一種基于DSP的視頻圖像壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
圖像的數(shù)字化表示使得圖像信號(hào)可以高質(zhì)量傳輸，并便于圖像的檢索、分析、處理和存儲(chǔ)。但是數(shù)字圖像的表示需要大量的數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。即使采用多種方法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，其數(shù)據(jù)量仍然巨大，對(duì)傳輸介質(zhì)、傳輸方法和存儲(chǔ)介質(zhì)的要求較高。因此，作為數(shù)字圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)圖像壓縮編碼技術(shù)的研究顯得尤為有意義。
在嵌入式微處理器中，DSP以其算法密集性著稱，特別適合復(fù)雜算法處理的應(yīng)用。而在數(shù)字視頻圖像處理系統(tǒng)中需要用到對(duì)圖像的實(shí)時(shí)分析、壓縮、解壓等大量的處理運(yùn)算，利用DSP作為其嵌入式平臺(tái)，可以發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)滿足圖像處理需要。
2 靜止圖像的國際壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG
JPEG(Joint Photographic Experts Group)是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在1991年提出，作為面向連續(xù)色調(diào)(包括灰色和彩色)靜止圖像的編碼標(biāo)準(zhǔn)。JPEG算法定義了4種運(yùn)行模式：
①基于DCT順序型模式。按照從左到右、從上到下對(duì)圖像進(jìn)行掃描和編碼，稱為基本系統(tǒng)。
②基于DCT遞增模式。指對(duì)一幅圖像按照從粗到細(xì)進(jìn)行編碼，適合于傳輸時(shí)間長、用戶喜歡圖像從粗糙到清晰的應(yīng)用場(chǎng)合。
③無失真編碼模式?？杀ＷC重建圖像與原始圖像完全相同。
④分層編碼。以各種分辨率對(duì)圖像進(jìn)行編碼，按照不同的應(yīng)用要求，可以獲得不同分辨率或不同質(zhì)量的圖像。本系統(tǒng)采用基本系統(tǒng)模式。圖1和圖2分別是JPEG的編碼和解碼方框圖。
3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的便攜式圖像壓縮板能直接掛在攝像頭的視頻輸出端，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)全電視信號(hào)進(jìn)行采集、變換和編碼，再以USB方式將處理后的圖像數(shù)據(jù)傳給微型計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，以TI公司的TMS320VC5402數(shù)字信號(hào)處理器為核心，包括視頻采集電路、擴(kuò)展存儲(chǔ)器、擴(kuò)展輸出端口、SAA7110控制電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及USB電路等。
系統(tǒng)中TMS320VC5402為中央處理器：SRAM為DSP片外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；EPROM為脫機(jī)工作時(shí)的程序存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的引導(dǎo)程序和其他應(yīng)用程序；幀存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)采集到的原始圖像以及算法處理的中間結(jié)果；攝像頭及圖像A／D部分負(fù)責(zé)拍攝環(huán)境圖像并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存入幀存儲(chǔ)器；地址譯碼、圖像采集系統(tǒng)控制電路產(chǎn)生本系統(tǒng)各部分的地址譯碼信號(hào)，使之映射到不同的地址區(qū)域，并控制圖像A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行圖像采集。
3.1 視頻采集電路設(shè)計(jì)
視頻信號(hào)的采集電路很多，其基本工作方法可分為兩種：獨(dú)立采集法和處理器采集法。前者采用專用圖像采集器件，自動(dòng)完成圖像采集、存儲(chǔ)器地址生成以及圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和刷新，除了對(duì)采集模式進(jìn)行設(shè)定外，處理器不參與采集過程，這種方法的特點(diǎn)是采集過程不占用CPU的時(shí)間、實(shí)時(shí)性好、適合活動(dòng)圖像的采集，但電路較復(fù)雜，成本較低。而后者采用普通視頻A／D轉(zhuǎn)換器和幀存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)圖像的采集。整個(gè)采集過程在CPU的控制下完成，由CPU啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換、讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)存入幀存儲(chǔ)器等，其特點(diǎn)是占用CPU的時(shí)間、實(shí)時(shí)性差，不適合視頻圖像的實(shí)時(shí)采集，但電路簡(jiǎn)單、成本低。本系統(tǒng)采用第一種方案，即采集電路由專用圖像采集器件SAA7110和相應(yīng)的外接電路等組成。
