（信号与信息处理专业论文）基于dsp的多路视频图像压缩系统的设计及实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着电子技术的迅猛发展，图像监控系统作为数字图像处理技术的实际 应用，正发挥着越来越重要的作用。 采用数字技术 ( 或系统)具有许多优越 性， 但也使数据量大增。 将这样大量的 数据进行存储和传输是十分不利的， 既 无经济效益也无社会效益。因此， 人们在广泛地探讨它的数据压缩方法。 近年来，电子器件和设备的处理能力和处理速度大幅提高，使得数字图像压 缩技术不断进步，应用广泛。 论文中描述的多路视频图像压缩系统运用了 数字图像压缩技术。本系统 分成三个部分:图像获取、图像压缩和存储。由于系统要对多个场所进行记 录， 所以图像摄取选用c c d 摄像机， 但c c d 摄像机输出为模拟视频信号需用 视频解码器转换为数字图 像， 视频解码器采用了t i 公司的t v p 5 1 4 5 。 压缩芯 片采用了t i 公司的5 5 系列的定点d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 ， 它是系统的核心， 负责对图像压缩，管理视频解码器和压缩后的数据存储。系统中帧缓存使用 s d r a m ， 它容量大、 读取速度快， 与t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 接口 兼容使用方便。 i d e 硬 盘具有容量大、i d e接口标准公开、使用广泛、价格低廉和寿命长等优点， 所以系统中数据存储部件采用普通硬盘。 压缩算法上参考j p e g 标准结合使用 环 境提出 适合本系统的 算法。 本文采用了 参考帧结合d c t 变换、r l c 编码和 h u f f m a n 编码图像压缩算法。 关键字: 视频解码器; t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 ; 工 d e 硬盘; s d r a m ;图像压缩 暗尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t h t h e f a s t a n d f i e r c e d e v e l o p m e n t o f t h e e l e c t r o n i c s t e c h n i q u e , i m a g e s m o n i t o r a n d c o n t r o l s y s t e m a s t h e a c t u a l a p p l i c a t i o n o f d i g i t a l i m a g e p r o c e s s i n g t e c h n i q u e i s m o r e a n d m o r e i m p o r t a n t . a d o p t i o n d i g i t a l t e c h n i q u e ( o r s y s t e m ) h a s a l o t o f s u p e r i o r , b u t a l s o m a k e s t h e d a t a c a p a c i t y g r e a t i n c r e a s e . i t i s v e r y d i s a d v a n t a g e o u s t o s t o r e a n d t r a n s f e r t h e f l o o d o f d a t a , s i n c e h a v e n o n o t o n l y t h e e c o n o m i c p e r f o r m a n c e b u t a l s o t h e s o c i a l p e r f o r m a n c e . t h e r e f o r e , p e o p l e a r e b r o a d l y s t u d y i n g t h e m e t h o d o f d a t a c o m p r e s s i o n . i n r e c e n t y e a r s , p r o c e s s i n g c a p a c i t y a n d s p e e d o f e l e c t r o n i c s d e v i c e i s i n c r e a s e d m o r e a n d m o r e . i t m a k e s t h e d i g i t a l i m a g e t e c h n i q u e p r o g r e s s c o n s t a n t l y a n d i t i s a p p l i e d w i d e l y . t h i s p a p e r d i s c u s s e d t h e m u l t i - c h a n n e l v i d e o c o m p r e s s i o n s y s t e m w h i c h a d o p t s d i g i