車(chē)載圖像采集設備的壓縮系統設計

引言
目前公安、交通、銀行、緊急救護等行業(yè)的車(chē)輛很多已經(jīng)開(kāi)通了GSP定位服務(wù)。車(chē)載的GPS系統除了傳送所處位置的坐標信息之外，車(chē)輛所處環(huán)境的圖像信息，例如運鈔車(chē)的周邊圖像、救護傷員的現場(chǎng)圖像、公安巡邏的情況等都需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳回指控中心。隨著(zhù)ITS事業(yè)的發(fā)展，各個(gè)路口的交通流監控圖像也需要向交通指揮中心回傳。但是眾所周知，圖像信息具有極為龐大的數據，而移動(dòng)車(chē)輛回傳主要依賴(lài)的無(wú)線(xiàn)信道，帶寬又特別有限，因此必須對圖像進(jìn)行大比例壓縮。

車(chē)載系統無(wú)線(xiàn)傳輸的特點(diǎn)
一般地，GPS定位應用系統通常由若干個(gè)車(chē)載設備與后方中心的管理控制設備組成，車(chē)輛所采集的位置、車(chē)況及環(huán)境等信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳送回管理中心。通?？晒孟到y使用的無(wú)線(xiàn)傳輸手段有：
專(zhuān)用通信網(wǎng)，包括HF、VHF、
以及微波接力等通信方式；
900MHz或1800MHz的GSM
移動(dòng)公用通信網(wǎng)；
GPRS通信；
衛星通信；
450MHz或800MHz的集群
通信系統；
這些無(wú)線(xiàn)傳輸手段所能提供的通信帶寬大小不一，小的只有3KHz左右，大的可達幾十兆，變動(dòng)范圍很大。對于普通的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，現有的應用系統主要是基于GSM網(wǎng)或集群雙工網(wǎng)，它們所能提供的帶寬在數十KHz的量級。

車(chē)載圖像采集壓縮系統設計
壓縮系統的要求
針對上述特點(diǎn)，車(chē)載圖像采集設備壓縮系統應具有以下特點(diǎn)：
(1) 大比例壓縮：以一個(gè)數字化的NTSC電視圖像為例，其數據量約為167Mbps，要將其壓縮200~6000倍左右才能適應傳輸帶寬的情況。
(2) 多比率壓縮：由于無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)變性，一種系統所能提供的有效帶寬可能會(huì )發(fā)生變化，并且在某些情況下，必須進(jìn)行傳輸手段切換，由一種無(wú)線(xiàn)傳輸方式轉化成另一種無(wú)線(xiàn)傳輸方式，相應的可供利用的信道帶寬也會(huì )變化。采用多比例的壓縮方式可以靈活地適應信道帶寬的這種變化。
(3) 嵌入式碼流結構：這種碼流結構一方面可以便于管理中心的解碼單元進(jìn)行順序解碼，先輪廓后細節地重建圖像，以最快的速度從重建圖像中提取出所需的信息；另一方面，可以基于此實(shí)現多種壓縮比率。
由于小波圖像壓縮方法具有高壓縮比、重建圖像質(zhì)量高、多分辨率、嵌入式碼流等特點(diǎn)，因此我們運用小波方法壓縮車(chē)載設備采集的圖像。目前有一些應用系統采用計算機來(lái)完成車(chē)載設備所采集圖像的壓縮處理，體積龐大，性?xún)r(jià)比低，不引言
目前公安、交通、銀行、緊急救護等行業(yè)的車(chē)輛很多已經(jīng)開(kāi)通了GSP定位服務(wù)。車(chē)載的GPS系統除了傳送所處位置的坐標信息之外，車(chē)輛所處環(huán)境的圖像信息，例如運鈔車(chē)的周邊圖像、救護傷員的現場(chǎng)圖像、公安巡邏的情況等都需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳回指控中心。隨著(zhù)ITS事業(yè)的發(fā)展，各個(gè)路口的交通流監控圖像也需要向交通指揮中心回傳。但是眾所周知，圖像信息具有極為龐大的數據，而移動(dòng)車(chē)輛回傳主要依賴(lài)的無(wú)線(xiàn)信道，帶寬又特別有限，因此必須對圖像進(jìn)行大比例壓縮。

