一種基于DSP的視頻圖像壓縮系統的設計

在嵌入式微處理器中，DSP以其算法密集性著(zhù)稱(chēng)，特別適合復雜算法處理的應用。而在數字視頻圖像處理系統中需要用到對圖像的實(shí)時(shí)分析、壓縮、解壓等大量的處理運算，利用DSP作為其嵌入式平臺，可以發(fā)揮其性能優(yōu)勢，實(shí)時(shí)滿(mǎn)足圖像處理需要。

2 靜止圖像的國際壓縮編碼標準JPEG

JPEG(Joint Photographic Experts Group)是國際標準化組織(ISO)在1991年提出，作為面向連續色調(包括灰色和彩色)靜止圖像的編碼標準。JPEG算法定義了4種運行模式：

①基于DCT順序型模式。按照從左到右、從上到下對圖像進(jìn)行掃描和編碼，稱(chēng)為基本系統。

②基于DCT遞增模式。指對一幅圖像按照從粗到細進(jìn)行編碼，適合于傳輸時(shí)間長(cháng)、用戶(hù)喜歡圖像從粗糙到清晰的應用場(chǎng)合。

③無(wú)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。以各種分辨率對圖像進(jìn)行編碼，按照不同的應用要求，可以獲得不同分辨率或不同質(zhì)量的圖像。本系統采用基本系統模式。圖1和圖2分別是JPEG的編碼和解碼方框圖。

3 硬件系統設計

本系統設計的便攜式圖像壓縮板能直接掛在攝像頭的視頻輸出端，在現場(chǎng)對全電視信號進(jìn)行采集、變換和編碼，再以USB方式將處理后的圖像數據傳給微型計算機。系統原理框圖如圖3所示，以TI公司的TMS320VC5402數字信號處理器為核心，包括視頻采集電路、擴展存儲器、擴展輸出端口、SAA7110控制電路、電平轉換電路以及USB電路等。

系統中TMS320VC5402為中央處理器：SRAM為DSP片外擴展數據存儲器；EPROM為脫機工作時(shí)的程序存儲器，用于存儲系統的引導程序和其他應用程序；幀存儲器用于存儲采集到的原始圖像以及算法處理的中間結果；攝像頭及圖像A／D部分負責拍攝環(huán)境圖像并轉換為數字信號存入幀存儲器；地址譯碼、圖像采集系統控制電路產(chǎn)生本系統各部分的地址譯碼信號，使之映射到不同的地址區域，并控制圖像A／D轉換器進(jìn)行圖像采集。

3.1 視頻采集電路設計

視頻信號的采集電路很多，其基本工作方法可分為兩種：獨立采集法和處理器采集法。前者采用專(zhuān)用圖像采集器件，自動(dòng)完成圖像采集、存儲器地址生成以及圖像數據的存儲和刷新，除了對采集模式進(jìn)行設定外，處理器不參與采集過(guò)程，這種方法的特點(diǎn)是采集過(guò)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，但電路較復雜，成本較低。而后者采用普通視頻A／D轉換器和幀存儲器實(shí)現圖像的采集。整個(gè)采集過(guò)程在CPU的控制下完成，由CPU啟動(dòng)A／D轉換、讀取A／D轉換數據、將數據存入幀存儲器等，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。本系統采用第一種方案，即采集電路由專(zhuān)用圖像采集器件SAA7110和相應的外接電路等組成。

專(zhuān)用視頻圖像編解碼器SAA7110可以提供16位的數據接口，通過(guò)I2C接口選擇訪(fǎng)問(wèn)和控制SAA7110內部不同寄存器的數據。通過(guò)此接口，由51單片機設置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、色調處理等信息，以便為DSP調整壓縮效果提供依據。

SAA7110有6個(gè)模擬信號輸入通道，2個(gè)8-bit視頻CMOS模數轉換電路，具有完全可編程靜態(tài)增益和自動(dòng)增益控制電路，針對PAL、NTSC和SE-CAM提供亮度、色調信號處理，對所有電視信號標準提供水平和垂直方向上的同步偵測，為PAL制式提供UV信號延遲線(xiàn)來(lái)糾正色調相位誤差，在YUV總線(xiàn)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(hù)可編程亮度控制能有效矯正光學(xué)偏差，對所有制式要求采用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(xiàn)提供亮度色飽和度(BCS)控制。

3.2 USB傳輸電路設計

USB傳輸電路的目的是將DSP處理好的圖像信息通過(guò)USB總線(xiàn)傳送給PC進(jìn)行處理和保存。本系統采用Philips公司的ISP1581 USB接口電路，該器件符合USB2.0規范，數據傳輸速率達到480 Mb／s。能夠滿(mǎn)足圖像數據傳輸要求，同時(shí)可通過(guò)主機向下發(fā)送指令和接收數據。ISP1581與TMS320VC5402的通信通過(guò)一個(gè)高速的通用并行接口實(shí)現。

TMS320VC5402外部存儲器接口使用16位數據線(xiàn)。ISP1581也可配置為16位數據線(xiàn)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(xiàn)，可直接與TMS320VC5402地址線(xiàn)的低8位連接，使用CSO片選空間。因為ISP1581相對TMS320VC5402來(lái)說(shuō)是低速設備，所以在應用中使用了READY接口信號。

TMS320VC5402具有豐富的I／O口資源，與ISP1581的控制信號接口十分方便。在設計中，選擇TMS320VC5402的GPIOF7產(chǎn)生ISP1581的復位信號，在需要ISP1581復位時(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，執行相應的功能。TMS320VC5402和ISP1581及PC的接口電路如圖4所示。

4 軟件系統設計

本系統的主要功能是對監控現場(chǎng)的全電視信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，然后對圖像數據進(jìn)行編碼壓縮并通過(guò)USB總線(xiàn)將圖像數據傳送給主機。

系統的主程序流程如圖5所示，可分為初始化、圖像采集、壓縮編碼和數據傳輸4個(gè)主要模塊。

系統上電或復位后，DSP在收到主機的命令之前按缺省模式執行圖像采集和編碼壓縮，收到主機命令后按命令要求執行圖像采集和編碼壓縮；在圖像采集和壓縮編碼過(guò)程中，DSP不停地檢測總線(xiàn)，以便及時(shí)正確地發(fā)現主機命令。DSP接收到主機命令后，應盡快發(fā)送圖像壓縮數據，以盡量減少主譏的等待時(shí)間。

5 結束語(yǔ)

實(shí)踐證明：本系統具有成本低、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)現了圖像數據的高速傳輸。