t a l i m a g e c o m p r e s s i o n t e c h n i q u e . t h i s s y s t e m i s c o m p o s e d o f t h r e e p a r t s : i m a g e g r a b b i n g , i m a g e c o m p r e s s i o n a n d i m a g e s t o r a g e . i m a g e i s g r a b b e d t h r o u g h t h e c c d c a m e r a w h i c h o u t p u t a n a l o g i m a g e . i t i s m u s t b e c o n v e r t e d t o d i g i t a l i m a g e a n d c o m p l e t e i t t h r o u g h t v p 5 1 4 5 f r o m t i . c o m p r e s s i o n c h i p i s t h e c o r e o f s y s t e m , w h i c h i s t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 f r o m t i . i t i s w i t h r e s p o n s i b i l i t y f o r i m a g e c o m p r e s s i o n , v i d e o d e c o d e r m a n a g e m e n t a n d c o m p r e s s e d d a t a s t o r a g e . s y s t e m f r a m e b u f f e r i s s d r a m . i t s c a p a c i t y i s h u g e ; i / 0 s p e e d i s f a s t a n d c o m p a t i b i l i t y i s g o o d . i d e h a r d d i s k s h a v e h u g e c a p a c i t y , s t a n d a r d i n t e r f a c e , l o n g l i f e a n d l o w p r i c e . t h e r e f o r e , t h e s y s t e m a d o p t s i d e h a r d d i s k . t h i s p a p e r b r i n g s f o r w a r d t h e c o m p r e s s i o n a r i t h m e t i c r e f e r e n c e d j p e g a n d e x p e r i m e n t e n v i r o n m e n t . i t a l s o d i s c u s s e d r e f e r e n c e f r a m e c o m b i n e d d c t t r a n s f o r m a r i t h m e t i c、 r l c c o d e d a r i t h m e t i c a n d h u f f m a n c o d e d a r i t h m e t i c k e y w o r d s : v i d e o d e c o d e r c o m p r es s i o n t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 , i d e h a r d d i s k , s d r a m , i m a g e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明: 本论文的所有工作， 是在导师的指导 下，由 作者本人独立完成的。 有关观点、 方法、 数据和文 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引 用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到 本声明的 法律结果由 本人承担。 作者 ( 签字) : 日 期: z o v 夺 年 z月i s日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第 1 章绪论 1 . 1 课题背景 随着电 子技术的 迅猛发展，图像监控系统作为数字图像处理技术的实际 应用，正发挥着越来越重要的作用。采用数字技术 ( 或系统)具有许多优越 性， 但也使数据量大增。要把一路模拟彩色电 视信号数字化，不加任何数据 压缩措施时的数码率为 2 1 6 m b i t / s ，将这样高 速的信号进行处理和传输是十 分不利的，既无经济效益也无社会效益。因此， 人们在广泛地探讨它的数据 压缩方法。 如果能将2 1 6 m b i t / s 速率压低到1 / 1 0 ， 甚至 1 / 1 0 0 ， 则对它进行处 理与传输就方便得多。