與圖像編碼器相連的具有畫(huà)面分割功能的模塊設計

一般畫(huà)面分割器將分割后的數字圖像轉換成復合視頻信號輸出,若要和圖像編碼器相連，實(shí)現數字圖像編碼,還得進(jìn)行模數變換和視頻解碼，因此視頻信號經(jīng)歷了二次ad和da轉換以及視頻信號的編解碼，不但增加了成本和復雜度，還降低了圖像質(zhì)量。論文提出了將圖像分割電路與數字圖像壓縮編碼電路有機地結合在一起的設計方案和實(shí)現方式,簡(jiǎn)化了電路,提高了圖像清晰度。

關(guān)鍵詞： 畫(huà)面分割 視頻編碼 圖像監控

在圖像傳輸時(shí)，特別是在圖像監控場(chǎng)合，常需要同時(shí)傳輸多路圖像，但由于以前一般采用較低分辨率進(jìn)行圖像傳輸，畫(huà)面分割后，每個(gè)子畫(huà)面的圖像質(zhì)量太差，很少采用畫(huà)面分割，即使需要畫(huà)面分割，一般采用專(zhuān)門(mén)的畫(huà)面分割器，將畫(huà)面分割后合成的模擬視頻信號送入圖像編碼器。國外有些公司已研發(fā)出這種專(zhuān)門(mén)芯片 ，是將幾路要合成的視頻信號通過(guò)某些運算（如濾波，抽取等）放入sdram存儲器中，再將合成以后的視頻數據輸出。不過(guò)若需要分割的畫(huà)面較多，則要求芯片的處理速度很快或采用芯片復用技術(shù)（即幾個(gè)專(zhuān)用芯片合用以實(shí)現更多畫(huà)面的分割），否則一般較難實(shí)現9或16分割的實(shí)時(shí)顯示。這種采用專(zhuān)用畫(huà)面分割器的實(shí)現方式，是將數字化并畫(huà)面分割處理后的圖像數據轉換為模擬的復合視頻信號，再由圖像編碼器進(jìn)行模數變換和視頻編解碼，視頻信號經(jīng)歷了多次的ad和da轉換以及視頻信號編解碼，不但增加了成本和復雜度，還降低了圖像質(zhì)量。我們設計的畫(huà)面分割模塊將圖像分割電路與數字圖像壓縮編碼電路有機地結合在一起，實(shí)現具有圖像分割功能的數字圖像編碼器；由于分屏形成的數字信號直接輸入圖像壓縮編碼電路，從而簡(jiǎn)化了電路、降低了成本，更重要的是增加了圖像清晰度。而且利用此模塊能對數字視頻信號進(jìn)行各種處理，通過(guò)可編程邏輯器件的編程還可以控制各個(gè)存儲芯片的輸出，以實(shí)現任意分割，畫(huà)中畫(huà)，osd（on screen display）等功能。

1 模塊的基本原理

各路模擬視頻信號經(jīng)視頻解碼芯片解碼并數字化后，并將圖像畫(huà)面縮小后的8位數字視頻數據送入相應緩沖存儲器，存儲控制電路根據視頻解碼芯片輸出信號同步控制信號和所需要的分割方式，產(chǎn)生對緩沖存儲器的讀控制信號，使得n路緩沖存儲器輸出的數字視頻數據分時(shí)出現在數據總線(xiàn)上，從而形成了n路合成的ccir601或ccir656格式 的數字視頻信號，符合圖像編碼模塊的接口標準，然后經(jīng)過(guò)圖像壓縮編碼電路進(jìn)行圖像壓縮編碼，再經(jīng)過(guò)通信接口電路進(jìn)行遠程傳輸。圖像壓縮編碼電路，對合成后的視頻數據流進(jìn)行壓縮編碼，同時(shí)完成音頻信號的壓縮編碼；通信接口電路，實(shí)現圖像、聲音、控制及其它信號的打包、復接及解復接和收發(fā)，可以采用以太網(wǎng)、isdn、e1或e2通信方式。當然也可以直接接上編碼芯片（如philps的saa7185），以組成專(zhuān)門(mén)的圖象分割器，實(shí)現圖象的本地監控。

2 設計實(shí)現方式 圖2是我們設計畫(huà)面分割電路主要連線(xiàn)圖，下面我們說(shuō)明各個(gè)模塊的功能及具體的實(shí)現方式。

