基于小波理論實時壓縮解壓縮芯片ADV611實現(xiàn)實時監(jiān)控的方法

為了使視頻圖像獲得較好的主觀效果，視頻信號壓縮方案的選擇尤為重要。美國AD公司新推出的基于小波理論實時壓縮解壓縮芯片ADV611能較好地實行視頻信號壓縮，用該芯片實現(xiàn)的圖像壓縮具有壓縮可調(diào)范圍大，壓縮質(zhì)量高等優(yōu)點。

　　?

　　本文用ADV611實現(xiàn)了多路實時監(jiān)控、實時存儲，有選擇性地回放某一路、某一段時間圖像的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，而且每路都能滿足25幀/s的視覺要求，同時用高分辨率的顯示墻作為實時監(jiān)控視頻顯示部分(分辨率大于700 dpi)，從而在圖像質(zhì)量、壓縮比、回放速度、監(jiān)控等方面具有一定的先進(jìn)性。

　　1 ADV611結(jié)構(gòu)特性及工作原理

　　1.1 ADV611特性簡介

　　ADV611是一種低價、單片、低功耗、全數(shù)字的CMOS超大規(guī)模集成電路。工作溫度范圍是10~70

　　℃。該芯片不僅集成了視頻編碼/解碼算法，還提供了數(shù)據(jù)壓縮效果的實時調(diào)節(jié)手段，數(shù)據(jù)輸出速率可以靈活控制。ADV611能實時地對包括PAL制式(720×288@50場/s)和NTSC制式(720×243@60場/s)在內(nèi)的視頻信號實時進(jìn)行壓縮和解壓縮。壓縮倍數(shù)從視覺無失真感的4∶1到7500∶1，

　　主要用于閉路電視。

　　1.2 ADV611內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能

　　ADV611引出了120個引腳，采用LQFP封裝。圖1是其內(nèi)部功能方框圖。整個芯片由3個接口模塊和5個數(shù)字信號處理模塊組成，它們依次是：

　　(1)數(shù)字視頻I/O接口(Digital Video I/O Port)，主要用于提供實時非壓縮視頻接口以支持不同的視頻信號格式。

　　(2)主機(jī)I/O接口(Host I/O Port)，包括32位數(shù)據(jù)總線(D0~D31)，兩位地址線(ADR1，ADR2)，片選信號(CS)，讀信號(RD)，寫信號(WR)，響應(yīng)信號(ACK)和中斷信號(INT)。

　　(3)外部DRAM控制器(External DRAM Manager)，控制外部DRAM的讀寫與刷新。

　　(4)小波變換核(Wavelet Kernel)，對圖像進(jìn)行小波變換時使用的內(nèi)部緩沖器。提供小波變換所需要的緩沖區(qū)，提供足夠大的空間以存儲小波變換后的數(shù)據(jù)。

　　(5)片內(nèi)變換緩沖器(On-Chip Transform Buffer)，為小波變換核提供一個內(nèi)部SRAM。

　　(6)可編程量化器(Programmable Quantizer)，用來量化小波系數(shù)，量化所需二進(jìn)制系數(shù)可由計算機(jī)或外部DSP進(jìn)行控制。當(dāng)主機(jī)控制量化系數(shù)時，主機(jī)通過對前一幀圖像子帶編碼數(shù)據(jù)的統(tǒng)計計算下一幀的量化步長，在下一幀壓縮之前，將其寫入量化步長寄存器，通過量化步長控制，主機(jī)可獲得穩(wěn)定的壓縮碼流輸出。當(dāng)利用外部DSP計算每一個頻帶的量化參數(shù)“Bin Width”時，這也是一個自適應(yīng)的實時優(yōu)化壓縮比特率的過程，ADV611的這種自適應(yīng)量化特性，即使量化導(dǎo)致比特率突變，也可以獲得幾乎恒定的壓縮比特率。

　　(7)游程編碼器(Run Length Coder)，用來進(jìn)行游程編碼，查找長字串的零，同時用短的碼子代替。

　　(8)Huffman編碼器(Huffman Coder)，用來進(jìn)行Huffman編碼，Huffman編碼器用3種固定的Huffman編碼字表燒制于ADV611的ROM中。

