基于小波視頻編解友專用芯片的視頻卡的設(shè)計與實現(xiàn)

   摘要：提出了一個利用小波視頻編解碼專用芯片搭建的視頻壓縮解壓縮卡，對其硬件實現(xiàn)做了具體描述。

    關(guān)鍵詞：小波變換  ADV612專用芯片  IIC總線  視頻采集與壓縮

小波變換作為一種信號分析方法，具有多尺度、多分辨率分析和時域局部化與頻域局部化等優(yōu)點。小波變換是一種頻率上伸縮自由的變換。當(dāng)信號帶寬較窄時，它可以通過縮小的方式使得對窄帶信號的刻劃較為精細(xì)；當(dāng)信號帶寬較寬時，它可以通過放大的方式使描述能夠滿足精度需要。因而小波變換是一種不受帶寬約束的圖像壓縮方法。與傳統(tǒng)的基于DCT變換的編碼方法相比，基于小波變換的圖像編碼是對整幅圖像進(jìn)行變換，充分利用了圖像整體相關(guān)性并消除了傳統(tǒng)分塊編碼方法帶來的方塊效應(yīng)。小波級數(shù)可以在不同分辨率下逼近某一函數(shù)，實現(xiàn)多分辨率分解。多分辨率分解使我們可以在不同的刻畫精度上對源圖像進(jìn)行逼近，在不同層次上對原圖像進(jìn)行壓縮，突破了傳統(tǒng)編碼方法的壓縮比限制，從而獲得很高的壓縮比。小波變換的優(yōu)越性能使其在視頻圖像編碼領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，目前，利用小波變換進(jìn)行圖像編碼的專用芯片已經(jīng)問世。

本文介紹小波視頻編解碼專用芯片ADV612，并描述基于ADV612的視頻壓縮卡的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 小波視頻編解碼專用芯片ADV612

1.1 ADV612系統(tǒng)功能介紹

ADV612 是本文所描述的視頻卡的核心部件，是由ANALOG公司推出的小波視頻編解碼專用芯片。ADV612采用了高密度GMOS集成電路技術(shù)，整個芯片由數(shù)字視頻I/O接口，高清晰取景框控制、小波變換與幀抽取、片內(nèi)SRAM、片內(nèi)DRAM控制器、自適應(yīng)量化器與熵編碼器、FIFO壓縮數(shù)據(jù)緩存與主機(jī)接口等功能模塊搭成，如圖1所示。

數(shù)字視頻I/O接口支持 CCIR601國際標(biāo)準(zhǔn)格式。編碼時，數(shù)字視頻從數(shù)字視頻接口輸入，經(jīng)幀抽取和小波變換，送入量化器進(jìn)行量化。量化后的數(shù)據(jù)送入熵編碼器，進(jìn)行游程編碼和霍夫曼編碼，產(chǎn)生最后的壓縮數(shù)據(jù)流，送入集成于片內(nèi)的512×32位大小的FIFO緩存。當(dāng)片內(nèi)FIFO的數(shù)據(jù)量達(dá)到主機(jī)的預(yù)設(shè)值時，ADV612發(fā)出中斷，通知主機(jī)取走數(shù)據(jù)。解碼過程與之相反，壓縮數(shù)據(jù)由主機(jī)送入FIFO，解碼后產(chǎn)生CCIR601格式的數(shù)據(jù)視頻數(shù)據(jù)，從數(shù)字視頻接口輸出。

1.2 ADV612的特性

1.2.1 高清晰度取景框功能

ADV612 支持一種稱為高清晰度取景框的功能。該功能允許一幀中某一矩形區(qū)域相對于其他區(qū)域（我們稱之為背景）有較低的壓縮比，或完全不進(jìn)行壓縮。矩形區(qū)域的位置和大小以及與背景的對比度由主機(jī)通過ADV612的主機(jī)接口輸入控制字來控制。該功能為用戶在不影響壓縮比的情況下選取某一感興趣的區(qū)域作高清晰度顯示提供了捷徑，從而使整個系統(tǒng)特別適用于監(jiān)控場合。

1.2.2 精確的碼流控制

ADV612 的自適應(yīng)量化器允許主機(jī)控制量化步長。主機(jī)通過對前一幀圖像子帶編碼數(shù)據(jù)的統(tǒng)計計算出下一幀的量化步長，在下一幀壓縮開始前將其寫入量化步長寄存器。通過量化步長控制，主機(jī)可以獲得穩(wěn)定的壓縮碼流輸出。這對帶寬有限的網(wǎng)絡(luò)傳輸特別有利，使其不會因為圖像內(nèi)容的劇烈變化而引起壓縮碼流的突變，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。