2．1 視頻解碼電路 視頻解碼電路用于對來(lái)自攝像機的各路視頻信號的數字化。視頻流經(jīng)視頻解碼芯片的模擬視頻 輸入端口輸入，經(jīng)解碼芯片輸出數字視頻信號。解碼芯片可采用有ccir601或ccir656格式數字視頻輸出的集成電路（如philips的saa711x系列或adi、conexant）；這里我們使用philips的saa7114視頻解碼芯片 。視頻解碼芯片saa7114具有6個(gè)模擬信號輸入端，2個(gè)模擬信號處理通道和2個(gè)模擬的反混疊濾波器，2個(gè)9位模/數轉換器（adc），可以輸出經(jīng)縮放的8位數字格式yuv（4：2：2，4：1：1，4：2：0和4：1：0）信號，和saa7113相比較，它增加了縮放功能，這也是實(shí)現畫(huà)面分割的關(guān)鍵之一?？赏ㄟ^(guò)i2c總線(xiàn)控制其工作方式，如選擇輸入信號通道，調節信號的處理通道的增益，亮度，對比度和飽和度等。而且在垂直消隱期（vbi）可以進(jìn)行圖文（text）在屏顯示的前端控制。所以可用單片機(如atmel公司的at90s8515 )通過(guò)i2c總線(xiàn)(由io引腳仿真形成的數據線(xiàn)sda和時(shí)鐘線(xiàn)scl組成)設置視頻解碼芯片的相關(guān)寄存器來(lái)實(shí)現畫(huà)面的縮小，這樣使得輸入各路的緩沖存儲芯片的數字視頻信號是壓縮的數字視頻信號。視頻解碼芯片的8位數字視頻輸出信號直接與緩沖存貯器的8位數據輸入信號相連，相關(guān)的時(shí)鐘和場(chǎng)行同步信號和各路的緩沖存儲芯片的寫(xiě)控制信號線(xiàn)相連，這樣來(lái)自每一路視頻解碼芯片的視頻數據被完全寫(xiě)入相應的緩沖存貯器。而且此時(shí)解碼芯片實(shí)現了畫(huà)面的縮放功能，導致產(chǎn)生的行同步信號為非標準行同步信號，所以在可編程邏輯器件中用時(shí)序邏輯電路來(lái)產(chǎn)生標準的行同步信號 ，供后端的編碼模塊使用。

2．2 緩沖存儲模塊（fifo） 緩沖存儲器，用于保存來(lái)自視頻解碼芯片的經(jīng)縮小或放大后的一場(chǎng)視頻數據?？刹捎秒p端口的先進(jìn)先出（fifo）存儲器作緩沖存儲器，通過(guò)視頻解碼芯片的行場(chǎng)同步信號對fifo的寫(xiě)入允許和寫(xiě)復位指針進(jìn)行控制，實(shí)現寫(xiě)入畫(huà)面縮小后的數字圖像數據。同時(shí)通過(guò)存儲控制電路對幾個(gè)fifo的讀出允許和讀復位指針進(jìn)行控制，實(shí)現各緩沖存貯器的輸出數字視頻數據以總線(xiàn)方式分時(shí)輸出，從而實(shí)現了畫(huà)面的拼接。而且各獨立緩沖存貯器中的數據讀取時(shí)鐘可采用第一路視頻解碼芯片的時(shí)鐘，也就是讀取各個(gè)獨立緩沖存貯器的數據的時(shí)鐘是一樣的，保證了各路數據的同步讀出，形成正確的畫(huà)面分割后的視頻數據流。緩沖存儲器可采用高速存儲器集成電路(如sdram、fifo、雙口ram、場(chǎng)緩沖存儲器)，但采用fifo型場(chǎng)緩 ，有較簡(jiǎn)單的控制電路。

2．3 邏輯控制模塊 邏輯控制模塊由可編程邏輯器件實(shí)現，它是整個(gè)畫(huà)面分割模塊核心部位。它利用來(lái)自各視頻解碼電路的同步信號和時(shí)鐘信號，并根據畫(huà)面分割要求，用時(shí)序邏輯電路產(chǎn)生各緩沖存儲器進(jìn)行讀寫(xiě)允許和讀指針復位控制信號，保證各路的8位數字視頻數據在總線(xiàn)上的分時(shí)輸出，時(shí)鐘信號和用時(shí)序邏輯電路產(chǎn)生的行場(chǎng)同步信號供圖像編碼模塊中的編碼芯片的時(shí)鐘信號和行場(chǎng)同步信號使用，從而形成合成的ccir601或ccir656格式的數據流，即滿(mǎn)足圖像編碼模塊的接口要求，完成圖像的分屏拼接。存儲控制電路可用一片可編程邏輯電路(如cpld、fpga)。編程邏輯設計主要包括3大模塊：數字視頻流的寫(xiě)入緩沖存儲器的控制模塊，分割模式和視頻通路選擇的模塊，從各緩沖存儲器讀出的數字視頻數據在總線(xiàn)上分時(shí)輸出的控制模塊。編程語(yǔ)言可用vhdl語(yǔ)言。如果可編程邏輯器件容量許可的話(huà)，可以實(shí)現更多畫(huà)面的合成，或者通過(guò)幾個(gè)可編程邏輯器件來(lái)實(shí)現。若選用fpga ，由于其內部延時(shí)并不能很好的控制，尤其在占用資源較大的時(shí)候。所以在選用芯片的時(shí)候，盡量選擇容量較大的芯片，盡可能地減少內部線(xiàn)路延時(shí)，以避免時(shí)序上的混亂。

3, 結束語(yǔ)

隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，尤其是在剛剛步入21世紀的今天，圖像監控一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)應用技術(shù)。我們研制開(kāi)發(fā)的圖像分割器將圖像分割電路與數字圖像壓縮編碼電路有機地結合起來(lái)，既降低成本又提高圖像質(zhì)量。實(shí)踐證明本新產(chǎn)品在廣泛應用的電力安防，保安，生產(chǎn)管理，銀行等場(chǎng)合中得到很好的圖像效果。