車(chē)載系統無(wú)線(xiàn)傳輸的特點(diǎn)
一般地，GPS定位應用系統通常由若干個(gè)車(chē)載設備與后方中心的管理控制設備組成，車(chē)輛所采集的位置、車(chē)況及環(huán)境等信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳送回管理中心。通?？晒孟到y使用的無(wú)線(xiàn)傳輸手段有：
專(zhuān)用通信網(wǎng)，包括HF、VHF、
以及微波接力等通信方式；
900MHz或1800MHz的GSM
移動(dòng)公用通信網(wǎng)；
GPRS通信；
衛星通信；
450MHz或800MHz的集群
通信系統；
這些無(wú)線(xiàn)傳輸手段所能提供的通信帶寬大小不一，小的只有3KHz左右，大的可達幾十兆，變動(dòng)范圍很大。對于普通的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，現有的應用系統主要是基于GSM網(wǎng)或集群雙工網(wǎng)，它們所能提供的帶寬在數十KHz的量級。

車(chē)載圖像采集壓縮系統設計
壓縮系統的要求
針對上述特點(diǎn)，車(chē)載圖像采集設備壓縮系統應具有以下特點(diǎn)：
(1) 大比例壓縮：以一個(gè)數字化的NTSC電視圖像為例，其數據量約為167Mbps，要將其壓縮200~6000倍左右才能適應傳輸帶寬的情況。
(2) 多比率壓縮：由于無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)變性，一種系統所能提供的有效帶寬可能會(huì )發(fā)生變化，并且在某些情況下，必須進(jìn)行傳輸手段切換，由一種無(wú)線(xiàn)傳輸方式轉化成另一種無(wú)線(xiàn)傳輸方式，相應的可供利用的信道帶寬也會(huì )變化。采用多比例的壓縮方式可以靈活地適應信道帶寬的這種變化。
(3) 嵌入式碼流結構：這種碼流結構一方面可以便于管理中心的解碼單元進(jìn)行順序解碼，先輪廓后細節地重建圖像，以最快的速度從重建圖像中提取出所需的信息；另一方面，可以基于此實(shí)現多種壓縮比率。
由于小波圖像壓縮方法具有高壓縮比、重建圖像質(zhì)量高、多分辨率、嵌入式碼流等特點(diǎn)，因此我們運用小波方法壓縮車(chē)載設備采集的圖像。目前有一些應用系統采用計算機來(lái)完成車(chē)載設備所采集圖像的壓縮處理，體積龐大，性?xún)r(jià)比低，不適合車(chē)輛安裝和應用?；趯?zhuān)用的ASIC小波圖像壓縮芯片進(jìn)行嵌入式系統設計，從而實(shí)現圖像壓縮功能則是一種發(fā)展方向。
專(zhuān)用小波圖像壓縮芯片ADV611
ADV611是一種低價(jià)、單片、多功能、全數字的CMOS—VLSI器件。ADV611支持對CCIR601數字視頻進(jìn)行高質(zhì)量實(shí)時(shí)壓縮解壓縮，壓縮倍數從視覺(jué)無(wú)失真感的4：1直至7500：1倍，并能獲得比較好的主觀(guān)視覺(jué)效果。壓縮的數據率是由輸入的數據率和被選擇的壓縮率決定的，靠與之相連接的片外DSP或主機根據當前場(chǎng)統計特性計算量化步長(cháng)值，ADV611能獲得近乎穩定的壓縮比特率，片內集成了數字視頻接口，主機接口和在片SRAM等，主要用于有線(xiàn)／無(wú)線(xiàn)遠程監控等。
ADV611的基本工作原理：編碼時(shí)從它的數字視頻接口接收未壓縮的數字視頻信號，經(jīng)小波變換和幀抽取、系數量化、游程編碼和Huffman編碼，產(chǎn)生壓縮后的數據流，送入集成于片內的512×32位大小的FIFO緩沖區，一旦FIFO的數據量達到主機在寄存器里的預置值時(shí)，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據比特流。當解壓縮時(shí)，壓縮數據從主處理器接口送入到FIFO里，然后經(jīng)過(guò)與編碼時(shí)的逆過(guò)程，數字視頻接口輸出標準的數字視頻分量。
車(chē)載圖像壓縮系統的結構框圖如圖2。

