摘 要： 為了滿足視頻傳輸?shù)母?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/實(shí)時(shí)性" title="實(shí)時(shí)性" target="_blank">實(shí)時(shí)性和無線信道的窄信道要求，設(shè)計(jì)了一種基于JPEG2000的視頻壓縮及解壓縮系統(tǒng)。通過專用芯片ADV202實(shí)現(xiàn)JPEG2000壓縮方式，其優(yōu)點(diǎn)是在窄信道下具有高實(shí)時(shí)性。使用FPGA實(shí)現(xiàn)跳像素并通過配置ADV202寄存器實(shí)現(xiàn)跳場減少數(shù)據(jù)，滿足了窄信道下實(shí)現(xiàn)較低壓縮率壓縮視頻圖像的要求，提高了視頻圖像還原質(zhì)量。
關(guān)鍵詞： JPEG2000；ADV202；跳像素；跳場
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本文所述系統(tǒng)是某航空遙感系統(tǒng)的子系統(tǒng)，系統(tǒng)要求傳輸一路視頻信號，帶寬為0.48 Mb/s，視頻信號的采集、壓縮、下傳、回放的延時(shí)控制在200 ms以內(nèi)。通常的視頻壓縮方法，如MPEG-X、H.26X是利用視頻圖像的幀間相關(guān)性進(jìn)行壓縮，其解碼時(shí)間長，對實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)不適合。而JPEG2000是把運(yùn)動(dòng)的視頻序列作為連續(xù)的靜止圖像來處理，對每一幀圖像單獨(dú)壓縮，圖像恢復(fù)實(shí)時(shí)性較好。本系統(tǒng)采用ADV202芯片實(shí)現(xiàn)JPEG2000壓縮。由于帶寬僅有0.48 Mb/s，在25幀/s正常視頻情況下壓縮率就會(huì)非常高。為了提高視頻還原質(zhì)量，壓縮前利用FPGA實(shí)現(xiàn)跳像素和通過配置ADV202寄存器實(shí)現(xiàn)跳場減少數(shù)據(jù)量，降低壓縮率。解壓縮通過補(bǔ)場補(bǔ)像素，在顯示器上實(shí)時(shí)播放。
1 ADV202芯片介紹[1-4]
ADV202是AD公司的一款實(shí)現(xiàn)JPEG2000編解碼的芯片。圖1給出了ADV202結(jié)構(gòu)框圖。該芯片主要由像素接口、小波變換引擎、熵編解碼器、嵌入式處理器、存儲器系統(tǒng)和內(nèi)部DMA引擎等組成。ADV202內(nèi)嵌了一個(gè)32位的RISC處理器，作為整個(gè)系統(tǒng)的控制者。這個(gè)RISC處理器具有自己的程序和數(shù)據(jù)存儲器所對應(yīng)的ROM和RAM。ADV202集成了一個(gè)基于ADI專利的空間高效遞歸濾波小波技術(shù)（SURF技術(shù)）的小波核?？梢灾С指哌_(dá)6層分解的9/7和5/3小波變換。由于熵編碼的復(fù)雜度，ADV202提供了3個(gè)專用的硬件熵編碼器。ADV202的內(nèi)部DMA引擎為內(nèi)部存儲器之間、內(nèi)部存儲器和各個(gè)功能模塊之間提供高速傳輸數(shù)據(jù)能力。ADV202的視頻接口支持CCIR656、SMPTE125M PAL/NTSC、SMPTE293M(525p)、ITU.R-BT1358(625p)，或者任何最大輸入速率在非可逆模式下為65 MS/s、在可逆模式下為40 MS/s的視頻格式。ADV202有編碼和解碼兩種工作模式。在編碼模式下，視頻數(shù)據(jù)通過VDATA總線輸入ADV202，由小波核對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，并把所有頻率子帶的小波系數(shù)存入ADV202內(nèi)部的存儲器。每一個(gè)子帶根據(jù)ADV202編碼參數(shù)的設(shè)置進(jìn)一步分成編碼子塊，然后由熵編碼器對編碼子塊執(zhí)行內(nèi)容建模和算術(shù)編碼，運(yùn)算結(jié)果存入內(nèi)部存儲器。隨后由內(nèi)部DMA傳輸?shù)紺ODE FIFO，通過HDATA總線把壓縮數(shù)據(jù)流從ADV202輸出。在解碼模式下，工作過程是編碼模式的逆過程。視頻接口（VDATA總線）支持單通道輸入YCrCb格式的8 bit、10 bit和12 bit數(shù)字視頻信號，還支持雙通道輸入Y和CrCb分離的16 bit、20 bit和24 bit數(shù)字視頻信號，但必須是4：2：2格式，這種視頻信號可以伴隨HVF（行場同步信號），也可以內(nèi)嵌入EAV/SAV同步字節(jié)。主機(jī)接口（HDATA總線）提供有16 bit和32 bit初始化數(shù)據(jù)控制總線及8 bit、16 bit和32 bit數(shù)據(jù)輸出總線，支持多種輸出模式，包括正常主機(jī)模式、JDATA模式和DMA模式。其中JDATA模式是一種同步模式，8 bit輸出數(shù)據(jù)寬度。
ADV202的延遲時(shí)間無法精確估算，通常情況下，ADV202的壓縮和解壓延遲均可控制在所輸入的1.5場的時(shí)間內(nèi)[5]。故本系統(tǒng)壓縮和解壓延遲為90 ms，加上信道傳輸延遲，系統(tǒng)總延遲控制在200 ms以內(nèi)。
2 視頻壓縮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)流程是模擬視頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻、像素抽取、視頻壓縮、數(shù)據(jù)打包，最后接數(shù)傳通道。系統(tǒng)框圖如圖2所示。
2.1 芯片簡介
