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)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(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(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(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(xiàn)(D0~D31)，兩位地址線(xiàn)(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A(yíng)DV611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(fǎng)問(wèn)間接寄存器。為訪(fǎng)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(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(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(hù)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。

　　2 用ADV611實(shí)現(xiàn)多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的方法

　　ジ孟低巢捎ADV611芯片，配以相應(yīng)的外圍電路，包括多路視頻信號(hào)實(shí)時(shí)采集、監(jiān)視、存儲(chǔ)，回放部分通道信號(hào)的電路(可選擇性地回放某一路信號(hào)，最多同時(shí)回放4路信號(hào))。實(shí)現(xiàn)了由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制、存儲(chǔ)多路數(shù)字視頻信號(hào)的功能(目前最多可達(dá)16路)，考慮到客戶(hù)的不同要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了2種設(shè)計(jì)方案，一種是在1塊印制電路板上實(shí)現(xiàn)2路視頻信號(hào)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、回放的功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。另一種是在1塊印制電路板上實(shí)現(xiàn)4路視頻信號(hào)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、回放的功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jiān)控視頻顯示部分。

　　2.1 監(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)復(fù)合視頻信號(hào)的數(shù)字化，將攝像機(jī)輸入的PAL制式模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合CCIR656建議的ADV611支持的數(shù)字視頻信號(hào)，該信號(hào)送入YUV分離電路進(jìn)行亮度和色度信號(hào)分離，送入亮度控制和色度對(duì)比度控制電路，經(jīng)亮度色度處理后的YUV信號(hào)輸入到壓縮解壓縮核心單元實(shí)現(xiàn)小波變換，壓縮后的數(shù)據(jù)緩存到ADV611中的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，主機(jī)通過(guò)PCI接口單元(S5933)取走數(shù)據(jù)，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(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸理論上都可以達(dá)到PCI總線(xiàn)的峰值速率，使利用ADV611實(shí)現(xiàn)多路視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、存儲(chǔ)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(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后ADV611支持的數(shù)字視頻信號(hào)經(jīng)ADV611壓縮后再經(jīng)S5933存儲(chǔ)在主機(jī)里。

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

　　 DECODE模塊實(shí)現(xiàn)將主機(jī)中的壓縮數(shù)據(jù)經(jīng)ADV611解壓后再經(jīng)PCI接口單元S5933送至主機(jī)，在顯示屏上回放視頻信號(hào)。

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

　　 在初次使用ADV611開(kāi)發(fā)視頻監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，為調(diào)試方便，設(shè)計(jì)了這個(gè)方案，現(xiàn)在隨著開(kāi)發(fā)成功，對(duì)該系統(tǒng)改進(jìn)及完善正在進(jìn)行中。

　　3 顯示部分設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)在一般視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用在一個(gè)顯示屏上分割成多個(gè)畫(huà)面，當(dāng)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(jiān)控”效果，對(duì)此，本系統(tǒng)采用若干小電視屏組合成一個(gè)顯示墻的設(shè)計(jì)，電視屏可根據(jù)用戶(hù)需要監(jiān)控的場(chǎng)所、路數(shù)等要求自由組合，達(dá)到最佳監(jiān)控效果，這樣不但實(shí)時(shí)監(jiān)控的路數(shù)不受限制，而且每一個(gè)畫(huà)面都有高達(dá)700 dpi以上的分辨率，使監(jiān)控圖像非常清晰，顯示墻相對(duì)系統(tǒng)有一定獨(dú)立性，體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)的思想。

　　3.1 尺寸制訂

　　顯象管外型尺寸為105 mm×80 mm，偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈外經(jīng)為50 mm，印制板安裝在偏轉(zhuǎn)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(tǒng)可獨(dú)立工作，每個(gè)組件都選擇開(kāi)關(guān)電源，這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源可以節(jié)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(yàn)中，將冷地和熱地遠(yuǎn)距離分開(kāi)，并選擇新型的OTP224集成塊，功率達(dá)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(zhuǎn)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(tǒng)的電視機(jī)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(jié)語(yǔ)

　　以上提供了用ADV611實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)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(hào)實(shí)時(shí)壓縮，壓縮質(zhì)量好，且壓縮比可根據(jù)用戶(hù)的要求任意選擇。系統(tǒng)可擴(kuò)展性較好，可廣泛用于銀行、公安、證券、監(jiān)獄、煤礦等領(lǐng)域。