JPEG2000的近距離無線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計

摘要：采用現(xiàn)有的3G移動通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)無線視頻傳輸的方法適合遠(yuǎn)距離使用，在近距離時使用這種傳輸方式不僅費用高，而且?guī)挼貌坏奖ＷC。針對以上問題設(shè)計了一種近距離無線視頻傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采用專用的JPEG2000視頻壓縮器件ADV212來實現(xiàn)視頻壓縮；基于多外部接口和低功耗的考慮，選用Cortex-M3內(nèi)核的嵌入式處理器LPC1768對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制；無線傳輸采用nRF24LU1+來實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：無線視頻傳輸；JPEG2000；圖像采集；LPC1768

引言
    隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，無線視頻通信已經(jīng)在第三代移動通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。但是移動通信網(wǎng)絡(luò)是大眾應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)，適用于遠(yuǎn)距離視頻通信，對于近距離視頻通信(幾十米到幾百米)，不僅費用高，而且?guī)捒赡軙艿较拗?，傳輸可靠性不能得到保證。因此，我們可以采用較為成熟的近距離無線視頻通信技術(shù)。設(shè)計中采用了JPEG2000專用壓縮芯片來進(jìn)行視頻壓縮，能實現(xiàn)較高壓縮比。

1 無線視頻傳輸系統(tǒng)的組成
    無線視頻傳輸系統(tǒng)主要由視頻圖像采集模塊、JPEG2000實時壓縮模塊、控制模塊和通信模塊等組成。無線視頻傳輸結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    主要模塊介紹如下：
    ①視頻圖像采集模塊，由CMOS圖像傳感器OV7670構(gòu)成，完成圖像的采集和濾波處理；
    ②JPEG2000實時壓縮模塊，主要由JPEG2000編解碼芯片ADV212完成視頻的實時壓縮；
    ③控制模塊(LPC1768)，處理紅外觸發(fā)信號及視頻的存儲和發(fā)送；
    ④通信模塊，包括無線傳輸模塊和網(wǎng)絡(luò)適配器(可擴(kuò)展)；
    ⑤存儲器，SD存儲卡。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計
    系統(tǒng)主要包括視頻圖像采集模塊、JPEG2000實時壓縮模塊、控制模塊和無線傳輸模塊。
2．1 視頻圖像采集模塊
    視頻圖像采集由OmniVision公司的OV7670圖像傳感器完成，JPEG2000實時壓縮模塊采用ADI公司的ADV212實時壓縮芯片來實現(xiàn)。
2．1．1 OV7670
    OV7670是30萬像素CMOS VGA圖像傳感器。它具有體積小、工作電壓低等特點，可提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能；通過SC CB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)；最高幀率可達(dá)30 fps，用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式；所有圖像處理功能如伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等，都可以通過I2C總線以SCCB方式進(jìn)行配置；感光陣列為640x480，可以輸出YCbCr(4：2：2)的格式數(shù)據(jù)。
2．1．2 ADV212
    ADV212是ADI公司推出的一款用于實現(xiàn)靜態(tài)圖像壓縮最新算法標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000的專用圖像壓縮編解碼芯片。它采用SRAM工藝構(gòu)造，延遲小、功耗低、成本低。工作模式可通過設(shè)置內(nèi)部寄存器來靈活控制，適用于多種視頻和靜止圖像格式數(shù)據(jù)的壓縮處理。它主要由像素接口、小波變換引擎、熵編解碼器、嵌入式處理器、存儲器系統(tǒng)、內(nèi)部DMA引擎和外部DMA引擎等組成。單片ADV212單次壓縮最大能處理的數(shù)據(jù)量為1 MB，設(shè)計中采用YCbCr(4：2：2)格式，單幀數(shù)據(jù)量為600 KB，完全可以滿足要求。視頻圖像采集與控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    OV7670的初始化配置由控制器LPC1768通過I2C總線以SCCB方式進(jìn)行配置，可以進(jìn)行讀寫的寄存器地址范圍是00～C9H，其中很多不用進(jìn)行改寫，只需默認(rèn)值；使能信號為ENABLE=1，非使能信號為DISABLE=0；從地址0x42是寫，0x43是讀。常用的寄存器COM7(12H)是輸出格式寄存器，COM10(15H)是行場設(shè)置寄存器以及其他COM類通用控制寄存器。
    LPC1678通過設(shè)置引腳PWDN為高電平使其進(jìn)入睡眠狀態(tài)。如果有觸發(fā)信號，則進(jìn)行視頻圖像采集；視頻采集由OV7670和ADV212來完成。其中引腳PCLK為像素時鐘信號，HREF為行同步信號，VSYNC為幀同步信號，數(shù)據(jù)格式采用YCbCr(4：2：2)(8位)。這正好符合ADV212芯片要求的格式，通過OV7670的D[7：0]引腳與ADV212的VDATA[11：4]引腳來完成數(shù)據(jù)傳輸。
2．2 無線傳輸模塊
2．2．1 nRF24LU1+無線收發(fā)芯片
    nRF24LU1+是Nordic公司推出的一款將高性能射頻收發(fā)器和單片USBdongle功能結(jié)合起來的無線收發(fā)芯片。它可實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)到USB數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換，這樣就實現(xiàn)了芯片與PC機(jī)的連接。nRF24LU1+內(nèi)含1個增強型的8051內(nèi)核、無線收發(fā)模塊以及符合全速USB 2．0標(biāo)準(zhǔn)的器件控制器。VBUS(USB工作電源)工作電壓范圍為4．0～5．25 V。nRF24LU1+是單片結(jié)構(gòu)，外形尺寸為5 mm×5 mm。它的最高速率可達(dá)2 Mbps，兼容所有nRF24系列芯片；使用Enhanced Shocked Bust技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的自動打包、解包和傳輸處理(應(yīng)答／重傳)功能。nRF24LU1+外圍電路如圖3所示。

