基于DSP的视频图像压缩系统设计

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。