（信号与信息处理专业论文）嵌入式视频图像采集、压缩与传输系统设计.pdf

m 京帅电人学硕十研究生。节位论文摘要 摘要 人们一一直期待着实时传输视频图像信号，而实时视频传输首先需要解决两个丰要问题： 如何获取数字视频信息? 怎样对获取的视频信息进行有效的压缩编码以减少数据量? 信息获 取取决于高性能视频采集芯片的选择，丰弛频压缩以信息损失为代价，许多实用的有关静二图 像j f u 视频压缩编码的国际标准，如j p e g 、h 2 6 x 、m p e g x 等都是摹于d c t 算法，而小波变 换具有多尺度、多分辨率分析和时域局部化等优点，其能得到很高的压缩比，而且没有方块 效应，可有效地应用于视频信号的编解码。 本文首先提出了嵌入式图像采集、压缩与传输的一种系统实现方案，接着介绍了视颇采 集：笛片t v p 5 1 4 7 和实时小波变换芯片a d v 6 1 i 的硬件功能结构以及嵌入式核心开发板的软硬 件配簧。课题的重点是设计并实现了各功能模块间的硬件接口电路，以及利用嵌入式l i n u x 驱动程序及用户应用程序的开发方法，完成了视频采集模块利数据压缩模块的驱动程序以及 通过以太网传输数据的应用程序的实现。最后，进行系统的软硬件调试，调试结果表明本课 题的设计实现了系统设计要求。 关键词：视频采集，小波变换嵌入式l t n u x ，t v p 5 1 4 7 ，a d v 6 0 1 a d v 6 11 柑京帅电人学硕十研究生学位论文a b s f f a c i a b s t r a c t r e a l t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o ni s e x p e c t e db yp e o p l ea n dt h e r ea r et w op r i m a r yp r o b l e m st o s o l v e ：h o wt oa c q u i r ev i d e oi n f o r m a t i o n ，h o wt oc o m p r e s sa n de n c o d ev i d e oi n f o r m a t i o ni no r d e rt o r e d u c ed a t as i z e t h ea c q u i s i t i o no fv i d e od e p e n d so nt h eq u a l i t yo fd i g i t a lv i d e od e c o d e rc h i p b e s i d e s ，v i d e oc o m p r e s s i o ni sa c h i e y e dw i t ht h el o s to fi n f o r m a t i o n m a n yi n t e m a t i o n a lv i d e o s t a n d a r d sa b o u tc o m p r e s s i o nf o rs t a t i cp i c t u r ea n dv i d e o ，s u c ha sj p e g 、h 2 6 x 、m p e g x ，a r e b a s e do nd c t a l g o r i t h m h o w e v e r ，w a v e l e tt r a n s f o r mc a na c h i e v eh i g hc o m p r e s sr a t i oa n dd o e sn o t g e n e r a t es q u a r ee f f e c tb e c a u s eo fi t sm u l t i d i m e n s i o n ，m u l t i r e s o l u t i o na n dl o c a l i z a t i o no ft i m e d o m a i n i nt h i st h e s i s ，o n eo fs y s t e ms c h e m e sf o ri m a g ea c q u i s i t i o n ，c o m p r e s s i o na n dt r a n s m i s s i o n b a s e do ne m b e d d e dc o m p u t e rs y s t e mi sp r o p o s e df i r s t a n dt h e nt h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fd i g i t a l v i d e od e c o d e r ( t v p 5 1 4 7 ) a n dr e a l - t i m ew a v e l e tc o m p r e s sa n dd e c o m p r e s sc h i p ( a d v 6 1 1 ) a r e d e s c r i b e da sw e l la st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n f i g u r a t i o n sf o rt h ee m b e d d e da r m d e v e l o p m e n t c o r eb o a r d t h e nf o l l o w st h ed e s i g n sa n di m p l e m e n t so fi n t e r f a c e sf o rd i f f e r e n tf u n c t i o n a l m o d u l e s w h a t sm o r e ，i td e v e l o p st h ed r i v e rp r o g r a m