2．2．2 功率放大器PA和低噪接收放大器LNA
    單獨采用nRF24LU1+芯片只能實現(xiàn)近距離的無線通信，范圍最多幾十米。為了增加無線視頻傳輸?shù)木嚯x，大約幾百米的無線通信就需要加入功率放大器PA。從數(shù)據(jù)通信距離考慮，還需要增加芯片輸入端的接收靈敏度，選用合適的低噪接收放大器LNA和濾波器就成為必然。設(shè)計中選擇Maxim公司生產(chǎn)的MAX2240和MAX2644。功放和低噪接收電路如圖4所示。

    MAX2240芯片是專為2．4～2．5 GHz頻段的應(yīng)用設(shè)計而開發(fā)的，它符合Bluetooth、HomeRF、IEEE802．11b標(biāo)準(zhǔn)以及其他FSK調(diào)制系統(tǒng)的要求。MAX2644是一款專門為WLAN、Bluetooth等工作在2．4 GHz頻段內(nèi)的設(shè)備而設(shè)計的高三階交調(diào)點的低噪聲放大器。放大電路中，微波開關(guān)采用的是Hittite公司生產(chǎn)的低成本SPDT微波開關(guān)，型號為HMC545。該開關(guān)特別為3G和ISM頻段工作的設(shè)備設(shè)計，其插入損耗非常小只有0．25 dB。HMC545采用SOT封裝，體積小，可采用CMOS或TTL電平控制。利用nRF24LU1+芯片的VDD_PA引腳可控制無線發(fā)送和接收功能的切換。
2．3 核心控制器LPC1768
2．3．1 LPC1768功能介紹
    系統(tǒng)的主控制器采用LPC1768，它采用Cortex-M3內(nèi)核，可提供系統(tǒng)增強型特性，用于滿足要求高度集成和低功耗的嵌入式應(yīng)用。Cortex -M3控制器的操作頻率可達(dá)100 MHz，具有三級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)；帶有獨立本地指令、數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的性能稍低的第3條總線，還包含一個支持隨機(jī)跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取值單元。LPC1768系列Cortex-M3微控制器的外設(shè)組件包括512 KB的Flash存儲器、64 KB數(shù)據(jù)存儲器、以太網(wǎng)MAC、USB主機(jī)／從機(jī)／OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4個UART接口、2條CAN通道、2個SSP控制器、SPI接口、3個I2C接口、2輸入和2輸出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、電機(jī)控制PWM、正交編碼器接口、4個通用定時器、6輸出的通用PWM、帶獨立電池供電的超低功耗RTC和多達(dá)70個通用I／O引腳。nRF24LU1+具有SPI口，可以方便實現(xiàn)與LPC1768的連接。
2．3．2 LPC1768與ADV212的連接
    ①控制總線：ADV212支持16位和32位的總線控制。LPC1768是32位ARM控制器，所以采用32位控制總線實現(xiàn)對ADV212的配置和控制；通過LPC1768的高速GPIO口控制引腳P1[31：0]。其中ADDR[3：0]引腳為地址總線，對ADV212的直接型寄存器進(jìn)行讀寫；ADV212接收到OV7670的幀數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行JPEG2000壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)存放在ADV212內(nèi)部的CODE FIFO中。LPC1768與ADV212之間的連接采用32位正常主機(jī)模式的異步SRAM接口通信，其16個直接寄存器映射到控制器的寄存器進(jìn)行固件加載和參數(shù)配置，并從CODEFIFO中讀取壓縮視頻數(shù)據(jù)。
    ②數(shù)據(jù)總線：當(dāng)ADV212工作在JDATA模式下時，由HDATA[31：28]～JDATA[7：4]和HDATA[27：24]～JDATA[3：0]總線輸出壓縮后的JPEG20 00數(shù)據(jù)。
    ③其他：包括中斷信號、讀寫信號、復(fù)位信號、睡眠信號都與LPC1768的GPIO口相連。
2．3．3 LPC1768與SD卡的連接
    SD卡具有耐用、可靠、安全、容量大、體積小、便于攜帶和兼容性好的優(yōu)點。SD卡支持SD和SPI兩種模式通信方式。采用SPI模式時，占用較少的I／O資源。設(shè)計中采用直接與LPC1768的SPI接口的通信方式。通過4條信號線即可完成數(shù)據(jù)的傳輸，分別包括時鐘SCLK、主機(jī)輸入從機(jī)輸出MISO、主機(jī)輸出從機(jī)輸入MOIS和片詵CS。實際討程中，還需要考慮到中斷控制、電源供電控制、寫保護(hù)和卡插入位置檢測4個方面，因此還需要額外的4根通用I／O引腳來滿足該需要。LPC1768外圍電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計
    系統(tǒng)硬件設(shè)計完成之后，要進(jìn)行軟件的設(shè)計。整個設(shè)計過程中的功能器件很多，但是都進(jìn)行了模塊化設(shè)計，所以軟件方面也要進(jìn)行模塊化設(shè)計。主要分為主程序、初始化配置模塊、圖像采集壓縮控制模塊、存儲模塊和無線傳輸模塊。系統(tǒng)工作程序流程如圖6所示。