　　ADV611共有84個數(shù)據(jù)寄存器和若干狀態(tài)、控制字寄存器。其中，數(shù)據(jù)寄存器是片內(nèi)FIFO的映射，用于存儲經(jīng)小波變換后的圖像壓縮數(shù)據(jù)(編碼和解碼過程各需要42個)，以供自適應(yīng)量化和熵編碼進(jìn)一步數(shù)據(jù)壓縮。ADV611在片內(nèi)集成了一些狀態(tài)和控制字寄存器，它們都是間接寄存器，ADV611對它們進(jìn)行統(tǒng)一編址，主機(jī)不能直接訪問間接寄存器。為訪問片內(nèi)FIFO和間接寄存器，ADV611還設(shè)置了一組可由主機(jī)直接訪問的4個32位直接寄存器，由兩位地址線來選擇。

　　?中斷控制和狀態(tài)寄存器的高16位是控制位，設(shè)置引起ADV611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。

　　1.3 高清晰度取景框

　　?

　　ADV611具有高清晰度取景功能，允許一幀中某一矩形區(qū)域相對于其它區(qū)域有較低的壓縮比，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ADV611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，這也是ADV611特別適用于監(jiān)控場合的主要原因。

　　1.4 硬件實現(xiàn)小波變換

　　?

　　ADV611的小波變換模塊采用硬件編碼方式實現(xiàn)了基于Morlet小波的雙正交小波基(7，9)的小波變換和逆變換，每場獨立進(jìn)行子帶編碼，通過濾波將一幀視頻分成42個可分離的頻帶，然后再進(jìn)行壓縮，色度分量占總頻帶的2/3即28個頻帶，亮度分量占剩下的14個頻帶。ADV611片內(nèi)集成了一片SRAM，用作變換時的高速數(shù)據(jù)緩存，保證視頻信號能實時處理。

　　1.5 工作原理

　　? ADV611編碼時從它的數(shù)字視頻接口接收未壓縮的數(shù)字視頻信號，經(jīng)小波變換和幀抽取、送入量化器進(jìn)行系數(shù)量化、再經(jīng)游程編碼和Huffman 編碼，產(chǎn)生壓縮后的數(shù)據(jù)流，送入集成于片內(nèi)的512×32位大小的FIFO緩存區(qū)，一旦FIFO的數(shù)據(jù)量達(dá)到主機(jī)在寄存器里的預(yù)置值時，ADV611就發(fā)出中斷請求信號，從它與主處理器的接口輸出壓縮數(shù)據(jù)比特流。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)生標(biāo)準(zhǔn)的視頻分量從數(shù)據(jù)視頻接口輸出。編解碼過程如圖2所示。

　　2 用ADV611實現(xiàn)多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的方法

　　?該系統(tǒng)采用ADV611芯片，配以相應(yīng)的外圍電路，包括多路視頻信號實時采集、監(jiān)視、存儲，回放部分通道信號的電路(可選擇性地回放某一路信號，最多同時回放4路信號)。實現(xiàn)了由一臺計算機(jī)控制、存儲多路數(shù)字視頻信號的功能(目前最多可達(dá)16路)，考慮到客戶的不同要求，我們設(shè)計了2種設(shè)計方案，一種是在1塊印制電路板上實現(xiàn)2路視頻信號實時采集、存儲、回放的功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。另一種是在1塊印制電路板上實現(xiàn)4路視頻信號實時采集、存儲、回放的功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖省略。這兩種方案都是用高分辨率顯示墻作為實時監(jiān)控視頻顯示部分。

　　2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

　　?

　　ADV611支持PHILIS公司的SAA系列視頻芯片，只要附加1片SAA7111就可實現(xiàn)復(fù)合視頻信號的數(shù)字化，將攝像機(jī)輸入的PAL制式模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成符合CCIR656建議的ADV611支持的數(shù)字視頻信號，該信號送入YUV分離電路進(jìn)行亮度和色度信號分離，送入亮度控制和色度對比度控制電路，經(jīng)亮度色度處理后的YUV信號輸入到壓縮解壓縮核心單元實現(xiàn)小波變換，壓縮后的數(shù)據(jù)緩存到ADV611中的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，主機(jī)通過PCI接口單元(S5933)取走數(shù)據(jù)，S5933完成PCI總線到用戶邏輯的橋接器功能。

　　2.2 各模塊實現(xiàn)的功能

　　?

