智能大廈視頻圖像數(shù)字壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：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。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。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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(mén)限，設(shè)初始值為T(mén)=Tmax=2×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(mén)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）值減辦，T=T/2，跳到第3步，逐次形成優(yōu)先集Xi,i=2、3…，直到值達(dá)到一個(gè)預(yù)定的最小門(mén)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(xiě)入地址和讀寫(xiě)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CP
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