1.2.3 硬件編碼實現(xiàn)小波變換

考慮到小波變換龐大的計算量，ADV612的小波變換模塊采用硬件編碼的方法實現(xiàn)了以Morlet小波為正交小波基的小波變換和小波逆變換，保證了視頻信號能夠?qū)崟r處理。片內(nèi)集成了一片SRAM，用作變換進(jìn)的高速數(shù)據(jù)緩存。

1.3 ADV612的主機(jī)接口

為存儲主機(jī)設(shè)定的ADV612編解碼過程中所需參數(shù)和反映工作狀態(tài)，ADV612在片內(nèi)集成了若干控制字寄存器和狀態(tài)寄存器?？刂谱旨拇嫫骱蜖顟B(tài)寄存器稱為間接寄存器，ADV612將控制字寄存器和狀態(tài)寄存器統(tǒng)一編址。主機(jī)不能直接訪問間接寄存器。

為訪問間接寄存器和片內(nèi)FIFO，ADV612設(shè)置了一組可由主機(jī)直接訪問的寄存器，稱為直接寄存器。共有四個32位直接寄存器：間接地址寄存器、間接數(shù)據(jù)寄存器、壓縮數(shù)據(jù)寄存器、中斷控制和狀態(tài)寄存器。間接地址寄存器存放欲訪問的間接寄存器的地址；間接數(shù)據(jù)寄存器存放從間接寄存器讀出的或欲寫入間按寄存器的數(shù)據(jù)；壓縮數(shù)據(jù)寄存器是片內(nèi)FIFO的映射，讀寫該寄存器就會將數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭隖IFO中；中斷控制和狀態(tài)寄存器的高16位是控制位，設(shè)置引起 ADV612向主機(jī)發(fā)出中斷的條件，低16位是狀態(tài)位，反映觸發(fā)當(dāng)前中斷的原因。

ADV612的主機(jī)接口包括：32位數(shù)據(jù)總線（D31～D0）、兩位地址線（ADR1ADR0）、片選信號（CS）、讀信號（RD）、寫信號（WR）、響應(yīng)信號（ACK）和中斷輸出（INT）。兩閏地址線用來選擇四個直接寄存器：

ADR1，ADR0=(0,0) 間接地址寄存器

（0，1）間接數(shù)據(jù)寄存器

（1，0）壓縮數(shù)據(jù)寄存器

（1，1）中斷控制和狀態(tài)寄存器

ADV612使用響應(yīng)信號（ACK）通知主機(jī)本次操作成功與否，響應(yīng)信號拉低表示操作成功，可進(jìn)行下一個操作。

1.4 ADV612的典型電路

ADV612的典型電路如圖2所示。

2 視頻卡的設(shè)計與實現(xiàn)

視頻卡由模擬視頻采集量化、視頻壓縮解壓縮、控制信號發(fā)生、8位到32位復(fù)用、視頻模擬輸出、PCI總線接口等多個單元模塊構(gòu)成，如圖3所示。

2.1 視頻采集量化單元

從視頻輸入插座輸入的全電視信號首先經(jīng)過該單元。該單元先對模擬信號進(jìn)行嵌位和抗混疊濾波。經(jīng)過濾波的信號送A/D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字視頻進(jìn)入 Y/C分離電路進(jìn)行Y/C分離。分離的Y、UV信號分別送入亮度控制和色度對比度控制電路。在亮度控制電路與色度控制電路中，亮度和色度的信號電平根據(jù)用戶預(yù)設(shè)值得到增強或削弱。經(jīng)過亮度色度處理過的Y、U、V信號在YUV到Y(jié)crCb的轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換成國際標(biāo)準(zhǔn)的CCIR601的視頻數(shù)據(jù)流輸入到視頻壓縮解壓縮單元。視頻采集量化單元框圖如圖4所示。

2.2 視頻模擬輸出單元

進(jìn)入該單元的視頻信號經(jīng)過YcrCb到Y(jié)UV轉(zhuǎn)換電路，由YcrCb信號轉(zhuǎn)化成Y、UV信號分別輸出。Y信號進(jìn)入同步電路疊加視頻同步信號，UV信號進(jìn)入峰值電路加入峰值信號。加入視頻同步的Y信號和加入峰值的UV信號在混合電路混合，YUV數(shù)字視頻經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為模擬全電視信號，從模擬口輸出。視頻模擬輸出單元如圖5所示。

