智能大廈視頻圖像數(shù)字壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　智能大廈是現(xiàn)代建筑與高新信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。1984年，美國(guó)康奈涅格州哈特福德市建成了世界首座智能大廈，次年日本東京的一座智能大廈相繼建成，從而智能大廈引起了世界各國(guó)的關(guān)注。當(dāng)前，我國(guó)興建智能大量的熱潮方興未艾，其中圖像信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的以模擬電子技術(shù)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，由于攝像頭傳出的圖像信息量大，直接對(duì)圖像進(jìn)行記錄需要過(guò)多的錄像帶，很難實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)傳輸、信息共享的需求。采用相關(guān)編碼技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和傳輸是現(xiàn)代智能大廈的迫切要求。但是，圖像壓縮所采用的方法一般比較復(fù)雜，運(yùn)算工作量大，單憑軟件實(shí)現(xiàn)圖像壓縮難以滿足實(shí)時(shí)的要求，一般要借助硬件來(lái)提高運(yùn)算速度以滿足圖像實(shí)時(shí)壓縮。正是在這種情況下，本文提出了改進(jìn)的視頻圖像小波壓縮算法，設(shè)計(jì)了基于高速數(shù)字處理芯片DSP-C6201的硬件平臺(tái)，并在此平臺(tái)上改進(jìn)的小波壓縮算法進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了智能大廈監(jiān)控系統(tǒng)不等清晰度視頻圖像壓縮。

　　1 圖像壓縮技術(shù)[6]

　　近年來(lái)涌現(xiàn)的諸多圖像壓縮算法中，最具有途的是基于塊分類的分形編碼和基于小波變換的零樹編碼。分形壓縮的理論依據(jù)是Barnsley等人提出的迭代函數(shù)系統(tǒng)（IFS）理論和拼貼定理。它實(shí)質(zhì)上是把數(shù)量最少且匹配最好的多個(gè)壓縮仿射變換找出來(lái)，取出其參數(shù)，如果其參數(shù)復(fù)雜性低于原圖像，便實(shí)現(xiàn)了壓縮。另一個(gè)引人注目的壓縮算法是基于小波變換的零樹編碼。圖像經(jīng)過(guò)小波變換后生成的系數(shù)數(shù)據(jù)總量與原圖像的數(shù)據(jù)量相等，即小波變換本身并不是有壓縮功能，之所以將它用于圖像壓縮，是因?yàn)樯傻男〔ㄏ禂?shù)具有能量集中性、重要系數(shù)的群集性、各分量系數(shù)之間的相似性和分量系數(shù)幅度的衰減性等適合分類壓縮的特性。基于上波變換的零樹編碼方案充分有效地利用了小波的頻率分布特點(diǎn)，不會(huì)像分形那樣產(chǎn)生明顯的方塊效應(yīng)，而且易于軟硬件實(shí)現(xiàn)，適合多類圖像的壓縮。這一類算法的典型代表是Shapiro提出的嵌入式零樹編碼（EZW）。但是，Shapiro方案一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是將不同級(jí)別的系數(shù)在判斷重要系數(shù)時(shí)給予同等的考慮。本文在Shapiro方案的基礎(chǔ)上提出了基于PSWTC（priority set wavelet tree coding）的改進(jìn)的小波壓縮方案克服了這一缺點(diǎn)，解決了不同大小不同級(jí)別的小波系數(shù)重要性判斷的方法問(wèn)題。PSWTC結(jié)果的PS系數(shù)分布有明顯的規(guī)律性，級(jí)別高的個(gè)數(shù)少，級(jí)別低的個(gè)數(shù)多，呈金字塔分布，說(shuō)明PSWTC很好地實(shí)現(xiàn)了零樹編碼方案的基本原則。與EZW相比較，PSWTC的計(jì)算復(fù)雜性要小，占用的存儲(chǔ)空間小，耗費(fèi)的時(shí)間短，容易實(shí)現(xiàn)快速壓縮，克服了傳統(tǒng)小波圖像編碼中存在的費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)[4][5]。PSWTC算法的具體步驟是： （1）低頻系數(shù)暫不理會(huì)，置所有最高級(jí)節(jié)點(diǎn)為待分系數(shù)，構(gòu)成待分系數(shù)集。 （2）設(shè)置門限，設(shè)初始閾值為T=Tmax=2%26;#215;exp{「log2Max「|X|」」},“「」”表示取整操作符，X是除低頻系數(shù)外的全部小波系數(shù)。 （3）根據(jù)門根比較判斷待分系數(shù)的重要性輸出Sn,n=1。重要?jiǎng)t輸出1，不重要?jiǎng)t輸出0。系數(shù)重要性由其小波對(duì)集合的重要性決定。 （4）按之字形順序把所有重要系數(shù)加入優(yōu)先集（priority，簡(jiǎn)稱PS）Xi,i=1，把它們從待移系數(shù)的中刪除，并按之字形順序填入它們的子女。 （5）閾值減辦，T=T/2，跳到第3步，逐次形成優(yōu)先集Xi,i=2、3…，直到閾值達(dá)到一個(gè)預(yù)定的最小門限值或待分系數(shù)沒(méi)有節(jié)點(diǎn)存在為止。 在此基礎(chǔ)上給出了按小波變換→系數(shù)分類→熵編碼順序的圖像壓縮方法。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　模擬視頻信號(hào)經(jīng)高速A/D采樣后轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)。數(shù)字視頻信號(hào)由奇數(shù)場(chǎng)信號(hào)和偶數(shù)場(chǎng)信號(hào)兩路信號(hào)組成，奇數(shù)場(chǎng)信號(hào)和偶數(shù)場(chǎng)信號(hào)按照上述改進(jìn)的小波壓縮方案進(jìn)行圖像壓縮。采用TI公司的含多處理單元的C6201定點(diǎn)處理器，該處理器可采用50MHz或100MHz的工作頻率，經(jīng)內(nèi)部倍頻后升至200MHz，每秒可完成1.6G次操作。其內(nèi)部含有具備超長(zhǎng)指令字處理能力的CPU和8個(gè)功能單元，故而它可在個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行8條指令，芯片運(yùn)算能力顯著提高，再加之其良好的外部RAM接口和16bit的主機(jī)接口以及四通道的DMA功能，就使其成為高速運(yùn)算的首選芯片[2][3]，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)[1]如圖1所示。本系統(tǒng)擬采用三片C6201，一片負(fù)責(zé)奇場(chǎng)圖像的壓縮和存儲(chǔ)，一片負(fù)責(zé)偶場(chǎng)圖像的壓縮和存儲(chǔ)，一片主C6201負(fù)責(zé)一幀壓縮圖像的存儲(chǔ)、判斷和通訊，其工作原理如下： （1）待處理視頻信號(hào)首先送入A/D處理模塊。A/D模塊由視頻同步分離電路、直流恢復(fù)電路、鎖相環(huán)時(shí)鐘電路和高速視頻模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成。待處理視頻信號(hào)經(jīng)同步分離電路，分離出行場(chǎng)同步信號(hào)和奇偶場(chǎng)信號(hào)，將行場(chǎng)同步和奇偶現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)送給CPLD作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。同時(shí)，待處理視頻圖像信號(hào)經(jīng)直流恢復(fù)電路恢復(fù)它的直流分量，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 （2）轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)先由雙口存儲(chǔ)器緩存。CPLD通過(guò)邏輯綜合，為雙口RAM（DPRAM）產(chǎn)生寫入地址和讀寫控制信號(hào)，使得A/D變換的數(shù)據(jù)按照要求存入以口RAM中。再由2片C6x(Odd-C6x和Even-C6x)分別讀取，奇場(chǎng)信號(hào)由Odd-C6x讀取、偶場(chǎng)信號(hào)由Even-C6x讀取。雙口RAM采用16行緩存，2片C6x（Odd-C6x和Even-C6x）每隔16行讀取一次。當(dāng)雙口RAM存完16行后，CPLD給Odd-C6x或Even-C6x發(fā)出中斷信號(hào)，則Odd-C6x或Even-C6x讀取已存的16行數(shù)據(jù)。 （3）當(dāng)Odd-C6x或Even-C6x處理器收到CPLD發(fā)出的中斷信號(hào)后，立即響應(yīng)外部中斷并給CPLD一個(gè)中斷響應(yīng)信號(hào)，CPLD通過(guò)邏輯運(yùn)算將Odd-C6x或Even-C6x與DPRAM間的緩存器接通，由Odd-C6x或Even-C6x內(nèi)部的DMA控制器以DMA方式將相應(yīng)DPRAM內(nèi)數(shù)據(jù)讀入Odd-C6x或Enen-C6x并對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，將壓縮后的結(jié)果存入SBSRAM，并將一些壓縮參數(shù)傳送給Main-C6x以便進(jìn)一步分析與片。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。 　　