由 于视频数据中存在着很多冗余信息 ( 时间冗余度、 空间冗余度) ， 具有压缩的可能性。 例如， 在多帧连续的图像中， 前一帧图像 与后一帧图像有很多重复的内容，而且每帧图像中的背景基本不变 ( 这称作 时间 冗余度) ; 在一 帧图像中， 水平方向 前一象素与后一象素， 垂直方向 上一 象素与 下一象素的信号电平、 色彩基本相近( 这称作空间冗余度) 。 因此没有 必要把每帧图像的全部数据进行传输，而只要把它们的变化部分进行传输， 则其数据速率可以 大大降 低。 所以 每当 谈到图 像数字化时，往往必须考虑图 像 数 据 压 缩 编 码问 题。 门 由于图 像监控的应用不同，对监控系统的要求也会不一样。目 前图像监 控记录系统主要组成部分有图像摄取、 压缩实现、传输和存储单元等。多数 监控记录系统采用c c d 摄像机作为图 像摄取器件，再通过借用计算机强大的 计算能力进行图像压缩编码， 采用的压缩编码大多为m p e g 标准。 压缩后的数 据通过网络传输或者存储在计算机的大容量存储介质中。这种系统需要计算 机的辅助不便于安装同时成本昂 贵，使用受到一定的限制。本文所描述的系 统是一个完全独立的系统，它体积小而且成本低廉，记录的图像存储在系统 内 部的 存储单元中. 它能自 动记录现场的图 像，为以后处理分析提供帮助。 本课题要求系统能对多个 ( 至少4 个) 场所进行同时监控。将这些场所 发生的情况记录下来。 压缩后的图像直接存储在系统中。 需要的图像为彩色， 分辨率为6 4 0 x 4 8 0 以 上， 1 秒内 每一路至少取一幅图像， 能保存一天的图 像。 下面简要介绍一下各种图像压缩编码标准，为系统选择压缩算法提供参考。 1 . 2 图像压缩编码标准的发展概况 1 9 9 6- 2 0 1 5 年被世界公认为 发展数字视频产品的黄金时代。以美国为代 一一一昌迎婴娶靶尝裂鑫一一一一 表 ， 到2 0 0 6 年 简 要 完 成 图 像 数 字 化 的 整 个 进 程， 要 更 换 所 有 模 拟图 像 设 备， 并 将 把 普 通电 视的 图 像 质 量 提高 到 全 数 字高 清 晰 度电 视( h d t v ) 的图 像 质量。 但 在1 9 9 5 年 之 前， 从 世 界 各国 来 看， 基 本 都 使 用 模 拟图 像设 备， 数字设 备 完 全 是 空白 。 因 此， 致力 于 数 字 视 频 设 备的 推 广 和 应 用， 有 着 远大的 前 景。 首 先 介绍图 像 压缩编码 技术的 发展 过 程， 然后 逐 步 分析m p e g 标准的 应用。 1 . 2 . 1 c c i r ( 国际无线电咨询委员会，现 i 丁 u - r ) 建议 图像数字化概念是 1 9 4 8 年提出的，1 9 5 8年首次报道了预测法研究的计 算机模拟试验结果。1 9 6 9年召开首届国际图 像编码会议 ( p i c t u r e c o d i n g s y m p o s i u m ) 。 从世界范围 来说，由 于在2 0 世纪5 0. 6 0 年代数字技术、 微电 子 技术、 数字信号处理技术均未得到相应发展，因 此图 像压缩编码技术尚未 有实质性进展。 图像数字化技术真正得到应用的是2 0 世纪8 0 年代以后的事。 c c i r 于1 9 8 0 年提出了演播室电视编码标准，即6 0 1 号建议。1 9 8 2 年，当时 西德i t t 公司推出了p a l 制数字处理芯片电视接收机。 为了便于国际间的节目 交换， 消除数字电 视设备之间的制式差别， 使6 2 5 行电 视系统与5 2 5 行电 视系统之间兼容，1 9 8 2 年2 月c c i r 第1 5 次全会上， 通过了6 0 1 号建议， 确定以分量编码为基础， 即以 亮度分量y 和两个色度分 量r - y , b - y 为基础进行编码， 作为电 视演播室数字编码的国际标准。 该标准规定:( 1 ) 不论是p a l 制， 还是n t s c 制电视， y , r - y , b - y 三分 量的抽样频率分别为 1 3 . 5 m h z , 6 . 7 5 m h z , 6 . 7 5 m h z ; ( 2 )抽样后采用线形量 化， 每 个样点的 量化比 特数用于演播室为1 0 b i t ， 用于传输为8 b i t ; ( 3 ) 进 一步明 确了 模拟与数字行的对应关系，并规定从数字有效行末尾至基准时间 样点的间隔， 对5 2 5 行、 6 0 场/ 秒制式来说为1 6 个样点， 对6 2 5 行、 5 0 场/ 秒制式则为1 2 个样点。不论6 2 5 行/ 5 0 场或5 2 5 行/ 6 0 场，其数字有效行的 亮度样点数都是7 2 0 ，色差信号的样点数均为3 6 0 ，这是为了便于制式转换。 若亮度样点数被 2 除，则为色差信号的样点数。 1 . 2 . 2 h . 2 6 1 标准 1 9 8 8 年c c i t t( 现工 t u - t ) 制定了电 视电 话/ 会议电 视的h . 2 6 1 建议草案 ( 数 码 率二 p x 6 4 k b i t / s , p = 1 3 0 ) ， 它是自1 9 4 8 年以 来电 视图 像压缩编 码 4 0 年研究成果的结晶。 