    ADV212對每個視頻幀獨立進(jìn)行JPEG2000幀內(nèi)壓縮，這樣就能方便地進(jìn)行基于幀的操作，如幀的抽取。ADV212對每幀圖像壓縮后，壓縮數(shù)據(jù)頭部都有一個特有的header標(biāo)志段，其中包含有圖像編號索引，因此LPC1768通過header可以方便地抽取該幀。程序中最為關(guān)鍵的是ADV212的初始化，也是最為復(fù)雜的，它可以配置為執(zhí)行壓縮或解壓處理，這取決于芯片復(fù)位后初始化階段所加載的固件(壓縮固件或解壓固件)。設(shè)計中是視頻壓縮，進(jìn)行壓縮編碼配置，包括壓縮算法的固件加載和編碼參數(shù)的設(shè)置。ADV212初始化流程如圖7所示。

4 視頻壓縮結(jié)果與分析
    原始圖像與JPEG2000壓縮后的圖像對比如圖8所示。

    通過圖8可以看出，基于ADV212的JPEG2000視頻壓縮系統(tǒng)可以在大壓縮比下保持較好的視頻質(zhì)量。在壓縮比為50時，圖像質(zhì)量沒有明顯下降；壓縮比為100時略有下降；在壓縮比為200時，圖像質(zhì)量有明顯下降。壓縮比為100時，800×480的一張圖像壓縮后為9．06 KB，視頻傳輸流暢的最小幀數(shù)一般為24 fps，傳輸速率最小為1．728 Mb／s，低于2 Mb／s，說明nRF24LU1+能夠滿足其需要。如果圖像質(zhì)量急劇下降，可以采用自適應(yīng)幀率的方法來適時降低幀率，以提高圖像質(zhì)量；也可以通過隔行掃描的方法來降低每幀的數(shù)據(jù)量，最后在顯示終端通過奇偶幀合成重復(fù)播放的機(jī)制來降低無線傳輸速率。

5 總結(jié)
    實驗表明，實時JPEG2000壓縮器可以用于無線視頻傳輸的實時壓縮，nRF24LU1+能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮后視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸。以專用的JPEG20 00壓縮編碼處理芯片ADV212為基礎(chǔ)構(gòu)建圖像壓縮處理是加快推廣JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)硬件化的有效途徑。