專用視頻圖像編解碼器SAA7110可以提供16位的數(shù)據(jù)接口，通過I2C接口選擇訪問和控制SAA7110內(nèi)部不同寄存器的數(shù)據(jù)。通過此接口，由51單片機(jī)設(shè)置SAA7110的工作狀態(tài)和圖像壓縮效果，如圖像的總亮度、像素的最大亮度和最小亮度、色調(diào)處理等信息，以便為DSP調(diào)整壓縮效果提供依據(jù)。
SAA7110有6個(gè)模擬信號(hào)輸入通道，2個(gè)8-bit視頻CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，具有完全可編程靜態(tài)增益和自動(dòng)增益控制電路，針對(duì)PAL、NTSC和SE-CAM提供亮度、色調(diào)信號(hào)處理，對(duì)所有電視信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)提供水平和垂直方向上的同步偵測(cè)，為PAL制式提供UV信號(hào)延遲線來糾正色調(diào)相位誤差，在YUV總線上提供768／640抽樣，支持4：2：2和4：1：1的YUV輸出格式在8-bit分辨率上，用戶可編程亮度控制能有效矯正光學(xué)偏差，對(duì)所有制式要求采用26.8 MHz晶振；同時(shí)SAA7110提供實(shí)時(shí)狀態(tài)信息輸出(RTCO)，為YUV總線提供亮度色飽和度(BCS)控制。
3.2 USB傳輸電路設(shè)計(jì)
USB傳輸電路的目的是將DSP處理好的圖像信息通過USB總線傳送給PC進(jìn)行處理和保存。本系統(tǒng)采用Philips公司的ISP1581 USB接口電路，該器件符合USB2.0規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到480 Mb／s。能夠滿足圖像數(shù)據(jù)傳輸要求，同時(shí)可通過主機(jī)向下發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)。ISP1581與TMS320VC5402的通信通過一個(gè)高速的通用并行接口實(shí)現(xiàn)。
TMS320VC5402外部存儲(chǔ)器接口使用16位數(shù)據(jù)線。ISP1581也可配置為16位數(shù)據(jù)線的通用處理器連接模式，故可直接連接。ISP1581只有85個(gè)寄存器單元，使用8位地址線，可直接與TMS320VC5402地址線的低8位連接，使用CSO片選空間。因?yàn)镮SP1581相對(duì)TMS320VC5402來說是低速設(shè)備，所以在應(yīng)用中使用了READY接口信號(hào)。
TMS320VC5402具有豐富的I／O口資源，與ISP1581的控制信號(hào)接口十分方便。在設(shè)計(jì)中，選擇TMS320VC5402的GPIOF7產(chǎn)生ISP1581的復(fù)位信號(hào)，在需要ISP1581復(fù)位時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)寬度大于500μs的低電平脈沖。采用GPIOF0和GPIOF9控制EOT和WAKEUP，執(zhí)行相應(yīng)的功能。TMS320VC5402和ISP1581及PC的接口電路如圖4所示。
4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的主要功能是對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的全電視信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，然后對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮并通過USB總線將圖像數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)。
系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示，可分為初始化、圖像采集、壓縮編碼和數(shù)據(jù)傳輸4個(gè)主要模塊。
系統(tǒng)上電或復(fù)位后，DSP在收到主機(jī)的命令之前按缺省模式執(zhí)行圖像采集和編碼壓縮，收到主機(jī)命令后按命令要求執(zhí)行圖像采集和編碼壓縮；在圖像采集和壓縮編碼過程中，DSP不停地檢測(cè)總線，以便及時(shí)正確地發(fā)現(xiàn)主機(jī)命令。DSP接收到主機(jī)命令后，應(yīng)盡快發(fā)送圖像壓縮數(shù)據(jù)，以盡量減少主譏的等待時(shí)間。
5 結(jié)束語
實(shí)踐證明：本系統(tǒng)具有成本低、編程靈活和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。而且壓縮板體積小，便于攜帶安裝，能在脫機(jī)狀態(tài)下很好地完成圖像壓縮；利用TMS320VC5402獲得了很高的圖像處理速度和圖像質(zhì)量；利用USB2.0技術(shù)實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸。
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