智能大廈視頻圖像數字壓縮系統設計

摘要：提出了改進(jìn)的視頻圖像小波壓縮算法，設計了基于高速數字處理芯片DSP-C6201的硬件平臺，并在此平臺上對改進(jìn)的小波壓縮算法進(jìn)行編程，實(shí)現了智能大廈監控系統不等清晰度視頻圖像壓縮。系統的成功應用證明該系統硬件的高可靠性和軟件壓縮算法的有效性。

智能大廈是現代建筑與高新信息技術(shù)相結合的產(chǎn)物。1984年，美國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的關(guān)注。當前，我國興建智能大量的熱潮方興未艾，其中圖像信號處理器的設計至關(guān)重要。傳統的以模擬電子技術(shù)為核心的監控系統，由于攝像頭傳出的圖像信息量大，直接對圖像進(jìn)行記錄需要過(guò)多的錄像帶，很難實(shí)現計算機聯(lián)網(wǎng)傳輸、信息共享的需求。采用相關(guān)編碼技術(shù)對圖像進(jìn)行壓縮，在系統中實(shí)現實(shí)時(shí)存儲和傳輸是現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雜，運算工作量大，單憑軟件實(shí)現圖像壓縮難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)的要求，一般要借助硬件來(lái)提高運算速度以滿(mǎn)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，設計了基于高速數字處理芯片DSP-C6201的硬件平臺，并在此平臺上改進(jìn)的小波壓縮算法進(jìn)行編程，實(shí)現了智能大廈監控系統不等清晰度視頻圖像壓縮。

1 圖像壓縮技術(shù)[6]

近年來(lái)涌現的諸多圖像壓縮算法中，最具有途的是基于塊分類(lèi)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是Barnsley等人提出的迭代函數系統（IFS）理論和拼貼定理。它實(shí)質(zhì)上是把數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，如果其參數復雜性低于原圖像，便實(shí)現了壓縮。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數據總量與原圖像的數據量相等，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，是因為生成的小波系數具有能量集中性、重要系數的群集性、各分量系數之間的相似性和分量系數幅度的衰減性等適合分類(lèi)壓縮的特性�；�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，而且易于軟硬件實(shí)現，適合多類(lèi)圖像的壓縮。這一類(lèi)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)是將不同級別的系數在判斷重要系數時(shí)給予同等的考慮。本文在Shapiro方案的基礎上提出了基于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別的小波系數重要性判斷的方法問(wèn)題。PSWTC結果的PS系數分布有明顯的規律性，級別高的個(gè)數少，級別低的個(gè)數多，呈金字塔分布，說(shuō)明PSWTC很好地實(shí)現了零樹(shù)編碼方案的基本原則。與EZW相比較，PSWTC的計算復雜性要小，占用的存儲空間小，耗費的時(shí)間短，容易實(shí)現快速壓縮，克服了傳統小波圖像編碼中存在的費時(shí)費力的缺點(diǎn)[4][5]。PSWTC算法的具體步驟是：

（1）低頻系數暫不理會(huì )，置所有最高級節點(diǎn)為待分系數，構成待分系數集。

（2）設置門(mén)限，設初始閾值為T(mén)=Tmax=2×exp{「log2Max「|X|」」},“「」”表示取整操作符，X是除低頻系數外的全部小波系數。

（3）根據門(mén)根比較判斷待分系數的重要性輸出Sn,n=1。重要則輸出1，不重要則輸出0。系數重要性由其小波對集合的重要性決定。

（4）按之字形順序把所有重要系數加入優(yōu)先集（priority，簡(jiǎn)稱(chēng)PS）Xi,i=1，把它們從待移系數的中刪除，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…，直到閾值達到一個(gè)預定的最小門(mén)限值或待分系數沒(méi)有節點(diǎn)存在為止。

在此基礎上給出了按小波變換→系數分類(lèi)→熵編碼順序的圖像壓縮方法。

2 硬件設計

模擬視頻信號經(jīng)高速A/D采樣后轉換成數字視頻信號。數字視頻信號由奇數場(chǎng)信號和偶數場(chǎng)信號兩路信號組成，奇數場(chǎng)信號和偶數場(chǎng)信號按照上述改進(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)內部倍頻后升至200MHz，每秒可完成1.6G次操作。其內部含有具備超長(cháng)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)鐘周期內執行8條指令，芯片運算能力顯著(zhù)提高，再加之其良好的外部RAM接口和16bit的主機接口以及四通道的DMA功能，就使其成為高速運算的首選芯片[2][3]，該系統的硬件結構[1]如圖1所示。本系統擬采用三片C6201，一片負責奇場(chǎng)圖像的壓縮和存儲，一片負責偶場(chǎng)圖像的壓縮和存儲，一片主C6201負責一幀壓縮圖像的存儲、判斷和通訊，其工作原理如下：

（1）待處理視頻信號首先送入A/D處理模塊。A/D模塊由視頻同步分離電路、直流恢復電路、鎖相環(huán)時(shí)鐘電路和高速視頻模擬/數字轉換器組成。待處理視頻信號經(jīng)同步分離電路，分離出行場(chǎng)同步信號和奇偶場(chǎng)信號，將行場(chǎng)同步和奇偶現場(chǎng)信號送給CPLD作為時(shí)間基準信號。同時(shí)，待處理視頻圖像信號經(jīng)直流恢復電路恢復它的直流分量，再經(jīng)模數轉換成數字信號。

（2）轉換后的數字信號先由雙口存儲器緩存。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，使得A/D變換的數據按照要求存入以口RAM中。再由2片C6x(Odd-C6x和Even-C6x)分別讀取，奇場(chǎng)信號由Odd-C6x讀取、偶場(chǎng)信號由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。當雙口RAM存完16行后，CPLD給Odd-C6x或Even-C6x發(fā)出中斷信號，則Odd-C6x或Even-C6x讀取已存的16行數據。

（3）當Odd-C6x或Even-C6x處理器收到CPLD發(fā)出的中斷信號后，立即響應外部中斷并給CP

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