　　該硬件系統(tǒng)可以對(duì)高分辨率768%26;#215;576的視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集壓縮，壓縮卡最高數(shù)據(jù)處理速度是200Mbps。若多個(gè)攝像頭同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集壓縮，可采用多路壓縮單機(jī)并行陣列式結(jié)構(gòu)。在圖像壓縮前，還可根據(jù)用戶的要求，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行粗檢測(cè)識(shí)別，只對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行壓縮，或進(jìn)行不等壓縮比的壓縮，不僅可提高壓縮比，還能盡可能多地保留感興趣區(qū)域的圖像細(xì)節(jié)。 用TMS320C6201作為高速信號(hào)處理器，采用高效的小波算法對(duì)采集到的視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化壓縮，取得了很好的效果。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它的壓縮效果較之EZW算法有明顯的改進(jìn)，恢復(fù)圖像的PSNR提高0.22～1.01dB，最大灰度誤差平均小了2個(gè)灰階，恢復(fù)結(jié)果更清楚，失真也更小，而且在大壓縮比的情況下明顯優(yōu)于SPIHT（SPIHT壓縮方法是EZW的改進(jìn)，在壓縮速度和圖像恢復(fù)質(zhì)量方面均有所提高，是至今為止恢復(fù)圖像峰值信噪比最高的算法之一）。由此研制成的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)已成功用于某智能大廈。此數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、報(bào)警及時(shí)、回放快速、圖像清晰、壓縮比高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)系統(tǒng)具有獨(dú)立性強(qiáng)、高度保密、壓縮比高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)系統(tǒng)具有獨(dú)立性強(qiáng)、高度保密、多路同時(shí)捕獲、預(yù)覽時(shí)每路均能達(dá)到25fps/s的高速度等特性。它提供全天的時(shí)間設(shè)置，60G的標(biāo)準(zhǔn)硬盤可存儲(chǔ)一周的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的研制成功為監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。