車載圖像采集設(shè)備的壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
目前公安、交通、銀行、緊急救護(hù)等行業(yè)的車輛很多已經(jīng)開通了GSP定位服務(wù)。車載的GPS系統(tǒng)除了傳送所處位置的坐標(biāo)信息之外，車輛所處環(huán)境的圖像信息，例如運(yùn)鈔車的周邊圖像、救護(hù)傷員的現(xiàn)場(chǎng)圖像、公安巡邏的情況等都需要通過無線信道傳回指控中心。隨著ITS事業(yè)的發(fā)展，各個(gè)路口的交通流監(jiān)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(shù)據(jù)，而移動(dòng)車輛回傳主要依賴的無線信道，帶寬又特別有限，因此必須對(duì)圖像進(jìn)行大比例壓縮。

車載系統(tǒng)無線傳輸的特點(diǎn)
一般地，GPS定位應(yīng)用系統(tǒng)通常由若干個(gè)車載設(shè)備與后方中心的管理控制設(shè)備組成，車輛所采集的位置、車況及環(huán)境等信息通過無線信道傳送回管理中心。通?？晒?yīng)用系統(tǒng)使用的無線傳輸手段有：
專用通信網(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(wèi)星通信；
450MHz或800MHz的集群
通信系統(tǒng)；
這些無線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(dá)幾十兆，變動(dòng)范圍很大。對(duì)于普通的車輛來說，現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)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(shù)十KHz的量級(jí)。

車載圖像采集壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)
壓縮系統(tǒng)的要求
針對(duì)上述特點(diǎn)，車載圖像采集設(shè)備壓縮系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
(1) 大比例壓縮：以一個(gè)數(shù)字化的NTSC電視圖像為例，其數(shù)據(jù)量約為167Mbps，要將其壓縮200~6000倍左右才能適應(yīng)傳輸帶寬的情況。
(2) 多比率壓縮：由于無線信道的時(shí)變性，一種系統(tǒng)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，由一種無線傳輸方式轉(zhuǎn)化成另一種無線傳輸方式，相應(yīng)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(yīng)信道帶寬的這種變化。
(3) 嵌入式碼流結(jié)構(gòu)：這種碼流結(jié)構(gòu)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(xì)節(jié)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(xiàn)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(yùn)用小波方法壓縮車載設(shè)備采集的圖像。目前有一些應(yīng)用系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)來完成車載設(shè)備所采集圖像的壓縮處理，體積龐大，性價(jià)比低，不引言
目前公安、交通、銀行、緊急救護(hù)等行業(yè)的車輛很多已經(jīng)開通了GSP定位服務(wù)。車載的GPS系統(tǒng)除了傳送所處位置的坐標(biāo)信息之外，車輛所處環(huán)境的圖像信息，例如運(yùn)鈔車的周邊圖像、救護(hù)傷員的現(xiàn)場(chǎng)圖像、公安巡邏的情況等都需要通過無線信道傳回指控中心。隨著ITS事業(yè)的發(fā)展，各個(gè)路口的交通流監(jiān)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(shù)據(jù)，而移動(dòng)車輛回傳主要依賴的無線信道，帶寬又特別有限，因此必須對(duì)圖像進(jìn)行大比例壓縮。

車載系統(tǒng)無線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)
一般地，GPS定位應(yīng)用系統(tǒng)通常由若干個(gè)車載設(shè)備與后方中心的管理控制設(shè)備組成，車輛所采集的位置、車況及環(huán)境等信息通過無線信道傳送回管理中心。通常可供應(yīng)用系統(tǒng)使用的無線傳輸手段有：
專用通信網(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(wèi)星通信；
450MHz或800MHz的集群
通信系統(tǒng)；
這些無線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(dá)幾十兆，變動(dòng)范圍很大。對(duì)于普通的車輛來說，現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)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(shù)十KHz的量級(jí)。

車載圖像采集壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)
壓縮系統(tǒng)的要求
針對(duì)上述特點(diǎn)，車載圖像采集設(shè)備壓縮系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
(1) 大比例壓縮：以一個(gè)數(shù)字化的NTSC電視圖像為例，其數(shù)據(jù)量約為167Mbps，要將其壓縮200~6000倍左右才能適應(yīng)傳輸帶寬的情況。
(2) 多比率壓縮：由于無線信道的時(shí)變性，一種系統(tǒng)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，由一種無線傳輸方式轉(zhuǎn)化成另一種無線傳輸方式，相應(yīng)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(yīng)信道帶寬的這種變化。
(3) 嵌入式碼流結(jié)構(gòu)：這種碼流結(jié)構(gòu)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(xì)節(jié)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(xiàn)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(yùn)用小波方法壓縮車載設(shè)備采集的圖像。目前有一些應(yīng)用系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)來完成車載設(shè)備所采集圖像的壓縮處理，體積龐大，性價(jià)比低，不適合車輛安裝和應(yīng)用?；趯Ｓ玫腁SIC小波圖像壓縮芯片進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)圖像壓縮功能則是一種發(fā)展方向。
專用小波圖像壓縮芯片ADV611
ADV611是一種低價(jià)、單片、多功能、全數(shù)字的CMOS—VLSI器件。ADV611支持對(duì)CCIR601數(shù)字視頻進(jìn)行高質(zhì)量實(shí)時(shí)壓縮解壓縮，壓縮倍數(shù)從視覺無失真感的4：1直至7500：1倍，并能獲得比較好的主觀視覺效果。壓縮的數(shù)據(jù)率是由輸入的數(shù)據(jù)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(jī)根據(jù)當(dāng)前場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特性計(jì)算量化步長值，ADV611能獲得近乎穩(wěn)定的壓縮比特率，片內(nèi)集成了數(shù)字視頻接口，主機(jī)接口和在片SRAM等，主要用于有線／無線遠(yuǎn)程監(jiān)控等。
ADV611的基本工作原理：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、系數(shù)量化、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緩沖區(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。當(dāng)解壓縮時(shí)，壓縮數(shù)據(jù)從主處理器接口送入到FIFO里，然后經(jīng)過與編碼時(shí)的逆過程，數(shù)字視頻接口輸出標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻分量。
車載圖像壓縮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

