基于小波理論實(shí)時(shí)壓縮解壓縮芯片ADV611實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)

為了使視頻圖像獲得較好的主觀效果，視頻信號(hào)壓縮方案的選擇尤為重要。美國(guó)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(hào)壓縮，用該芯片實(shí)現(xiàn)的圖像壓縮具有壓縮可調(diào)范圍大，壓縮質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。

　　本文用ADV611實(shí)現(xiàn)了多路實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，有選擇性地回放某一路、某一段時(shí)間圖像的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，而且每路都能滿足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(jiān)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(jiān)控等方面具有一定的先進(jìn)性。

　　1 ADV611結(jié)構(gòu)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(shù)字的CMOS超大規(guī)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(shù)據(jù)壓縮效果的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)手段，數(shù)據(jù)輸出速率可以靈活控制。ADV611能實(shí)時(shí)地對(duì)包括PAL制式(720×288@50場(chǎng)/s)和NTSC制式(720×243@60場(chǎng)/s)在內(nèi)的視頻信號(hào)實(shí)時(shí)進(jìn)行壓縮和解壓縮。壓縮倍數(shù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能

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

　　(1)數(shù)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(hào)格式。

　　(2)主機(jī)I/O接口(Host I/O Port)，包括32位數(shù)據(jù)總線(D0~D31)，兩位地址線(ADR1，ADR2)，片選信號(hào)(CS)，讀信號(hào)(RD)，寫(xiě)信號(hào)(WR)，響應(yīng)信號(hào)(ACK)和中斷信號(hào)(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(duì)圖像進(jìn)行小波變換時(shí)使用的內(nèi)部緩沖器。提供小波變換所需要的緩沖區(qū)，提供足夠大的空間以存儲(chǔ)小波變換后的數(shù)據(jù)。

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

　　(6)可編程量化器(Programmable Quantizer)，用來(lái)量化小波系數(shù)，量化所需二進(jìn)制系數(shù)可由計(jì)算機(jī)或外部DSP進(jìn)行控制。當(dāng)主機(jī)控制量化系數(shù)時(shí)，主機(jī)通過(guò)對(duì)前一幀圖像子帶編碼數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算下一幀的量化步長(zhǎng)，在下一幀壓縮之前，將其寫(xiě)入量化步長(zhǎng)寄存器，通過(guò)量化步長(zhǎng)控制，主機(jī)可獲得穩(wěn)定的壓縮碼流輸出。當(dāng)利用外部DSP計(jì)算每一個(gè)頻帶的量化參數(shù)“Bin Width”時(shí)，這也是一個(gè)自適應(yīng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化壓縮比特率的過(guò)程，ADV611的這種自適應(yīng)量化特性，即使量化導(dǎo)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(zhǎng)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ADV611的ROM中。

　　ADV611共有84個(gè)數(shù)據(jù)寄存器和若干狀態(tài)、控制字寄存器。其中，數(shù)據(jù)寄存器是片內(nèi)FIFO的映射，用于存儲(chǔ)經(jīng)小波變換后的圖像壓縮數(shù)據(jù)(編碼和解碼過(guò)程各需要42個(gè))，以供自適應(yīng)量化和熵編碼進(jìn)一步數(shù)據(jù)壓縮。ADV611在片內(nèi)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(duì)它們進(jìn)行統(tǒng)一編址，主機(jī)不能直接訪問(wèn)間接寄存器。為訪問(wèn)片內(nèi)FIFO和間接寄存器，ADV611還設(shè)置了一組可由主機(jī)直接訪問(wèn)的4個(gè)32位直接寄存器，由兩位地址線來(lái)選擇。

　　ブ卸峽刂坪妥刺寄存器的高16位是控制位，設(shè)置引起ADV611向主機(jī)發(fā)出中斷的條件，低16位是狀態(tài)位，反映觸發(fā)當(dāng)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(qū)域相對(duì)于其它區(qū)域有較低的壓縮比，或完全不進(jìn)行壓縮。矩形區(qū)域的位置和大小以及與背景的對(duì)比度由主機(jī)通過(guò)ADV611的主機(jī)接口輸入控制字來(lái)控制。該功能為用戶在不影響壓縮比的情況下選取某一感興趣的區(qū)域作高清晰度顯示提供了捷徑，這也是ADV611特別適用于監(jiān)控場(chǎng)合的主要原因。

　　1.4 硬件實(shí)現(xiàn)小波變換

　　ADV611的小波變換模塊采用硬件編碼方式實(shí)現(xiàn)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(dú)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(nèi)集成了一片SRAM，用作變換時(shí)的高速數(shù)據(jù)緩存，保證視頻信號(hào)能實(shí)時(shí)處理。

　　1.5 工作原理

　　 ADV611編碼時(shí)從它的數(shù)字視頻接口接收未壓縮的數(shù)字視頻信號(hào)，經(jīng)小波變換和幀抽取、送入量化器進(jìn)行系數(shù)量化、再經(jīng)游程編碼和Huffman 編碼，產(chǎn)生壓縮后的數(shù)據(jù)流，送入集成于片內(nèi)的512×32位大小的FIFO緩存區(qū)，一旦FIFO的數(shù)據(jù)量達(dá)到主機(jī)在寄存器里的預(yù)置值時(shí)，ADV611就發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，從它與主處理器的接口輸出壓縮數(shù)據(jù)比特流。解碼過(guò)程與之相反，壓縮數(shù)據(jù)由主機(jī)送入FIFO，解碼后產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的視頻分量從數(shù)據(jù)視頻接口輸出。編解碼過(guò)程如圖2所示。

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