視頻采集量化單元與視頻模擬輸出單元都需要主機(jī)設(shè)定控制字，控制視頻信號的處理過程，如亮度、色度電平控制，帶通濾波的頻帶選擇等。視頻采集量化單元與視頻模擬輸出單元的控制接口均采用IIC總線接口，且兩個單元都是IIC總線的從設(shè)備。IIC總線是由飛利浦公司開發(fā)的串行總線，通過一根時鐘線和一根數(shù)據(jù)線，總線上的IIC主設(shè)備就可以與IIC從設(shè)備通信。視頻卡用89C51單片機(jī)的兩個串口模擬IIC總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線，單片機(jī)的控制信號由控制發(fā)生電路產(chǎn)生。

2.3 視頻壓縮解壓縮單元

視頻壓縮解壓縮單元由ADV612和一片256K×16Bit的DRAM構(gòu)成，完成數(shù)字視頻的編解碼。ADV612的主機(jī)接口直接掛接在PCI接口單元的用戶總線上。ADV612的片內(nèi)FIFO通過PCI接口電路映射主機(jī)內(nèi)存地址空間中的一片512×32位大小的連續(xù)內(nèi)存，ADV612的直接寄存器則映射主機(jī)I/O空間的連續(xù)的4個I/O地址。ADV612 所需的RD、WR、CS、ADR1、ADR0均由控制發(fā)生電路產(chǎn)生?？刂瓢l(fā)生電路由一片EPLD完成。它翻譯PCI接口單元電路的讀寫、片選、中斷信號，并對地址信號進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生ADV612所需的片選與讀寫信號和IIC讀寫控制器89C51所需的讀寫和中斷等控制信號，同時它將89C51和 ADV612的響應(yīng)信號發(fā)給PCI接口單元電路。視頻壓縮解壓縮單元電路如圖6所示。

2.4 復(fù)用單元電路

復(fù)用單元電路由8位到32位數(shù)據(jù)復(fù)用和復(fù)用數(shù)據(jù)緩存兩部分組成，如圖7所示。

復(fù)用單元電路在視頻卡處于解壓縮狀態(tài)時才開始工作。復(fù)用電路由一片EPLD構(gòu)成，它將8位的視頻數(shù)據(jù)在視頻時鐘的驅(qū)動下復(fù)用成為32位寬度的數(shù)據(jù)。復(fù)用的目的是充分利用PCI總線的32位的數(shù)據(jù)總線。復(fù)用后的數(shù)據(jù)寫入作為數(shù)據(jù)緩存的雙口RAM中。雙口RAM的一個端口由復(fù)用電路控制，復(fù)用電路產(chǎn)生數(shù)據(jù)、地址、片選和寫信號；另一個端口的地址信號和讀信號來自PCI接口電路。當(dāng)雙口RAM中的數(shù)據(jù)量達(dá)到預(yù)設(shè)值時，EPLD發(fā)出中斷，通知主機(jī)取走雙口RAM中的數(shù)據(jù)。

2.5 PCI接口單元電路

PCI接口單元電路完成PCI總線到板上局部邏輯電路的橋接器的功能。它一方面實現(xiàn)與PCI總線接口的各種協(xié)議和規(guī)范；另一方面將PCI總線信號翻譯為對局部邏輯電路的操作，產(chǎn)生對局部邏輯的各種控制如中斷、片選、讀寫等，同時也將局部邏輯的響應(yīng)信號翻譯為PCI總線的響應(yīng)，將中斷信號轉(zhuǎn)化成為對PCI總線的中斷，通知主機(jī)局部邏輯電路需要主機(jī)參與操作。

3 壓縮卡的性能

視頻卡能夠工作在編碼和解碼兩種狀態(tài)：編碼時能夠?qū)崟r采集攝像頭從模擬視頻輸入口輸入的全電視信號，對模擬視頻信號進(jìn)行量化和壓縮；解碼時能夠?qū)崟r解壓縮主機(jī)送來的壓縮數(shù)據(jù)流，輸出的數(shù)字視頻信號可通過D/A轉(zhuǎn)換成全電視信號輸出到模擬視頻接口。壓縮卡具有如下性能：用戶可控制高清晰區(qū)域的位置和壓縮程度；精確的碼流控制，輸出壓縮碼率穩(wěn)定；高速的數(shù)據(jù)傳輸，與主機(jī)交互的峰值速率可達(dá)132MB/s。小波壓縮解壓縮卡的性能參數(shù)的大范圍可調(diào)使系統(tǒng)可在各種不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬下工作。表1為視頻卡性能參數(shù)表。

表1 視頻卡性能參數(shù)表