基于小波理論實(shí)時(shí)壓縮解壓縮芯片ADV611實(shí)現實(shí)時(shí)監控的方法

為了使視頻圖像獲得較好的主觀(guān)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(shí)時(shí)壓縮解壓縮芯片ADV611能較好地實(shí)行視頻信號壓縮，用該芯片實(shí)現的圖像壓縮具有壓縮可調范圍大，壓縮質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。

　　本文用ADV611實(shí)現了多路實(shí)時(shí)監控、實(shí)時(shí)存儲，有選擇性地回放某一路、某一段時(shí)間圖像的數字視頻監控系統，而且每路都能滿(mǎn)足25幀/s的視覺(jué)要求，同時(shí)用高分辨率的顯示墻作為實(shí)時(shí)監控視頻顯示部分(分辨率大于700 dpi)，從而在圖像質(zhì)量、壓縮比、回放速度、監控等方面具有一定的先進(jìn)性。

　　1 ADV611結構特性及工作原理

　　1.1 ADV611特性簡(jiǎn)介

　　ADV611是一種低價(jià)、單片、低功耗、全數字的CMOS超大規模集成電路。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，還提供了數據壓縮效果的實(shí)時(shí)調節手段，數據輸出速率可以靈活控制。ADV611能實(shí)時(shí)地對包括PAL制式(720×288@50場(chǎng)/s)和NTSC制式(720×243@60場(chǎng)/s)在內的視頻信號實(shí)時(shí)進(jìn)行壓縮和解壓縮。壓縮倍數從視覺(jué)無(wú)失真感的4∶1到7500∶1，

　　主要用于閉路電視。

　　1.2 ADV611內部結構及功能

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

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

　　(2)主機I/O接口(Host I/O Port)，包括32位數據總線(xiàn)(D0~D31)，兩位地址線(xiàn)(ADR1，ADR2)，片選信號(CS)，讀信號(RD)，寫(xiě)信號(WR)，響應信號(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(xiě)與刷新。

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

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

　　(6)可編程量化器(Programmable Quantizer)，用來(lái)量化小波系數，量化所需二進(jìn)制系數可由計算機或外部DSP進(jìn)行控制。當主機控制量化系數時(shí)，主機通過(guò)對前一幀圖像子帶編碼數據的統計計算下一幀的量化步長(cháng)，在下一幀壓縮之前，將其寫(xiě)入量化步長(cháng)寄存器，通過(guò)量化步長(cháng)控制，主機可獲得穩定的壓縮碼流輸出。當利用外部DSP計算每一個(gè)頻帶的量化參數“Bin Width”時(shí)，這也是一個(gè)自適應的實(shí)時(shí)優(yōu)化壓縮比特率的過(guò)程，ADV611的這種自適應量化特性，即使量化導致比特率突變，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(lái)進(jìn)行游程編碼，查找長(cháng)字串的零，同時(shí)用短的碼子代替。

　　(8)Huffman編碼器(Huffman Coder)，用來(lái)進(jìn)行Huffman編碼，Huffman編碼器用3種固定的Huffman編碼字表燒制于A(yíng)DV611的ROM中。

　　ADV611共有84個(gè)數據寄存器和若干狀態(tài)、控制字寄存器。其中，數據寄存器是片內FIFO的映射，用于存儲經(jīng)小波變換后的圖像壓縮數據(編碼和解碼過(guò)程各需要42個(gè))，以供自適應量化和熵編碼進(jìn)一步數據壓縮。ADV611在片內集成了一些狀態(tài)和控制字寄存器，它們都是間接寄存器，ADV611對它們進(jìn)行統一編址，主機不能直接訪(fǎng)問(wèn)間接寄存器。為訪(fǎng)問(wèn)片內FIFO和間接寄存器，ADV611還設置了一組可由主機直接訪(fǎng)問(wèn)的4個(gè)32位直接寄存器，由兩位地址線(xiàn)來(lái)選擇。

　　ブ卸峽刂坪妥刺寄存器的高16位是控制位，設置引起ADV611向主機發(fā)出中斷的條件，低16位是狀態(tài)位，反映觸發(fā)當前中斷的原因。

　　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域相對于其它區域有較低的壓縮比，或完全不進(jìn)行壓縮。矩形區域的位置和大小以及與背景的對比度由主機通過(guò)ADV611的主機接口輸入控制字來(lái)控制。該功能為用戶(hù)在不影響壓縮比的情況下選取某一感興趣的區域作高清晰度顯示提供了捷徑，這也是ADV611特別適用于監控場(chǎng)合的主要原因。

　　1.4 硬件實(shí)現小波變換

　　ADV611的小波變換模塊采用硬件編碼方式實(shí)現了基于Morlet小波的雙正交小波基(7，9)的小波變換和逆變換，每場(chǎng)獨立進(jìn)行子帶編碼，通過(guò)濾波將一幀視頻分成42個(gè)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(gè)頻帶，亮度分量占剩下的14個(gè)頻帶。ADV611片內集成了一片SRAM，用作變換時(shí)的高速數據緩存，保證視頻信號能實(shí)時(shí)處理。

