智能大廈視頻圖像數字壓縮系統設計

　　智能大廈是現代建筑與高新信息技術(shù)相結合的產(chǎn)物。1984年，美國康奈涅格州哈特福德市建成了世界首座智能大廈，次年日本東京的一座智能大廈相繼建成，從而智能大廈引起了世界各國的關(guān)注。當前，我國興建智能大量的熱潮方興未艾，其中圖像信號處理器的設計至關(guān)重要。傳統的以模擬電子技術(shù)為核心的監控系統，由于攝像頭傳出的圖像信息量大，直接對圖像進(jìn)行記錄需要過(guò)多的錄像帶，很難實(shí)現計算機聯(lián)網(wǎng)傳輸、信息共享的需求。采用相關(guān)編碼技術(shù)對圖像進(jìn)行壓縮，在系統中實(shí)現實(shí)時(shí)存儲和傳輸是現代智能大廈的迫切要求。但是，圖像壓縮所采用的方法一般比較復雜，運算工作量大，單憑軟件實(shí)現圖像壓縮難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)的要求，一般要借助硬件來(lái)提高運算速度以滿(mǎn)足圖像實(shí)時(shí)壓縮。正是在這種情況下，本文提出了改進(jìn)的視頻圖像小波壓縮算法，設計了基于高速數字處理芯片DSP-C6201的硬件平臺，并在此平臺上改進(jìn)的小波壓縮算法進(jìn)行編程，實(shí)現了智能大廈監控系統不等清晰度視頻圖像壓縮。

　　1 圖像壓縮技術(shù)[6]

　　近年來(lái)涌現的諸多圖像壓縮算法中，最具有途的是基于塊分類(lèi)的分形編碼和基于小波變換的零樹(shù)編碼。分形壓縮的理論依據是Barnsley等人提出的迭代函數系統（IFS）理論和拼貼定理。它實(shí)質(zhì)上是把數量最少且匹配最好的多個(gè)壓縮仿射變換找出來(lái)，取出其參數，如果其參數復雜性低于原圖像，便實(shí)現了壓縮。另一個(gè)引人注目的壓縮算法是基于小波變換的零樹(shù)編碼。圖像經(jīng)過(guò)小波變換后生成的系數數據總量與原圖像的數據量相等，即小波變換本身并不是有壓縮功能，之所以將它用于圖像壓縮，是因為生成的小波系數具有能量集中性、重要系數的群集性、各分量系數之間的相似性和分量系數幅度的衰減性等適合分類(lèi)壓縮的特性?；谏喜ㄗ儞Q的零樹(shù)編碼方案充分有效地利用了小波的頻率分布特點(diǎn)，不會(huì )像分形那樣產(chǎn)生明顯的方塊效應，而且易于軟硬件實(shí)現，適合多類(lèi)圖像的壓縮。這一類(lèi)算法的典型代表是Shapiro提出的嵌入式零樹(shù)編碼（EZW）。但是，Shapiro方案一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是將不同級別的系數在判斷重要系數時(shí)給予同等的考慮。本文在Shapiro方案的基礎上提出了基于PSWTC（priority set wavelet tree coding）的改進(jìn)的小波壓縮方案克服了這一缺點(diǎn)，解決了不同大小不同級別的小波系數重要性判斷的方法問(wèn)題。PSWTC結果的PS系數分布有明顯的規律性，級別高的個(gè)數少，級別低的個(gè)數多，呈金字塔分布，說(shuō)明PSWTC很好地實(shí)現了零樹(shù)編碼方案的基本原則。與EZW相比較，PSWTC的計算復雜性要小，占用的存儲空間小，耗費的時(shí)間短，容易實(shí)現快速壓縮，克服了傳統小波圖像編碼中存在的費時(shí)費力的缺點(diǎn)[4][5]。PSWTC算法的具體步驟是： （1）低頻系數暫不理會(huì )，置所有最高級節點(diǎn)為待分系數，構成待分系數集。 （2）設置門(mén)限，設初始閾值為T(mén)=Tmax=2%26;#215;exp{「log2Max「|X|」」},“「」”表示取整操作符，X是除低頻系數外的全部小波系數。 （3）根據門(mén)根比較判斷待分系數的重要性輸出Sn,n=1。重要則輸出1，不重要則輸出0。系數重要性由其小波對集合的重要性決定。 （4）按之字形順序把所有重要系數加入優(yōu)先集（priority，簡(jiǎn)稱(chēng)PS）Xi,i=1，把它們從待移系數的中刪除，并按之字形順序填入它們的子女。 （5）閾值減辦，T=T/2，跳到第3步，逐次形成優(yōu)先集Xi,i=2、3…，直到閾值達到一個(gè)預定的最小門(mén)限值或待分系數沒(méi)有節點(diǎn)存在為止。 在此基礎上給出了按小波變換→系數分類(lèi)→熵編碼順序的圖像壓縮方法。