这是一种 “ 信息非保持型”( l o s s )的压缩编码算法， 其要点为: 采用有运动补偿 ( 由 运动估值器计算运动矢量)的帧间预测，以 利用电 视图 像在时间域的 相关性;接着对帧间预测误差 ( 在帧内模式则是对 原始图像数据) 进行( 8 象素x 8 行) 象素块( b l o c k ) 的离散余弦变换 ( d c t : d i s c r e t e c o s i n e t r a n s f o r m ) ， 以 利用电 视图 像在空间 域的相关性; 然后在 d c t 变换域中对 ( 8 x 8 )的d c t 变换系数设置自 适应量化器，以充分利用人 一 一 令 铸 一 一 皇 夔 垂 里 选 暨壑 攀 集 眼 的 视 觉 特 性: 再 采 用h u f f m a n 变 字 长 编 码 器实 现 嫡编 码 一一 种信 息 保持 型 ( l o s s l e s s ) 编码; 最后，按照某种编码控制策略 ( c o d i n g c o n t r o l )改 变 有 关 参数， 平滑 输出 缓 冲 存储器中 的 数 码流， 防 止上溢和下溢，以 保证输出 数 码率为恒定 值。 h . 2 6 1 标准适用于电 视电话 和电 视会议， 因此推荐的图 像 编码 算法 必 须 是实时 处 理的， 并 且 要求 最小的 延迟时间， 和严格的 唇音同 步。 当p 取1 或2 时， 速率只能达到6 4 - 1 2 8 k b i t / s ，由 于速率较低， 只能 传清 晰度不太高的图 主要是肩上人头象) ， 所以 适合于面对面的电 视电 话。当 p 6 ， 速率 3 8 4 k b i t / s时，因为速率 较高，可以 传输清晰度尚 好的图 像， 所 以适用于电视会议. 1 . 2 . 3 j p e g 标准 静 止图 像数 据 压缩 标准j p e g ( j o i n t p h o t o - g r a p h i c e x p e r t s g r o u p) 也可直译为联合图像专家组，其中联合是指几个国际组织的联合。它是从 1 9 8 6年正式开始制定的。当时有两个国际组织联合支持:国际标准化组织 ( i s o ) 和国际电 报电 话咨询委员会( c c 工 t t ， 后改为国际电信联盟工 t u ) e 1 9 8 7 年1 1 月， 国 际电 工委员会 ( i e c ) 也参加合作。 因此说j p e g 是三个国际组织 合作的成果:虽然从 1 9 8 6年开始，经过许多次国际会议讨论和修改后，于 1 9 9 2 年7 月 表决通过了 标准的第一部分， 对有关测试标准草案( 即标准的第 二部分) 作了进一步的修改。 j p e g 用于 连续变化的 静止图 像， 所谓 连续变化是指灰度等级和颜色两方 面的 连续变化。 j p e g 包含两种基本压缩方法， 各有不同的操作模式。 第一种 是有损压缩，它是以 d c t ( d i s c r e t e c o s i n e t r a n s f o r m)为基础的压缩方 法。第二种为无损压缩，又称预测压缩方法。但最常用的是第一种，即 d c t 压缩方法， 也称为 基线顺序编解码 ( b a s e l i n e s e q u e n t i a l c o d e c ) 方法，由 于这种方法的优点是先进、有效、简单和易于操作，因此成为应用广泛的和 最重要的方法。 j p e g 编码压缩算法与h . 2 6 1 的 帧内 模式相同。 j p e g 系统还可选用逐渐浮 现重建( p r o g r e s s i v e b u i l d - u p ) 方式， 即重建图 像可以整幅由 粗到细显示。 j p e g 标准数据压缩是在本帧内 进行，与前后帧无关。它可用于活动图像中， 只不过压缩方法只限于帧内进行，不作运动补偿和帧间差运算。这种用于活 动图像的压缩技术称为m - j p e g ( m o t i o n - j p e g ) ， 可用于电视台节目 编辑中。 1 . 2 . 4 m p e g - 1 标准 1 9 9 2 年由国际标准组织 ( i s o ) 通过了m p e g - 1 ( m o v i n g p i c t u r e e x p e r t g r o u p)图 像编码压缩标准。它是一种活动图 像编码压缩标准。虽然它的图 像压缩算法的框图基本与h . 2 6 1 相同，但有重要改进，以提高从建图像的质 哈尔滨工程大学硕士学位论文 石 石 石二 二 石 石言 奋 二 石石 石 亩 石二 量 和 满 足 数字 存 储 媒体 在电 视图 像 重 发 方 面的 需 要。 当 然， 它 仍 然 适 用于电 视图像的数字传输。 m p e g - 1 与h . 2 6 1 相比， 前者在时间域正、 负 方向 进行的运动补偿的帧间 内 插，具 有更高的图 像压缩倍数。 m p e g - 1标准把电 视图像帧 ( f r a m e ) 区分 为 三 类: i 帧 ( i n t r a 帧) 图 像仅 作 帧内 编 码; p 帧 ( p r e d i c i t i o n 帧) 图 像 以 前 面的工 帧或p 帧图 像为参考， 进 行时间 域正 方向 的 帧间 预测编码; b 帧 ( b i - d i r e c t i o n a l p r e d i c t i o n 帧) 图 像， 则根据前面的参考图像 ( i 帧或p 帧) 以 及 后 来的 参 考图 像( i 帧 或p 帧) ， 进行 时 间 域正 负 双方向 的 帧间 预 测 编码。 