????? 視頻AD由SAA7115完成，能夠自動(dòng)檢測50 Hz或60 Hz場頻以及自動(dòng)切換PAL制和NTSC制，行同步、場同步、奇偶同步和像素時(shí)鐘信號均可由管腳引出，支持4：2：2(CCIR656 8位)YCbCr等多種輸出格式。以CCIR656格式輸出時(shí)速率為25幀/s，每一幀由偶場和奇場組成，一幀的像素分辨率為720×576，表示每個(gè)像素平均需要2 B[6-7]。FPGA均采用Xilinx公司的Spartan3系列XC3S400，提供8 064個(gè)邏輯單元，16個(gè)18 Kbit的塊狀RAM。單片機(jī)采用高性能、低功耗的AVR 8 bit微處理器ATmega128，具有128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，支持在線編程和調(diào)試。
2.2 工作流程
當(dāng)系統(tǒng)開始工作后，由攝像頭將捕獲到的模擬視頻傳送給SAA7115。SAA7115經(jīng)過采樣，量化后輸出CCIR656格式的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，并伴隨輸出相關(guān)的行場和時(shí)鐘同步信號。通過XPD端口傳送給FPGA1，完成像素的抽取，將一幀抽取為360×288，行場奇偶同步信號做相應(yīng)變化。后通過VDATA端口傳輸給ADV202進(jìn)行壓縮，通過設(shè)定ADV202的寄存器可以實(shí)現(xiàn)跳場壓縮，設(shè)定跳一場壓縮，這樣壓縮前的數(shù)據(jù)量就減少為原來的1/8。如圖3所示。
抽取后1s的平均視頻數(shù)據(jù)量＝360×288×2 B×8 bit×12.5 幀/s＝20.736 Mb/s。壓縮率約為(20.736 Mb/s)/(0.48 Mb/s)=43.2。
壓縮后數(shù)據(jù)通過JDATA端口傳輸給FPGA2，將壓縮數(shù)據(jù)打包和并轉(zhuǎn)串后，接入數(shù)傳通道。為了便于FPGA2接收數(shù)據(jù)，ADV202主機(jī)總線采取JDATA的同步輸出模式。單片機(jī)是系統(tǒng)的主控者，完成對ADV202和SAA7115的初始化。對SAA7115的初始化通過I2C總線進(jìn)行。ADV202的初始化需要片選線、讀寫信號線、4根地址線和16 bit數(shù)據(jù)線來加載固件和設(shè)置寄存器參數(shù)。但是單片機(jī)是8 bit數(shù)據(jù)線，而且數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用，所以使用了兩個(gè)鎖存器74HC573來實(shí)現(xiàn)16 bit數(shù)據(jù)的讀寫。鎖存器的讀使能信號和ADV202的片選信號由單片機(jī)的高位地址線輸入到FPGA1內(nèi)部譯碼組合后輸出。FPGA1主要完成像素抽取、視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)整和輸出ADV202的控制信號，內(nèi)部模塊如圖4所示。利用FPGA內(nèi)部的塊RAM，生成2個(gè)FIFO，乒乓處理數(shù)據(jù)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)。
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2.3 視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)整
CCIR656格式視頻信號每行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5所示[6-7]，每行數(shù)據(jù)包括水平控制信號和亮度色差信號(Y，Cb，Cr)。CbYCr是指同址的亮度色差信號取樣，后面Y對應(yīng)于下一個(gè)亮度取樣，比例是4：2：2。由于ADV202只接收4：2：2的YCbCr格式視頻信號，故采取圖5所示的跳像素方法，HS也做相應(yīng)變化。
由FPGA1完成跳像素和相應(yīng)同步信號變化，使用Modelsim仿真所得波形如圖6所示。為能看到同步信號的相關(guān)關(guān)系，縮減了幀的行數(shù)。
3 視頻解壓縮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
解壓縮系統(tǒng)是壓縮系統(tǒng)的逆過程。信道為FPGA1提供同步時(shí)鐘，在這個(gè)時(shí)鐘下，F(xiàn)PGA1讀取信道發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)串轉(zhuǎn)并，如圖7所示。在FPGA1內(nèi)部同時(shí)完成補(bǔ)場，采取重復(fù)前一場的方法補(bǔ)齊每秒50場，以此實(shí)現(xiàn)ADV202圖像解壓的實(shí)時(shí)性。視頻壓縮數(shù)據(jù)通過JDATA端口發(fā)送給ADV202。解壓縮后的數(shù)據(jù)通過VDATA總線發(fā)送給FPGA2完成補(bǔ)像素，把圖像調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)的CCIR656數(shù)字視頻格式；然后通過MP端口傳送給視頻編碼器SAA7121，轉(zhuǎn)換成模擬視頻，并在顯示器上顯示。軟件方面，對于SAA7121的配置仍采用I2C總線來完成，ADV202的初始化與壓縮系統(tǒng)相同，只是加載的固件不同。
本文提出了一種基于ADV202的JPEG2000圖像壓縮及解壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)具有很大的靈活性和擴(kuò)展性。此視頻壓縮及解壓縮系統(tǒng)應(yīng)用到無線圖像傳輸信道中，降低了傳輸延遲，適應(yīng)窄信道的高要求。
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