基于DSP的機(jī)載視頻圖像實(shí)時(shí)壓縮與處理系統(tǒng)

由于受到無線傳輸帶寬的限制， 無人機(jī)對(duì)地面目標(biāo)偵察獲得的高分辨率視頻圖像必須經(jīng)過有效壓縮才能實(shí)時(shí)傳輸給地面接收處理系統(tǒng)?，F(xiàn)有的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)有H.261、H. 262、H . 263 及MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 等。

　　其中MPEG-4 由于采用基于對(duì)象的壓縮編碼方法， 較之以往各標(biāo)準(zhǔn)的基于幀的壓縮編碼方法， 其時(shí)間和空間冗余更低， 在保持解碼質(zhì)量的同時(shí)提高了壓縮率。MPEG-4 還具有更好的交互性能及更強(qiáng)的抗誤碼性能 , 較之以往的壓縮標(biāo)準(zhǔn)， 更適合無線信道的傳輸。

　　視頻壓縮算法比較復(fù)雜， 加之無人機(jī)有效載荷的重量和體積限制， 難以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載視頻圖像的實(shí)時(shí)壓縮編碼，通常只能低分辨率圖像實(shí)時(shí)壓縮。本文基于TI 公司最新推出的媒體處理器TMS320DM642 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了機(jī)載圖像實(shí)時(shí)壓縮編碼與處理系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)最高分辨率為D1分辨率機(jī)載視頻圖像的分辨率和壓縮比可調(diào)的MPEG-4實(shí)時(shí)壓縮處理及恒定碼流的輸出。

　　1 設(shè)計(jì)要求

　　整個(gè)壓縮處理系統(tǒng)完成對(duì)機(jī)載高分辨率攝像機(jī)輸出的PA L 制式模擬視頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、壓縮與傳輸。

　　為了便于地面接收處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)地分析圖像， 須將無人機(jī)拍攝圖像的時(shí)間及空間位置等附加信息和壓縮圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地打包。MPEG-4 為不等長壓縮編碼， 為便于無線傳輸， 需將MPEG-4 數(shù)據(jù)包流進(jìn)行編幀， 形成256 KB/ s的恒定基帶碼流， 實(shí)時(shí)傳輸給無線信道子系統(tǒng)供調(diào)制發(fā)射。系統(tǒng)還需根據(jù)控制命令動(dòng)態(tài)地改變圖像的分辨率及壓縮比。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2. 1 TMS320DM642 芯片的特點(diǎn)

　　DM642 屬于TMS320C64x 系列DSPs。Veloci T I 結(jié)構(gòu)使C6000 DSPs 在視頻和圖像處理中得到廣泛應(yīng)用。

　　CPU 的VLIW 結(jié)構(gòu)由多個(gè)并行運(yùn)行的執(zhí)行單元組成， 這些單元在單個(gè)周期內(nèi)可執(zhí)行多種指令。并行是C6000 獲得高性能的關(guān)鍵。C64x 在C6000 的基礎(chǔ)上有一些重要的改進(jìn)。除了有更高的時(shí)鐘頻率外， C64x 從以前的VelociTI 結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到Veloci TI. 2 結(jié)構(gòu)， 包含了許多新的指令，增加了額外的數(shù)據(jù)通道， 寄存器的數(shù)量也增加了一倍。這些擴(kuò)展使得CPU 可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)處理更多的數(shù)據(jù)， 從而獲得更高的運(yùn)算性能。

　　DM642 芯片集成了各種片內(nèi)外設(shè)， 使得開發(fā)視頻和圖像領(lǐng)域的應(yīng)用更為方便。它帶有3 個(gè)可配置的視頻端口， 提供與視頻輸入、視頻輸出以及碼流輸入的無縫接口。

　　這些視頻端口支持許多格式的視頻輸入/ 輸出。利用DM642 開發(fā)視頻編碼器， 其視頻輸入部分只需要一塊視頻采集芯片即可， 如AD 公司的A DV7181, 無需外加邏輯控制電路和FIFO 緩存， 使硬件系統(tǒng)更為簡單和穩(wěn)定。

　　DM642 集成的64 位的無縫外部存儲(chǔ)器接口（ EMIF） , 能夠?qū)崿F(xiàn)與外部同步和異步存儲(chǔ)器或外設(shè)的無縫連接。

　　DM642 的其他外設(shè)包括： 10 Mbps/ 100 Mbps 的以太網(wǎng)口（ EMAC） 、多通道音頻串口（McASP） 、主機(jī)接口（ HPI） 、多通道緩沖串口（ McBSP） 以及PCI 接口等。

　　2. 2 系統(tǒng)硬件組成

　　機(jī)載圖像實(shí)時(shí)壓縮與處理系統(tǒng)以TMS320DM642 高性能通用DSP 芯片為核心， 由視頻輸入采集模塊、圖像壓縮處理模塊、外部存儲(chǔ)模塊及傳輸控制接口模塊組成。其硬件系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 機(jī)載視頻圖像實(shí)時(shí)壓縮處理系統(tǒng)硬件框圖

　　圖像采集模塊對(duì)輸入模擬視頻信號(hào)進(jìn)行同步捕獲、采集和視頻解碼。視頻解碼器輸出的數(shù)據(jù)格式為YUV4: 2:2。視頻解碼數(shù)據(jù)通過DMA 通道向DM642 VPORT 通道緩沖單元發(fā)送數(shù)據(jù)， 當(dāng)采集完一幀數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生DMA 中斷。圖像壓縮處理模塊根據(jù)接收到的控制命令將視頻解碼數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮數(shù)理后緩存到存儲(chǔ)模塊中。存儲(chǔ)模塊采用32 MB 64 位的SDRAM, 實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

　　傳輸控制接口模塊將緩存在SDRAM 中的待傳輸碼流以256 KB/ s 的恒定速率8 位并行傳輸至輸出端口， 并接收地面發(fā)送的控制命令。該模塊由FIFO 芯片和CPLD 組成， FIFO 半空時(shí)向DSP 發(fā)送中斷信號(hào)。