对 b帧图 像进行有运动补偿的 帧间内 插 ( 双向 帧间预测) 是 m p e g - 1 的 显 著 特点: 能 够 恰当 地 对 待 突 变 背 景( 例如 场 景 切 换时) ; 增 加非 因果 型( 即 时 间 域负 方向) 的 预测，以 改 善 帧间 预 测误差的 统 计 特性; 较好地保存边缘 轮 廓， 降 低原 始图 像的 噪 声; b 帧图 像 的 误 码 造 成 的图 像 损 伤不 会 在时 间 域 正负 方向 扩散。 因 此， m p e g - 1 与h . 2 6 1 相比 有更 高的图 像压 缩编码效 率， 在 数 码 率 相同 时 ， 有 更 好的图 像质 量 ， 或 在图 像 质量 大 体 相当 时 仅 需 较 低的 数 码率。 此外， m p e g - 1 在系统层 ( s y s t e m l a y e r) 将压 缩后的视频、 音频数 据 以 及其 他辅助 数 据分 类而组 成字 长为1 8 8 字 节分 组( p a c k e t ) ， 以 便灵活地 适 应 不 同 的 传 输 或 存 储 方 式 及 媒 体。 另 外， 在 每个 分 组的 字 头 ( h e a d e r ) 设 置 时 间 标 记( t i m e s t a m p ) 便于 在 解 码 器中 保 证声 音 和口 形 合拍; 便于电 视 节 目 制 作 人 进 行 节目 编 辑; 还 便 于 录 像 机放 像 过 程中 常 用的 正向 搜 索、 反向 搜 索 、 方向 重 放 和 正向 慢 放、 反向 慢放 等 功能。 m p e g - 1 视 频数 据传输速率为 1 . 5 m b i t / s ， 加上声 音其他附加 信息为2 . 0 4 8 m b i t / s ， 可与一次群接口。 1 . 2 . 5 m p e g - 2 标准 1 9 9 4 年1 1 月通过了m p e g - 2 建议。 m p e g - 2 建议又在m p e g - 1 基础上作了 重要扩展和改进，将其图像质量从基本级到最高级分成四级;最高级图 像质 量可达h d t v 质量。 m p e g - 2 的数码率视图像质量等级从2 一 4 0 m b i t / s 不等。 表1 . 1 列出了m p e g - 1 和m p e g - 2 图像格式的比较。 表1 . 1 m p e g - 1 和m p e g - 2 图 像基本格式的比 较 图像格式 m p e g - i m p e g - 2 3 5 2 x 2 8 8 x 3 0 ( 或 2 5 )选选 7 2 0 x 5 7 6 x 3 0 ( 或 2 5 )选 1 4 4 0 x 1 1 5 2 x 6 0 ( 或 5 0 )选 1 9 2 0 x 1 1 5 2 x 6 0 ( 或 5 0 )选 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 . 2 . 6 h . 2 6 2 , h . 2 6 3 , h . 2 6 3 + 标准 在h . 2 6 1 发表以 后， c c i t t ( 现i t u - t ) 又陆续出台了h . 2 6 2 , h . 2 6 3 标准 和h . 2 6 3 + 标准。 h . 2 6 2 标准是一种图像质量较高的图像编码标准， 它与m p e g - 2 标准基本相同，只是出自 于两个不同的国际组织。 h . 2 6 3 标准是由c c 工 t t ( 现 i t u - t ) 于 1 9 9 6 年 3月提出的低比特率视频压缩标准。其压缩措施与 h . 2 6 1 基本相同， 但数据格式各异。 h . 2 6 3 十与m p e g - 4 基本相同。 表1 . 2 列出了h . 2 6 1 与h . 2 6 3 不同的 数据格式。 表1 . 2 h . 2 6 1 与h . 2 6 3 图 像数据格式的比 较 视频格 式 亮度图像分 辨率 色度图像 分辨率 h . 2 6 1 支持 h . 2 6 3 支持 亮度 ( m b i t / s ) 两个 色差 ( m b i t / s ) 每帧图 像允许 的最大 数据 ( k b i t ) s q c i f1 2 8 x 9 6 6 4x4 8是3 . 04 . 46 4 q c i f1 7 6 x 1 4 48 8 x7 2是是6 . 19 . 1 6 4 c i f3 5 2 x2 8 81 7 6 x 1 4 4可选是 2 4 . 33 6 . 52 5 6 4 c i f7 0 4 x 5 7 63 5 2 x 2 8 8可选9 7 . 31 4 6 . 05 1 2 1 6 c i f1 4 0 8 x 1 1 5 27 0 4 x 5 7 6可选3 8 9 . 35 8 3 . 91 0 2 4 s q c 工 f : 扩展q c i f 格式;q c i f : 1 / 4 公用中 间 格式; c i f : 公用中间格式; 4 c 工 f : 4 倍公用中间格式: 1 6 c i f : 1 6 倍公用中间格式。 从表1 . 