　　1.5 工作原理

　　 ADV611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、送入量化器進(jìn)行系數量化、再經(jīng)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緩存區，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。解碼過(guò)程與之相反，壓縮數據由主機送入FIFO，解碼后產(chǎn)生標準的視頻分量從數據視頻接口輸出。編解碼過(guò)程如圖2所示。

　　2 用ADV611實(shí)現多路視頻監控系統的方法

　　ジ孟低巢捎ADV611芯片，配以相應的外圍電路，包括多路視頻信號實(shí)時(shí)采集、監視、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(shí)回放4路信號)。實(shí)現了由一臺計算機控制、存儲多路數字視頻信號的功能(目前最多可達16路)，考慮到客戶(hù)的不同要求，我們設計了2種設計方案，一種是在1塊印制電路板上實(shí)現2路視頻信號實(shí)時(shí)采集、存儲、回放的功能，系統結構圖如圖3所示。另一種是在1塊印制電路板上實(shí)現4路視頻信號實(shí)時(shí)采集、存儲、回放的功能，系統結構圖省略。這兩種方案都是用高分辨率顯示墻作為實(shí)時(shí)監控視頻顯示部分。

　　2.1 監控系統的工作原理

　　ADV611支持PHILIS公司的SAA系列視頻芯片，只要附加1片SAA7111就可實(shí)現復合視頻信號的數字化，將攝像機輸入的PAL制式模擬視頻信號轉換成符合CCIR656建議的ADV611支持的數字視頻信號，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(shí)現小波變換，壓縮后的數據緩存到ADV611中的數據緩存區，主機通過(guò)PCI接口單元(S5933)取走數據，S5933完成PCI總線(xiàn)到用戶(hù)邏輯的橋接器功能。

　　2.2 各模塊實(shí)現的功能

　　圖3中PCI模塊包括PCI總線(xiàn)和S5933的接口，S5933是PCI總線(xiàn)專(zhuān)用控制芯片，用它的FIFO通道和PASS-THRU通道進(jìn)行數據傳輸理論上都可以達到PCI總線(xiàn)的峰值速率，使利用ADV611實(shí)現多路視頻信號的實(shí)時(shí)監控、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(shí)現A/D 轉換，并將轉換后ADV611支持的數字視頻信號經(jīng)ADV611壓縮后再經(jīng)S5933存儲在主機里。

　　 PLD模塊在整個(gè)系統調試中起著(zhù)舉足輕重的作用，它實(shí)現S5933和ADV611的時(shí)序配合，PLD模塊由MAX7128A組成。

　　 DECODE模塊實(shí)現將主機中的壓縮數據經(jīng)ADV611解壓后再經(jīng)PCI接口單元S5933送至主機，在顯示屏上回放視頻信號。

　　 FIFO模塊由74F244組成，CPURAM模塊用來(lái)調試和初始化作用。

　　 在初次使用ADV611開(kāi)發(fā)視頻監控系統時(shí)，為調試方便，設計了這個(gè)方案，現在隨著(zhù)開(kāi)發(fā)成功，對該系統改進(jìn)及完善正在進(jìn)行中。

　　3 顯示部分設計

　　現在一般視頻監控系統采用在一個(gè)顯示屏上分割成多個(gè)畫(huà)面，當畫(huà)面分割9個(gè)畫(huà)面以上時(shí)，因單路畫(huà)面太小，影響人眼視覺(jué)分辨率，大大降低了“監控”效果，對此，本系統采用若干小電視屏組合成一個(gè)顯示墻的設計，電視屏可根據用戶(hù)需要監控的場(chǎng)所、路數等要求自由組合，達到最佳監控效果，這樣不但實(shí)時(shí)監控的路數不受限制，而且每一個(gè)畫(huà)面都有高達700 dpi以上的分辨率，使監控圖像非常清晰，顯示墻相對系統有一定獨立性，體現了模塊化設計的思想。

　　3.1 尺寸制訂

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

　　3.2 電源電路

　　每一個(gè)顯示器都有自己供電系統可獨立工作，每個(gè)組件都選擇開(kāi)關(guān)電源，這是因為開(kāi)關(guān)電源可以節能，不足之處是開(kāi)關(guān)電源會(huì )產(chǎn)生高頻干擾，解決會(huì )有些難度，但比電源變壓器產(chǎn)生的干擾容易解決，在實(shí)驗中，將冷地和熱地遠距離分開(kāi)，并選擇新型的OTP224集成塊，功率達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，偏轉線(xiàn)圈行輸出變壓器接在行輸出管發(fā)射極回路，效率高且比傳統的電視機線(xiàn)路行電流減少10%，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，省去了升壓線(xiàn)路。

　　4 結語(yǔ)

　　以上提供了用ADV611實(shí)現實(shí)時(shí)監控的方法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是用硬件將小波理論用于視頻信號實(shí)時(shí)壓縮，壓縮質(zhì)量好，且壓縮比可根據用戶(hù)的要求任意選擇。系統可擴展性較好，可廣泛用于銀行、公安、證券、監獄、煤礦等領(lǐng)域。