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基于DSP的视频图像压缩系统设计

我爱方案网| 实时,分析,嵌入式 | 2012-01-30
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中心议题:
    *  介绍静止图像的国际压缩编码标准JPEG
    *  视频图像压缩系统硬件设计
    *  视频图像压缩系统软件设计
解决方案:
    *  视频采集电路采用独立采集法
    *  利用TMS320VC5402获得很高的图像处理速度和图像质量
    *  利用USB2.0技术实现图像数据的高速传输

1 引言
  
图像的数字化表示使得图像信号可以高质量传输,并便于图像的检索、分析、处理和存储。但是数字图像的表示需要大量的数据,必须进行数据压缩。即使采用多种方法对图像数据进行了压缩,其数据量仍然巨大,对传输介质、传输方法和存储介质的要求较高。因此,作为数字图像处理的关键技术之一,对图像压缩编码技术的研究显得尤为有意义。
  
在嵌入式微处理器中,DSP以其算法密集性著称,特别适合复杂算法处理的应用。而在数字视频图像处理系统中需要用到对图像的实时分析、压缩、解压等大量的处理运算,利用DSP作为其嵌入式平台,可以发挥其性能优势,实时满足图像处理需要。
  
2 静止图像的国际压缩编码标准JPEG
  
JPEG(Joint Photographic Experts Group)是国际标准化组织(ISO)在1991年提出,作为面向连续色调(包括灰色和彩色)静止图像的编码标准。JPEG算法定义了4种运行模式:
①基于DCT顺序型模式。按照从左到右、从上到下对图像进行扫描和编码,称为基本系统。
②基于DCT递增模式。指对一幅图像按照从粗到细进行编码,适合于传输时间长、用户喜欢图像从粗糙到清晰的应用场合。
③无失真编码模式。可保证重建图像与原始图像完全相同。
④分层编码。以各种分辨率对图像进行编码,按照不同的应用要求,可以获得不同分辨率或不同质量的图像。本系统采用基本系统模式。图1和图2分别是JPEG的编码和解码方框图。

  
3 硬件系统设计
  
本系统设计的便携式图像压缩板能直接挂在摄像头的视频输出端,在现场对全电视信号进行采集、变换和编码,再以USB方式将处理后的图像数据传给微型计算机。系统原理框图如图3所示,以TI公司的TMS320VC5402数字信号处理器为核心,包括视频采集电路、扩展存储器、扩展输出端口、SAA7110控制电路、电平转换电路以及USB电路等。

 

 


系统中TMS320VC5402为中央处理器:SRAM为DSP片外扩展数据存储器;EPROM为脱机工作时的程序存储器,用于存储系统的引导程序和其他应用程序;帧存储器用于存储采集到的原始图像以及算法处理的中间结果;摄像头及图像A/D部分负责拍摄环境图像并转换为数字信号存入帧存储器;地址译码、图像采集系统控制电路产生本系统各部分的地址译码信号,使之映射到不同的地址区域,并控制图像A/D转换器进行图像采集。
  
3.1 视频采集电路设计
  
视频信号的采集电路很多,其基本工作方法可分为两种:独立采集法和处理器采集法。前者采用专用图像采集器件,自动完成图像采集、存储器地址生成以及图像数据的存储和刷新,除了对采集模式进行设定外,处理器不参与采集过程,这种方法的特点是采集过程不占用CPU的时间、实时性好、适合活动图像的采集,但电路较复杂,成本较低。而后者采用普通视频A/D转换器和帧存储器实现图像的采集。整个采集过程在CPU的控制下完成,由CPU启动A/D转换、读取A/D转换数据、将数据存入帧存储器等,其特点是占用CPU的时间、实时性差,不适合视频图像的实时采集,但电路简单、成本低。本系统采用第一种方案,即采集电路由专用图像采集器件SAA7110和相应的外接电路等组成。
  
专用视频图像编解码器SAA7110可以提供16位的数据接口,通过I2C接口选择访问和控制SAA7110内部不同寄存器的数据。通过此接口,由51单片机设置SAA7110的工作状态和图像压缩效果,如图像的总亮度、像素的最大亮度和最小亮度、色调处理等信息,以便为DSP调整压缩效果提供依据。
  
SAA7110有6个模拟信号输入通道,2个8-bit视频CMOS模数转换电路,具有完全可编程静态增益和自动增益控制电路,针对PAL、NTSC和SE-CAM提供亮度、色调信号处理,对所有电视信号标准提供水平和垂直方向上的同步侦测,为PAL制式提供UV信号延迟线来纠正色调相位误差,在YUV总线上提供768/640抽样,支持4:2:2和4:1:1的YUV输出格式在8-bit分辨率上,用户可编程亮度控制能有效矫正光学偏差,对所有制式要求采用26.8 MHz晶振;同时SAA7110提供实时状态信息输出(RTCO),为YUV总线提供亮度色饱和度(BCS)控制。
  
3.2 USB传输电路设计
  
USB传输电路的目的是将DSP处理好的图像信息通过USB总线传送给PC进行处理和保存。本系统采用Philips公司的ISP1581 USB接口电路,该器件符合USB2.0规范,数据传输速率达到480 Mb/s。能够满足图像数据传输要求,同时可通过主机向下发送指令和接收数据。ISP1581与TMS320VC5402的通信通过一个高速的通用并行接口实现。
  
TMS320VC5402外部存储器接口使用16位数据线。ISP1581也可配置为16位数据线的通用处理器连接模式,故可直接连接。ISP1581只有85个寄存器单元,使用8位地址线,可直接与TMS320VC5402地址线的低8位连接,使用CSO片选空间。因为ISP1581相对TMS320VC5402来说是低速设备,所以在应用中使用了READY接口信号。
  
TMS320VC5402具有丰富的I/O口资源,与ISP1581的控制信号接口十分方便。在设计中,选择TMS320VC5402的GPIOF7产生ISP1581的复位信号,在需要ISP1581复位时,产生一个宽度大于500μs的低电平脉冲。采用GPIOF0和GPIOF9控制EOT和WAKEUP,执行相应的功能。 TMS320VC5402和ISP1581及PC的接口电路如图4所示。                                        


4 软件系统设计
  
本系统的主要功能是对监控现场的全电视信号进行实时采样,然后对图像数据进行编码压缩并通过USB总线将图像数据传送给主机。
  
系统的主程序流程如图5所示,可分为初始化、图像采集、压缩编码和数据传输4个主要模块。                                            

 

 


系统上电或复位后,DSP在收到主机的命令之前按缺省模式执行图像采集和编码压缩,收到主机命令后按命令要求执行图像采集和编码压缩;在图像采集和压缩编码过程中,DSP不停地检测总线,以便及时正确地发现主机命令。DSP接收到主机命令后,应尽快发送图像压缩数据,以尽量减少主讥的等待时间。
  
5 结束语
  
实践证明:本系统具有成本低、编程灵活和可靠性高等优点。而且压缩板体积小,便于携带安装,能在脱机状态下很好地完成图像压缩;利用TMS320VC5402获得了很高的图像处理速度和图像质量;利用USB2.0技术实现了图像数据的高速传输。

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