2 可以 看出，虽然把h . 2 6 3 称作低比 特率图像编码压缩标准， 但实 际上h . 2 6 3 标准的速率变化范围很宽，其低端可低于h . 2 6 1 标准，其高端可 远高于h . 2 6 1 标准。 1 . 2 . 7 m p e g - 4 标准 1 9 9 9 年1 2 月i s o / i e c 制定了m p e g - 4 标准， 它支持7 个新的功能。 可粗 略划分为3 类: 基于内 容的交互性、高 压缩率和灵活多样的存取模式。 ， ，3论文完成的工作 按照课题的要求，我设计了软硬件系统。 硬件电路板上有视频解码芯片t v p 5 1 4 5 、可编程逻辑器件( c p l d ) , 8 m字 帧缓存储器s d r a m 、 数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 、 程序存储f l a s h 和 普通工 d e 硬盘。 软件部分主要是d s p 程序和c p l d 程序。 d s p 程序主要完成图像的压缩编 码和数据存储、 视频解码芯片的管理。 这部分的软件难点在于图像的压缩编 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一. . . . . . . . . . 面 面 面 码， 为 此本 论文 采用了j p e g 的 编 码 标 准，同 时 提高 存储效率做了 部分改 进。 在编写压缩编码算法时， 先用c 语言编写各个算法模块程序再通过c c s的c 编译转换为d s p 的汇编代码，但由 于这时的汇编代码不是很优化使得整个压 缩编码算法运算速度不是很快，限制了 整个系统的处理速度。在这基础上我 对编译后的汇编代码进行了手动修改以达到最优化。另一个难点是对普通硬 盘的访问 和存储， 在这里按照微机系统上流行的硬盘格式f a t 格式存储， 并且作了 适合d s p 访问的改进，因 此在d o s 和w 工 n d o w s 操作系统上能够直接 访问 编码文件， 而且减小了d s p 上的编程工作量。 c p l d 的程序主要将视频解 码芯片输出的奇偶场图像转换成帧图像， 同时将外围器件 ( 如视频解码芯片、 s d r a m , f l a s h 和硬盘)映射到 d s p 的外部存储单元。 系统编码生产标准j p e g 文件， 当需要解码显示可以直接利用微机上许多 能解码标准 j p e g 文件的软件，所以解码软件这部分没用再另外编写。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章 系统方案的选择 2 . 1系统构成 本课题要求系统能对多个 ( 至少4 个) 场所或从同个场所的不同角度进 行同时 监控。 将这些场所发生的情况记录下来。 系统体积不要太大便于安装 而且能够独立工作。基于课题的要求将系统设计成图2 . 1 所示的结构。下面 将按图2 . 1 的三个单元详述本系统硬件选择方案。 76 洲f -1 * n f - 州 4 1行 图2 . 1系统结构示意图 2 . 2 c c d 摄像机 由 于c c d 摄像机所具有的各种突出 优点， 所以 从发明至今仅2 0 多年其发 展速度惊人。 近1 0 年来， c c d 摄像机的 应用己 深入到各个领域， 可以说是跨 行业、 跨专业多方面应用的一种光电 产品。 它的用量以每年2 0 % 的速度递增。 具不完全统计， 1 9 9 7 年 一1 9 9 8 年仅中国 大陆彩色和黑白c c d 摄像机的用量就 达6 0 - 7 0 万台， 这些产品大多数来自国外或者由台湾地区和国内组装。 从1 9 9 8 年日 本出 版的 技术市场杂志获悉， 世界上己 把c c d 列为未来1 0 年可能增 益1 0 0 倍的高技术产品. 据国外专家统计， 1 9 9 7 年c c d 世界市场规划为1 6 亿 美元， 而实际上1 9 9 7 年为5 0 亿美元， 1 9 9 8 年为6 5 亿美元. 日 本松下公司对c c d 摄像机的世界市场进行了 统计和预测。1 9 9 5 年， c c d 摄像机世界市场总销售 量为1 1 0 6 . 5 万台， 预计到2 0 0 0 年， 世界市场对c c d 摄像机的总需求为8 8 2 5 万台， 约为1 9 9 5 年需求量的8 倍。据日 本卡西欧计算机公司预测，到2 0 0 0 年世界p c 机市场将增加到1 亿台，若按每2 台p c 机就有一台用c c d 摄像机 作图 像传输的输入装置的话， 仅和p c 机相结合的c c d 摄像机市场量就将达到 5 0 0 0 万台。 同时， c c d 摄像机能达到1 4 0 万像素， 像质可达到3 5 m m 摄像机的 照片 水平， 再 和磁带录像机相结合， 其市 场量可达2 0 0 0 万台。 仅上述两方面 的应用，到2 0 0 0 年c c d 摄像机的市场量将达到7 0 0 0 万台以上。由于c c d 摄 像机用量的急速增加， 世界上几个发达国 家和地区已 形成大规模c c d 摄像机 制造产业. 