(4.4)所述的读写地址跳变模块根据所述的读写地址函数运算得出此次的数据读出地址。