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(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)。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201809/388837.htm
本文用ADV611實(shí)現(xiàn)了多路實(shí)時(shí)監(jiān)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(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng),而且每路都能滿足25幀/s的視覺要求,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。
1.1 ADV611特性簡介
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)地對包括PAL制式(720×288@50場/s)和NTSC制式(720×243@60場/s)在內(nèi)的視頻信號實(shí)時(shí)進(jìn)行壓縮和解壓縮。壓縮倍數(shù)從視覺無失真感的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(CS),讀信號(RD),寫信號(WR),響應(yīng)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(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)通過對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,在下一幀壓縮之前,將其寫入量化步長寄存器,通過量化步長控制,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),用來進(jìn)行游程編碼,查找長字串的零,同時(shí)用短的碼子代替。
(8)Huffman編碼器(Huffman Coder),用來進(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,用于存儲經(jīng)小波變換后的圖像壓縮數(shù)據(jù)(編碼和解碼過程各需要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對它們進(jìn)行統(tǒng)一編址,主機(jī)不能直接訪問間接寄存器。為訪問片內(nèi)FIFO和間接寄存器,ADV611還設(shè)置了一組可由主機(jī)直接訪問的4個(gè)32位直接寄存器,由兩位地址線來選擇。
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比度由主機(jī)通過ADV611的主機(jī)接口輸入控制字來控制。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,每場獨(dú)立進(jìn)行子帶編碼,通過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,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)出中斷請求信號,從它與主處理器的接口輸出壓縮數(shù)據(jù)比特流。解碼過程與之相反,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,包括多路視頻信號實(shí)時(shí)采集、監(jiān)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(xiàn)了由一臺計(jì)算機(jī)控制、存儲多路數(shù)字視頻信號的功能(目前最多可達(dá)16路),考慮到客戶的不同要求,我們設(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路視頻信號實(shí)時(shí)采集、存儲、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路視頻信號實(shí)時(shí)采集、存儲、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)合視頻信號的數(shù)字化,將攝像機(jī)輸入的PAL制式模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成符合CCIR656建議的ADV611支持的數(shù)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(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PCI接口單元(S5933)取走數(shù)據(jù),S5933完成PCI總線到用戶邏輯的橋接器功能。
2.2 各模塊實(shí)現(xiàn)的功能
圖3中PCI模塊包括PCI總線和S5933的接口,S5933是PCI總線專用控制芯片,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總線的峰值速率,使利用ADV611實(shí)現(xiàn)多路視頻信號的實(shí)時(shí)監(jiān)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(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換,并將轉(zhuǎn)換后ADV611支持的數(shù)字視頻信號經(jīng)ADV611壓縮后再經(jīng)S5933存儲在主機(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。
FIFO模塊由74F244組成,CPURAM模塊用來調(diào)試和初始化作用。
在初次使用ADV611開發(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)在隨著開發(fā)成功,對該系統(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)畫面,當(dāng)畫面分割9個(gè)畫面以上時(shí),因單路畫面太小,影響人眼視覺分辨率,大大降低了“監(jiān)控”效果,對此,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)用戶需要監(jiān)控的場所、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)線圈外經(jīng)為50 mm,印制板安裝在偏轉(zhuǎn)線圈后,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)組件都選擇開關(guān)電源,這是因?yàn)殚_關(guān)電源可以節(jié)能,不足之處是開關(guān)電源會產(chǎn)生高頻干擾,解決會有些難度,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,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)線路行電流減少10%,線路簡單,省去了升壓線路。
4 結(jié)語
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實(shí)時(shí)壓縮,壓縮質(zhì)量好,且壓縮比可根據(jù)用戶的要求任意選擇。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。
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