圖1 ADV611功能方框圖

圖2　 圖像壓縮系統框圖

圖像壓縮系統的設計說(shuō)明
A/D的功能是將模擬攝像機獲取的原始圖像進(jìn)行模數變換，然后將其轉化成CCIR656的數字分量視頻信號方式，送入圖像壓縮核進(jìn)行壓縮處理。本系統中，A/D芯片采用飛利浦公司生產(chǎn)的SAA7111芯片來(lái)完成此功能。SAAA7111用8比特/分量的量化精度來(lái)表示采樣信號，YCrCb的采樣比率為4:2:2。
ADV611將數字格式的視頻圖像進(jìn)行壓縮，其壓縮結果經(jīng)FIFO接口送給DSP，其壓縮比和量化因子由DSP控制，參數初始化由DSP完成。
DSP采用ADSP~2185芯片，其數據口線(xiàn)的D8~D23位與ADV611的DATA線(xiàn)相連，由于DATA口線(xiàn)共有32位，所以其高16位[31~16]與低16位[15:0]通過(guò)復用口線(xiàn)的方式與DSP相連。PF4與BE0-BE1，PF5與BE2-BE3相連，作為DSP和ADV611之間傳輸字或字節的選擇口線(xiàn)。FL[1~0]與ADR[1~0]相連，作為間接地址口線(xiàn)。
DSP在圖像壓縮系統中所起的主要作用有：(1)計算ADV611芯片進(jìn)行量化所需的量化因子，其結果反饋給ADV611進(jìn)行自適應量化；(2)計算小波圖像分解最小亮度塊的像素平方和，判斷當前場(chǎng)景的變化情況，以指導ADV611進(jìn)行有效的硬件減幀顯示。
ADV611具有硬件減幀功能，由模式控制器2的[8:4]位來(lái)設置完成，共有32個(gè)設置值。此狀態(tài)為全零則不丟棄，為1則丟棄1/2場(chǎng)，為2則丟棄2/3場(chǎng)，以此類(lèi)推，最多可達丟棄32場(chǎng)中的31場(chǎng)，即只傳送1場(chǎng)。在某些視頻監控的場(chǎng)合，在相當長(cháng)的時(shí)間內，圖像可能都沒(méi)有什么動(dòng)態(tài)的變化，或者變化極小，這樣就可以結合采集圖像場(chǎng)景變化情況的判斷，對圖像的顯示進(jìn)行調整，在圖像變化不是很頻繁的場(chǎng)合，啟用ADV611的硬件減幀功能提高圖像序列壓縮比。
本系統利用小波5級分解所產(chǎn)生的最小亮度塊值進(jìn)行場(chǎng)景變化情況的判斷，這種最小亮度塊的尺寸很?。簩τ?40×240大小的NTSC制式圖像，其最小亮度塊的尺寸為20×15；對于768×288大小的PAL制式圖像，其最小亮度塊的尺寸為24×18。通過(guò)比較兩個(gè)亮度塊值的相對變化是否超過(guò)一個(gè)固定門(mén)限T，就可以檢測出前后兩場(chǎng)的圖像發(fā)生動(dòng)態(tài)變化與否。由于是基于圖像的最小分解塊進(jìn)行比較，因此其計算復雜度小，執行時(shí)間短。

車(chē)載系統的構成和工作過(guò)程
車(chē)載系統的構成如圖3所示。采用專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)調制解調器來(lái)完成信道編碼與調制功能，圖像壓縮系統與MODEM的連接是通過(guò)ADSP2185的串行口進(jìn)行通信的，信道機的類(lèi)型可以是UP450集群系統、GSM手機或者超短波電臺。
要傳輸所采集的圖像信息時(shí)，車(chē)輛通信設備首先建立起與管理中心的無(wú)線(xiàn)通信線(xiàn)路；原始圖像通過(guò)系統的攝像設備獲取，然后進(jìn)入圖像壓縮系統進(jìn)行壓縮處理：首先經(jīng)過(guò)SAA7111芯片完成視頻格式的解碼操作，將復合視頻信號轉化為CCIR656格式的數字分量視頻信號，由ADV611進(jìn)行圖像的小波變換、抽取、濾波、量化和熵編碼，產(chǎn)生的壓縮數據結果進(jìn)入內部的FIFO緩沖區暫存；當FIFO數據量達到DSP對FIFO空間的預置值時(shí)，ADV611通過(guò)管腳向DSP發(fā)出中斷請求，DSP響應中斷后從FIFO中讀取壓縮數據流，并通過(guò)其串口送入通信系統中的調制終端，經(jīng)過(guò)信道編碼和放大后，送入信道機發(fā)射。

結語(yǔ)
基于A(yíng)DV611的車(chē)載圖像采集設備能將圖像壓縮比在4:1到7500:1的比率之間進(jìn)行調整，對于一個(gè)167Mbps的NTSC圖像來(lái)講，相當于傳輸率從44MBps到22KBps。這樣一來(lái)所能適應的無(wú)線(xiàn)傳輸手段就相當多，其圖像壓縮系統的具體壓縮比變動(dòng)范圍可以根據系統需求而靈活配置。

參考文獻
1 馬大瑋，鳳光華．基于MCU和SCA的多工數據廣播系統，2001年國際嵌入式系統學(xué)術(shù)會(huì )議文集.
2 Closed Circuit TV Digital Video Codec ADV611/ADV612, Analog Devices Company, 1999.

基金項目：本文得到重慶市應用基礎項目2002*7257資助