从最近资料介绍来看，日 本、美国、 英国、荷兰、德国、俄罗斯、 一一一姿 姿 奥 霎奖翌 之 攀 毛 一 韩 国 、 中 国( 包 括 台 湾 地 区 在内 ) 等 国 家 均 投 入 大 量 的 资 金 和 人 力 从 事c c d 传 感 器 研 究 以 及c c d 摄 像 机 的 研 制 和 生 产， 其中 日 本、 美国 所 生 产的c c d 传 感 器 芯 片 和 摄 像 机 无 论 在 质量 上 还 是 在 数 量 上 都 处 于 领 先 地位。 美国 是 世 界 上 芯 片( i c ) 设 计、 制 造、 加工 工 艺 高 度 发 达的 国 家。 在c c d 传感 器 和 应 用 电 视 技 术 方 面， 以 高 清晰 度、 特大 靶 面、 低照 度、 超高 动 态范围 、 红外 波 段 等 的c c d 摄 像 机占 有 绝 对 优 势。 在 航 空 、 航 天 及 各 种 制导 武 器 方 面的 应用 非 常 成 功。 这 些 产品 不 仅 价 格昂 贵、 而 且 又 受 到国 家的 严 格管 制。日 本 是一 个 电 子 工 业 产 业 化 最 发 达的 国 家 之 一。 在民 用 消 费 型 光电 产品 的 开 发 和生 产 上 堪 称 世界 第 一 位， 尤 其是c c d 摄 像 机、 摄 录 一 体 化 和 广 播 数字 化电 视 摄 录 设 备 基 本 上 包 揽了 全 世界的 大部 分 市 场。 由 于日 本 本国 的 新 产品 更 新换 代 速 度 很 快， 所以 无论 在 产品的 产量上 还是 在 产品的 质量上都占 据世界 首位。 c c d 传感器的发展方向 1 c c d传感器的像面尺寸向集成化、轻量化方向的发展。由于制造 c c d 传感器的硅片和加工成本都很高，所以 很希望一片6 . 5 英寸的硅片上光刻出 更多的c c d 传感器芯片;以由 于光刻机的进步， 所以在仍保持具有很高灵敏 度的 特性下， c c d 传感器的尺寸向1 / 2 英寸、1 / 3 英寸、1 / 4 英寸、1 / 5 英寸 的方向发展。 2 c c d 传感器向高素数、多制式发展。各种c c d 传感器的像面尺寸在减 少， 但其像素数在增加， 己由 早期的5 1 2 ( h ) x 5 9 6 ( v ) 向7 9 5 ( h ) x 5 9 6 ( v ) 发 展， 甚至出现超过百万像素的c c d 传感器。 为提高水平方向和垂直方向的分 辨能力，己 从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。 3降低c c d 传感器的工作电 压、减少功耗。在初期研制的c c d 摄像机有 + 2 4 v , + 2 2 v , + 1 7 v 和+ 5 v 等，目 前通用的为+ 1 2 v 。 为配合p c 摄像机和网 络图 像传输的应用，逐步以+ 1 2 v 和+ 5 v 两种工作电压为主。 4提高c c d 摄像机的制造效率。为了降低c c d 摄像机的制造成本，实现 高 速自 动化生产， 制造厂家追求紧密性结构，致力于c c d 摄像机的小型化， 即由d i p o n b o a r d ( d o b ) 过锡板t - 艺改进为c h i p o n b o a r d ( c o b ) 板上连 接i c 芯片的贴片方式。 到目 前为止， 已 实 现多层板的m u l t i c h i p m o d u l e ( m c m ) 多芯片集成模组化制造技术。 5 c c d 摄像机的数字化。在制造c c d 摄像机时，从以往的a n a l o g 模拟 系 统逐步实现d s p 数位化处理，可以 借助电 子计算机和专门软件系统实现对 c c d 摄像机， 特别是对彩色c c d 摄像机的 各种参数的量化调整， 可以 确保c c d 摄像机性能指标的优化一致性以 及在特殊使用条件下的参数量化修改。 c c d 摄像机的技术性能、特点及进展 1 , h y p e r - d 高动态范围c c d 摄像机 c c d 摄像机是一种用来模拟人眼的光电探测器。 但是人眼在观察目 标时， 可以 看清目 标的 最低照 度为l l x 当目 标照度达到3 x 1 0 5 1 x 时， 人眼动态范围 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一-. 称之为h y p e r - d c c d 摄像机。 2 、 从 模拟a n a l o g e c c d 摄 像机向d s p 数 位处 理c c d 摄像机方向 的 发展 采 用。 s p 技术， 可以 使c c d 摄像 机在 数 字 检 测和数字运算技术 上能 够有 效实 现智能 化逆光背景补偿; 能够自 动跟踪白 平衡，即可以 在任何条件下检 测和跟踪“ 白 色” ， 并以数字运算处进功能来再现原始的景物色彩。 3 、电 脑摄像机 ( p c c a m e r a )和网络摄像机 ( w e t w o r k c a m e r a ) 由 于计算机的 进步和发展， 可通过计算机主板上的u s b 接口 通用串 行总 线 和i e e e 1 3 9 4 高 速串 行综 合数 据传输 接口 以 及p c m c i a 来输入。 u s b 接口 的 传输速率是1 2 m b p s , i e e e 1 3 9 4 接口 的传输速率是1 0 0 - 4 0 0 m b p s 。 随 着国际 信 息高 速公路的 实施， 对于c c d 摄像机作为系统的 前端图 像传感器正向 着适合 网 络用户的方向 发展。 