圖1 ADV611功能方框圖

圖2　 圖像壓縮系統(tǒng)框圖

圖像壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明
A/D的功能是將模擬攝像機(jī)獲取的原始圖像進(jìn)行模數(shù)變換，然后將其轉(zhuǎn)化成CCIR656的數(shù)字分量視頻信號(hào)方式，送入圖像壓縮核進(jìn)行壓縮處理。本系統(tǒng)中，A/D芯片采用飛利浦公司生產(chǎn)的SAA7111芯片來完成此功能。SAAA7111用8比特/分量的量化精度來表示采樣信號(hào)，YCrCb的采樣比率為4:2:2。
ADV611將數(shù)字格式的視頻圖像進(jìn)行壓縮，其壓縮結(jié)果經(jīng)FIFO接口送給DSP，其壓縮比和量化因子由DSP控制，參數(shù)初始化由DSP完成。
DSP采用ADSP~2185芯片，其數(shù)據(jù)口線的D8~D23位與ADV611的DATA線相連，由于DATA口線共有32位，所以其高16位[31~16]與低16位[15:0]通過復(fù)用口線的方式與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(jié)的選擇口線。FL[1~0]與ADR[1~0]相連，作為間接地址口線。
DSP在圖像壓縮系統(tǒng)中所起的主要作用有：(1)計(jì)算ADV611芯片進(jìn)行量化所需的量化因子，其結(jié)果反饋給ADV611進(jìn)行自適應(yīng)量化；(2)計(jì)算小波圖像分解最小亮度塊的像素平方和，判斷當(dāng)前場(chǎng)景的變化情況，以指導(dǎo)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]位來設(shè)置完成，共有32個(gè)設(shè)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)，以此類推，最多可達(dá)丟棄32場(chǎng)中的31場(chǎng)，即只傳送1場(chǎng)。在某些視頻監(jiān)控的場(chǎng)合，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，圖像可能都沒有什么動(dòng)態(tài)的變化，或者變化極小，這樣就可以結(jié)合采集圖像場(chǎng)景變化情況的判斷，對(duì)圖像的顯示進(jìn)行調(diào)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(tǒng)利用小波5級(jí)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?duì)于640×240大小的NTSC制式圖像，其最小亮度塊的尺寸為20×15；對(duì)于768×288大小的PAL制式圖像，其最小亮度塊的尺寸為24×18。通過比較兩個(gè)亮度塊值的相對(duì)變化是否超過一個(gè)固定門限T，就可以檢測(cè)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(jì)算復(fù)雜度小，執(zhí)行時(shí)間短。

車載系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程
車載系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。采用專用的無線調(diào)制解調(diào)器來完成信道編碼與調(diào)制功能，圖像壓縮系統(tǒng)與MODEM的連接是通過ADSP2185的串行口進(jìn)行通信的，信道機(jī)的類型可以是UP450集群系統(tǒng)、GSM手機(jī)或者超短波電臺(tái)。
要傳輸所采集的圖像信息時(shí)，車輛通信設(shè)備首先建立起與管理中心的無線通信線路；原始圖像通過系統(tǒng)的攝像設(shè)備獲取，然后進(jìn)入圖像壓縮系統(tǒng)進(jìn)行壓縮處理：首先經(jīng)過SAA7111芯片完成視頻格式的解碼操作，將復(fù)合視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為CCIR656格式的數(shù)字分量視頻信號(hào)，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(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)入內(nèi)部的FIFO緩沖區(qū)暫存；當(dāng)FIFO數(shù)據(jù)量達(dá)到DSP對(duì)FIFO空間的預(yù)置值時(shí)，ADV611通過管腳向DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求，DSP響應(yīng)中斷后從FIFO中讀取壓縮數(shù)據(jù)流，并通過其串口送入通信系統(tǒng)中的調(diào)制終端，經(jīng)過信道編碼和放大后，送入信道機(jī)發(fā)射。

結(jié)語
基于ADV611的車載圖像采集設(shè)備能將圖像壓縮比在4:1到7500:1的比率之間進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于一個(gè)167Mbps的NTSC圖像來講，相當(dāng)于傳輸率從44MBps到22KBps。這樣一來所能適應(yīng)的無線傳輸手段就相當(dāng)多，其圖像壓縮系統(tǒng)的具體壓縮比變動(dòng)范圍可以根據(jù)系統(tǒng)需求而靈活配置。

參考文獻(xiàn)
1 馬大瑋，鳳光華．基于MCU和SCA的多工數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)，2001年國際嵌入式系統(tǒng)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(xiàng)目：本文得到重慶市應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目2002*7257資助