摘? 要: 提出了改進(jìn)的視頻圖像小波" title="小波">小波壓縮算法" title="壓縮算法">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)上對(duì)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)" title="監(jiān)控系統(tǒng)">監(jiān)控系統(tǒng)不等清晰度視頻圖像壓縮" title="圖像壓縮">圖像壓縮。系統(tǒng)的成功應(yīng)用證明該系統(tǒng)硬件的高可靠性和軟件壓縮算法的有效性。?
關(guān)鍵詞: 智能大廈? 監(jiān)控系統(tǒng) ?視頻圖像? 小波壓縮? DSP
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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)興建智能大廈的熱潮方興未艾,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)上對(duì)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]?
近年來涌現(xiàn)的諸多圖像壓縮算法中,最具前途的是基于塊分類的分形編碼和基于小波變換" title="小波變換">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,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具有壓縮功能,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?；谛〔ㄗ儞Q的零樹編碼方案充分有效地利用了小波的頻域分布特點(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
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)門限比較法判斷待分系數(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)重要性由其小波樹集合的重要性決定。?
??? 
(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)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,故而它可在一個(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:?
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(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)按照要求存入雙口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Even-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)一步分析與處理。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。?
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該硬件系統(tǒng)可以對(duì)高分辨率768×576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、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)。?
參考文獻(xiàn)?
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2 TMS320C6X User＇s Guide. TI 1998?
3 徐盛，陳健.TMS320C6201信號(hào)處理器在圖像處理中的應(yīng)用.電子技術(shù)應(yīng)用，1999;25(1):70～72?
4 馬波，裘正定.線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性與小波-分形子樹量化編碼的收斂性. 電子學(xué)報(bào), 2000；28(4):76～79?
5 夏勇，田捷.一種改進(jìn)的零樹小波圖像壓縮算法.軟件學(xué)報(bào)，1999；10(6):628～630?
6 沈勝宏.圖像壓縮技術(shù)研究.博士論文，2000?