　　圖3中PCI模塊包括PCI總線和S5933的接口，S5933是PCI總線專用控制芯片，用它的FIFO通道和PASS-THRU通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸理論上都可以達(dá)到PCI總線的峰值速率，使利用ADV611實現(xiàn)多路視頻信號的實時監(jiān)控、存儲成為可能。

　　VIDIO1和VIDIO2模塊包括ADV611和SAA7111的接口，這部分主要實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后ADV611支持的數(shù)字視頻信號經(jīng)ADV611壓縮后再經(jīng)S5933存儲在主機(jī)里。

　　? PLD模塊在整個系統(tǒng)調(diào)試中起著舉足輕重的作用，它實現(xiàn)S5933和ADV611的時序配合，PLD模塊由MAX7128A組成。

　　? DECODE模塊實現(xiàn)將主機(jī)中的壓縮數(shù)據(jù)經(jīng)ADV611解壓后再經(jīng)PCI接口單元S5933送至主機(jī)，在顯示屏上回放視頻信號。

　　? FIFO模塊由74F244組成，CPU&RAM模塊用來調(diào)試和初始化作用。

　　? 在初次使用ADV611開發(fā)視頻監(jiān)控系統(tǒng)時，為調(diào)試方便，設(shè)計了這個方案，現(xiàn)在隨著開發(fā)成功，對該系統(tǒng)改進(jìn)及完善正在進(jìn)行中。

　　3 顯示部分設(shè)計

　　現(xiàn)在一般視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用在一個顯示屏上分割成多個畫面，當(dāng)畫面分割9個畫面以上時，因單路畫面太小，影響人眼視覺分辨率，大大降低了“監(jiān)控”效果，對此，本系統(tǒng)采用若干小電視屏組合成一個顯示墻的設(shè)計，電視屏可根據(jù)用戶需要監(jiān)控的場所、路數(shù)等要求自由組合，達(dá)到最佳監(jiān)控效果，這樣不但實時監(jiān)控的路數(shù)不受限制，而且每一個畫面都有高達(dá)700 dpi以上的分辨率，使監(jiān)控圖像非常清晰，顯示墻相對系統(tǒng)有一定獨立性，體現(xiàn)了模塊化設(shè)計的思想。

　　3.1 尺寸制訂

　　顯象管外型尺寸為105 mm×80 mm，偏轉(zhuǎn)線圈外經(jīng)為50 mm，印制板安裝在偏轉(zhuǎn)線圈后，印制板面積為103 mm×120 mm。

　　3.2 電源電路

　　?

　　每一個顯示器都有自己供電系統(tǒng)可獨立工作，每個組件都選擇開關(guān)電源，這是因為開關(guān)電源可以節(jié)能，不足之處是開關(guān)電源會產(chǎn)生高頻干擾，解決會有些難度，但比電源變壓器產(chǎn)生的干擾容易解決，在實驗中，將冷地和熱地遠(yuǎn)距離分開，并選擇新型的OTP224集成塊，功率達(dá)70 W。

　　3.3 掃描電路

　　?

　　選用KA2133集成電路，該集成電路除行輸出外還包含了其它掃描電路的全部功能。另外，偏轉(zhuǎn)線圈行輸出變壓器接在行輸出管發(fā)射極回路，效率高且比傳統(tǒng)的電視機(jī)線路行電流減少10%，線路簡單，省去了升壓線路。

　　4 結(jié)語

　　?

　　以上提供了用ADV611實現(xiàn)實時監(jiān)控的方法，這種方法的優(yōu)點是用硬件將小波理論用于視頻信號實時壓縮，壓縮質(zhì)量好，且壓縮比可根據(jù)用戶的要求任意選擇。系統(tǒng)可擴(kuò)展性較好，可廣泛用于銀行、公安、證券、監(jiān)獄、煤礦等領(lǐng)域。