　　2 硬件設計

　　模擬視頻信號經(jīng)高速A/D采樣后轉換成數字視頻信號。數字視頻信號由奇數場(chǎng)信號和偶數場(chǎng)信號兩路信號組成，奇數場(chǎng)信號和偶數場(chǎng)信號按照上述改進(jìn)的小波壓縮方案進(jìn)行圖像壓縮。采用TI公司的含多處理單元的C6201定點(diǎn)處理器，該處理器可采用50MHz或100MHz的工作頻率，經(jīng)內部倍頻后升至200MHz，每秒可完成1.6G次操作。其內部含有具備超長(cháng)指令字處理能力的CPU和8個(gè)功能單元，故而它可在個(gè)時(shí)鐘周期內執行8條指令，芯片運算能力顯著(zhù)提高，再加之其良好的外部RAM接口和16bit的主機接口以及四通道的DMA功能，就使其成為高速運算的首選芯片[2][3]，該系統的硬件結構[1]如圖1所示。本系統擬采用三片C6201，一片負責奇場(chǎng)圖像的壓縮和存儲，一片負責偶場(chǎng)圖像的壓縮和存儲，一片主C6201負責一幀壓縮圖像的存儲、判斷和通訊，其工作原理如下： （1）待處理視頻信號首先送入A/D處理模塊。A/D模塊由視頻同步分離電路、直流恢復電路、鎖相環(huán)時(shí)鐘電路和高速視頻模擬/數字轉換器組成。待處理視頻信號經(jīng)同步分離電路，分離出行場(chǎng)同步信號和奇偶場(chǎng)信號，將行場(chǎng)同步和奇偶現場(chǎng)信號送給CPLD作為時(shí)間基準信號。同時(shí)，待處理視頻圖像信號經(jīng)直流恢復電路恢復它的直流分量，再經(jīng)模數轉換成數字信號。 （2）轉換后的數字信號先由雙口存儲器緩存。CPLD通過(guò)邏輯綜合，為雙口RAM（DPRAM）產(chǎn)生寫(xiě)入地址和讀寫(xiě)控制信號，使得A/D變換的數據按照要求存入以口RAM中。再由2片C6x(Odd-C6x和Even-C6x)分別讀取，奇場(chǎng)信號由Odd-C6x讀取、偶場(chǎng)信號由Even-C6x讀取。雙口RAM采用16行緩存，2片C6x（Odd-C6x和Even-C6x）每隔16行讀取一次。當雙口RAM存完16行后，CPLD給Odd-C6x或Even-C6x發(fā)出中斷信號，則Odd-C6x或Even-C6x讀取已存的16行數據。 （3）當Odd-C6x或Even-C6x處理器收到CPLD發(fā)出的中斷信號后，立即響應外部中斷并給CPLD一個(gè)中斷響應信號，CPLD通過(guò)邏輯運算將Odd-C6x或Even-C6x與DPRAM間的緩存器接通，由Odd-C6x或Even-C6x內部的DMA控制器以DMA方式將相應DPRAM內數據讀入Odd-C6x或Enen-C6x并對圖像數據進(jìn)行壓縮，將壓縮后的結果存入SBSRAM，并將一些壓縮參數傳送給Main-C6x以便進(jìn)一步分析與片。整個(gè)系統的硬件結構如圖2所示。 　　

　　該硬件系統可以對高分辨率768%26;#215;576的視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集壓縮，壓縮卡最高數據處理速度是200Mbps。若多個(gè)攝像頭同時(shí)進(jìn)行數據采集壓縮，可采用多路壓縮單機并行陣列式結構。在圖像壓縮前，還可根據用戶(hù)的要求，對目標進(jìn)行粗檢測識別，只對感興趣區域進(jìn)行壓縮，或進(jìn)行不等壓縮比的壓縮，不僅可提高壓縮比，還能盡可能多地保留感興趣區域的圖像細節。 用TMS320C6201作為高速信號處理器，采用高效的小波算法對采集到的視頻信號進(jìn)行數字化壓縮，取得了很好的效果。

　　實(shí)驗結果表明，它的壓縮效果較之EZW算法有明顯的改進(jìn)，恢復圖像的PSNR提高0.22～1.01dB，最大灰度誤差平均小了2個(gè)灰階，恢復結果更清楚，失真也更小，而且在大壓縮比的情況下明顯優(yōu)于SPIHT（SPIHT壓縮方法是EZW的改進(jìn)，在壓縮速度和圖像恢復質(zhì)量方面均有所提高，是至今為止恢復圖像峰值信噪比最高的算法之一）。由此研制成的數字監控系統已成功用于某智能大廈。此數字監控系統具有操作簡(jiǎn)單、報警及時(shí)、回放快速、圖像清晰、壓縮比高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)系統具有獨立性強、高度保密、壓縮比高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)系統具有獨立性強、高度保密、多路同時(shí)捕獲、預覽時(shí)每路均能達到25fps/s的高速度等特性。它提供全天的時(shí)間設置，60G的標準硬盤(pán)可存儲一周的數據。該系統的研制成功為監控系統的數字化打下了堅實(shí)的基礎。