基于AD6634的数字下变频技术研究

1文章编号：1009-8119（2005）12-0038-02基于小波变换芯片ADV611的数字视频压缩系统的设计研究张海涛费元春高洪民（北京理工大学信息科学技术学院，北京100081）摘要介绍了小波视频压缩处理芯片ADV611功能进行，并基于ADV611研究了小波变换进行视频压缩处理方法，最后给出了设计方案。关键词视频压缩，小波变换，ADV611ResearchondigitalvideocompresssystemBasedonADV611ZhangHaitaoFeiYuanchunGaoHongmin（SchoolofInformationandScience，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081）AbstractThefunctionofdigitalvideocompressprocessorADV611isintroduced。ThedigitalvideocompresssystemisresearchedonADV611whichadoptwavelettechnique,andonespecificdesignisgiven.KeywordsVideocompress，Wavelettransform，ADV6111引言图像信号包含丰富的内容，运用文字很难描述图像的内容。在现代通信（信息交换）中图像的传输和存贮占有越来越重要的地位。无论是在军事还是商业领域，图像的传输与存贮都已成为关注的焦点。然而图像传输和存贮面临的一个非常关键的问题就是图像信号巨大的数据量对一定容量的传输通道和存贮介质造成了巨大的压力和困难。如果用每秒64Kb信道传送一帧标准图像（数据量为512*512*8bit远小于一帧高清晰度电视图像的数据量）需要花费30余秒，而实时采集的视频信号在每秒30帧左右。因而，图像视频压缩已成为近年来多媒体技术最热门的技术之一。图像视频压缩所解决的问题是尽量减少表示数字图像时所需的数据量。提出图像编码理论50多年来，图像压缩技术已经取得了巨大的发展。国际组织也提出过许多相应的标准。近年来，从经典的调和分析中发展起来一个新的数学分支——小波变换，它可以将图像分解为低频成分与高频成分，从而更加有利于对图像的分析与处理。利用小波变换可以消除传统DCT变换带来的方块效应。小波变换在时域和频域同时具有良好的局部化性质，能够更有效地刻画信号的特征，有“数学显微镜”的美称。正是由于小波的时频特性，使得小波变换在图像压缩编码中得到了广泛地应用。目前，它已成为国际上极为活跃的研究领域。本文选择AD公司的ADV611来对基于小波变换的数字视频压缩系统进行讨论。2ADV611简介ADV611是ANALOG公司推出的基于小波的视频编解码专用芯片。它的小波变换模块采用硬件编解码方式实现了基于9-7双正交小波滤波器的小波变换和逆变换,小波正变换后得到了一系列不同尺度、不同方向的细节信号和最后的低频信号。量化后再通过游程编码和Huffman编码得到压缩数据。压缩后的数据在容量有限的信道上传输可以提高信道的利用率。ADV611采用了高密度CMOS集成电路技术,是一种低价、单片、多功能视频压缩专用芯片。整个芯片由8个功能模块组成,其中3个是接口模块,另5个是数字信号处理模块。接口模块包括数字视频输入I/O接口、主机I/O接口和外部DRAM存储管理器；5个数字信号处理模块包括小波核、片内变换缓冲器、可编程量化器、游程编码器和Huffman编码器。ADV611/ADV612内部功能块组成如图1所示：2图1ADV611内部功能结构图ADV611的基本工作原理：编码时从它的数字视频接口接收未压缩的数字视频信号,经小波变换和帧抽取、系数量化、游程编码和Huffman编码,产生压缩后的数据流,送入集成于片内的512*32位大小的FIFO缓冲区,一旦FIFO的数据量达到主机在寄存器里的预置值时,ADV611就发出中断请求信号,从它与主处理器的接口输出压缩数据比特流。当解压缩时,压缩数据从主处理器接口送入到FIFO里,然后经过与编码时的逆过程,数字视频接口输出标准的数字视频分量。ADV611的小波变换模块采用硬件编码方式实现了基于9-7双正交小波基的小波变换和逆变换。小波分解主要是将输入图像信号按频率的高低分为不同的子带,这样分解是因为人的视觉对低频信号比较敏感,对高频信号不太注意,因此小波分解将图像的低频成分不断分化,确保图像的基本信息(低频分量)被保留,对图像的细节部分(高频分量)可根据用户的具体要求处理。在分辨率要求不高的情况下(在很多监控场合),甚至可忽略这部分信息,以提高压缩比。ADV611每场独立进行子带编码,通过滤波将一帧视频分成42个可分离的频带,然后再进行压缩,色度分量占总频带的2/3即28个频带,亮度分量占剩下的14个频带。ADV611将视频分解为子带后，还要对视频数据信息进行量化，采用的量化原则是非均匀量化，量化后的数据经RLC编码与Huffman编码得到压缩视频流，ADV611/ADV612在编码模式与解码模式期间可通过主机接口分别输出或接收压缩数字视频数据，并且在主机与ADV611/ADV612之间的数据流失分等级构造。压缩数据率由输入数据率和所选择的压缩比来决定,利用当前场的统计特性,外部的DSP可以计算出每一个频带的量化参数“BinWidth”值。用DSP计算“BinWidth”值的过程是自适应的,以便实时优化压缩比特率,利用这种特性,即使场景变化或外部出现能导致比特率突变的情况,也可以获得几乎恒定的压缩比特率。采集的数字视频经ADV611压缩后,由DSP按通信协议打包,然后进行传送。DSP必须在两场图像间隔时间（即垂直扫描逆程）内根据ADV611提供的当前场图像的统计特性参数,实时计算出量化参数（BinWidth）。对PAL制,垂直扫描逆程大约为2ms,因此应选择计算量化参数满足要求的DSP处理芯片。接收端接收压缩码流后,由DSP进行拆包处理,然后送ADV611进行解压缩。ADV611/ADV612的输入电压为4.5～5.5V，工作环境温度为0～70℃。当输入电压为最大时，其电流为0.11～0.27A。值得注意的是：ADV611/ADV612为静电敏感器件，高能量的静电会对器件造成永久的伤害，因此，为避免性能下降，必须采用一定的防静电措施。3基于ADV611的数字视频压缩系统设计本系统设计前端采用Philips公司的视频采集芯片SAA7111A，将模拟摄像头采集来的视频信息转换为要求的视频格式，它的工作在总线的控制下来完成功能。采用Philips公司的PCF8584总线控制器和一个8051单片机来来完成总线功能控制前端采集。而后将数据送入ADV611实现压缩处理，并实时利用DSP进行参数计算。基于ADV611的视频压3缩系统需要为ADV611配置一个256×16bit的外部DRAM，这里DRAM选择的是HITACHI公司的HM51S4265D。基于ADV611的典型设计原理图如图2所示。4结束语本文论述了一种基于ADV611来实现小波视频压缩系统的硬件实现方法。该系统可以实现从人类视觉无损的4：1压缩到7500：1的最大压缩，它的压缩比可以根据不同用户的需求来选择，尤其是ADV611提供的质量箱的功能，可以对感兴趣的区域不压缩，并可通过该区域外的图像衰减来实现压缩。因此，ADV611可以方便地应用于PC或嵌入式系统的视频监控场合。参考文献1StephaneMallat(法国)著.杨力华，戴道清，黄文良，湛秋辉译.信号处理的小波导引（第二版）.机械工业出版社，20032ADV611Datasheet.AnalogDevicesInc．，19993朱宏擎，乔昕.基于小波变换的视频编解码芯片ADV611的原理和应用.应用科技，2002；29(11)图2ADV611典型电路设计原理图