c c d摄像机不仅需具有高分辨率的图像质量，而且还 需具 有小巧、 使用简便、 通用性强的 特点。 当 前人们关注的c o n s u m e r c c d 摄 像机在不久的将来会普及到千家万户。 4 、 逐行扫描 ( p r o g r e s s i v e s c a n ) 方式c c d 摄像机 p r o g r e s s i v e s c a n c c d 摄像机即逐行扫描c c d ，是相对通用的隔行扫描 c c d 摄像 机 而言的。 c c d 摄像 机的 垂直分 辨率 一 般 仅能 达到3 5 0 t v 线， 这是由 于使用 2 场， 每场以3 1 1 条线扫描， 以2 : 1 隔 行扫描， 对运动的目 标会由于 奇 场和偶场合为 一帧， 使用两个瞬间状态的 信息 被平滑了， 分辨率会不降。而 用 p c逐行扫描方式摄像机拍摄的 运动目 标是在同 一瞬间将两场图 像同时采 集成为一帧图 像，达到提高垂直分辨率的作用。i 目 前大多 数监控记录系统的图像拍摄器件都采用c c d 摄像机， 本课题中 也 采用c c d 摄 像机。 系统 需对多 个场所 或者同 一 个场所不同 角度进行同 时 监 控记录， 这意味 着需要使用多 个c c d 摄像机， 将这些摄像机安放在不同地方。 由 于c c d 摄 像 机 输出 信号为 标准的 模 拟视 频信号( p a l 制或n t s c 制) ， 而 许 多 压缩算法需要提供数字视频信号，因 此系统中 应加入视频解码器。 视频解 码器的 选择需要满足课题的要求，能有多个视频输入同时能支持 p a l制和 n t s c 制。 系 统中 采用了t e x a s工 n s t r u m e n t 公司生产的单片高度集成视频输 入处理芯片t v p 5 1 4 5 ，详细介绍见第 3 章。 2 . 3压缩单元 系统中的 压缩单元选择包括使用何种压缩方法与何种压缩硬件。 采用的 压缩方法必须满足课题的要求。本课题中需要压缩多路视频图像而且帧率不 高， 若使用活 动图 像压缩方式例如m p e g 1 标准， 则一方面对系统中软硬件配 置要求会很高 这样会增加系统的成本同时实现难度也比较大，另一方面活动 图 像压缩标准的流程复杂、 标记繁多， 对于本系统来说没有用， 会造成计算 和存储的 浪费。 考虑借鉴静止图像压缩方式如j p e g 标准。目 前采用j p e g 标 哈尔滨工程大学硕士学位论文 石 面面 函 面 面 函 面 面 面 面 面. 函 面 面 面 面 面 面 函 面 面 面 面 面 函 面 面 面 面 准压缩可分为两种情况， 一种是用专用的j p e g 压缩芯片， 另一种是采用通用 的d s p 芯片进行压缩。采用专用的芯片压缩速度快，软件调试工作量小，特 别是a d i 公司最近发布了一款 j p e g 2 0 0 0 加速器芯片后， 许多公司为这个芯片 量身定制了相应的压缩平台， 但压缩算法可改进的余地很小。 而采用通用d s p 芯片进行压缩灵活性大，可以实现多种压缩编码。本课题采用通用的芯片压 缩， 灵活使用压缩算法， 更能满足课题的要求， 而且使用通用芯片进行压缩， 在基本硬件不需要较大改变的前提下，可以不断优化改进算法。本系统采用 了通用 d s p 芯片进行压缩。 t i 公司的d s p 获得了广泛的应用， 国内提供仿真器和芯片的公司比较多。 本课题中使用t i 的5 5 x 系列d s p ， 型号是t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 , 6 0 0 0 系列 d s p 具有 非常高的运算速度， 适合进行复杂的图像处理和图像压缩算法，但是价格昂 贵。本系统采用的压缩算法基于j p e g 标准， 相对来说压缩算法不是很复杂， 这系列d s p 不太适合本系统。 5 4 x 系列是1 6 位定点d s p ， 但是其数据空间只有 6 4 k因而适合程序复杂而数据量小的应用，而课题中处理的图像数据量非常 大， 也不适合本系统23 ， 比 较合适的d s p 是5 5 x 系列的5 5 1 0 ， 该d s p 是在5 4 x 的基础上发展起来的，能够与5 4 x 兼容。 5 5 1 0 通过增加功能单元。增加了运 算能力而且性能更好， 功耗更低， 是目 前t m s 3 2 0 家族中最省电的， 这些特性 使之更适合数据速率高，数据量大，运算量大的方面使用。其工作频率能达 到2 0 0 m h z 、 可以外接8 m 字的同步d r a m 同时价格也不高，是本系统比较理想 的 选择。 ， 系统的视频解码芯片不带有图像帧缓存储器，需要帧缓存储器充当 d s p 和视频解码器之间的数据缓冲。由于系统中所处理的图像数据量大，要求帧 缓存容量大、 速度快。d r a m ( 动态存储器) 或者 s d r a m ( 同步动态存储器) 具有 上述特点， 但是它们接口控制复杂， 与目 前大多数的数字处理系统不兼容， 如 果要使用d r a m ，则需要用价格昂贵的大规模的门阵列器件 f p g a来设计符合 课题要求的d r a m 控制器。 本系统中的5 5 1 0 支持8 m 字的s d r a m ， 使得帧缓存 有很大的容量。但由于视频解码器不能直接和s d r