sf o rv i d e oa c q u i s i t i o nm o d u l ea n dd a t a c o m p r e s sm o d u l ea sw e l la st h ea p p l i c a t i o np r o g r a m sf o rt r a n s m i t t i n gd a t at h r o u g he t h e r n e tu s i n g e m b e d d e dl i n u xp r o g r a m s a tl a s t ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u gw a sd o n e a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea i md e s i r e di sw e l lm e t k e y w o r d s ：vi d e oa c q u i s i t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，e m b e d d e dl i n u x ，t v p 51 4 7 a d v 6 il a d v 6 0 i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向：信息网络与多媒体技术 作 者：二塑三级研究生 许永贤指导教师龚建苤 题目：嵌入式视频图像采集、压缩与传输系统设计 英文题目：s y s t e md e s i g no fi m a g ea c q u i s i t i o n ，c o m p r e s s i o na n d t r a n s m i s s i o nb a s e do ne m b e d d e dc o m p u t e rs y s t e m 主题词：视频采集小波变换嵌入式l i n u x t v p 5 1 4 7 a d v 6 1l a d v 6 0 1 k e y w o r d s ： v i d e oa c q u i s i t i o nw a v e l e tt r a n s f o r m e m b e d d e dl i n u xt v p 5 1 4 7a d v 6 1 1 a d v 6 0 1 南京邮电大学学位论文独创性声明 y 8 5 0 8 8 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谓 的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：聋速蛭 日期：尘以生! ! 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：鹭乐樊导师签名： 由京邮电人学硕十研究生学位论文 第章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 人类步入网络时代以来，就一直期待着实时传输视频图像信号，特别是随着通信和计算 机技术的发展，以“信息采集、监控、处理”为核心的视频监控系统越来越广泛的应用于i 邑 视会议、可视电话、远程监控、车载图像采集等远程图像传输系统。实时视频传输所面i 临的 丰要问题是既要保证传输图像质量，又要尽可能少地占用有限的信道资源。而视频图像数据 量非常巨大，f u 是视频图像信号有很大的空间c 余度和时间兀余度，利用有效的图像压缩编 码技术，就可在有限带宽的网络里传输视频图像。 在提供视频流媒体服务的系统中首先需要考虑两个丰要问题：如何获取数字视频信息? 怎样对获取的视频信息进行有效的压缩编码，减少数据量? 针对信息的获取，随着各种高性 能视频采集芯片的出现，如t i 公司的t v p 5 1 4 7 、t v p 5 1 6 0 ，p h i l i p s 公司的s a a 7 1 1 l 、s a a 7 1 1 4 等，使得视频采集系统的性能越来越稳定、可靠且能够提供更为满意的视频采集质量：对于 后者的考虑，则体现为各种压缩编码方法的利用和视频编码标准的制订。 众所周知，数据压缩以信息损失为代价的。因此，为了使视频图像获得较好的丰观效果 视频信号压缩方案的选择尤为重要。目前，许多实用的图像压缩编码技术都是基于d c t 的， 如有关静止图像和视频压缩编码的国际标准j p e g 、h 2 6 x 、m p e g - x 等。而用小波变换作为 信号分析方法，具有多尺度、多分辨率分析和时域局部化等优点，不仅能获得高的压缩比， 还没有方块效应，可有效应用于视频信号的编码与解码。如美国a d 公司新推出的基于小波 理论的实时压缩解压缩芯片a d v 6 11 就能很好地实现视频信号的实时压缩，它的压缩比可以 从4 ：l 到7 5 0 0 ：1 ，在不同的应用场合下，可根据不同的图像质量要求选择不同的压缩倍数。 早期的数字图像处理系统以p c 机为核心以大容量硬盘作为存储介质，使用p c 机处州 图像信号，将视频信号通过视频采集 采集到计算机中，由显示器显示，并利用接口 ，通 过通信网络实现视频信息的传输，体现了数字图像处理系统的优势。f u 同时也存在缺点：一是 难实现“无人值守”系统需要专人看护：二是稳定性较差，整个系统的稳定性依赖于p c 机 的性能，而且功耗相对较大。而嵌入式图像系统以嵌入式处弹器为核心，用以太网接口直接 实现图像数据经现有网络传输，授权用户在任何地方都可以通过网络查看终端的图像，：r 程 费用大大降低，而且系统可以长时间稳定运行，能够很好满足客观现状对图像系统的要求， m 京邮电入学硕十研兖生学位论文 第幸绪论 不仅符合信息产业的未来发展趋势，而且代表了视频图像处理系统的未来发展方向，蕴藏若 巨大的商机和经济效益。 1 2cc i r 6 0 1 视频标准 c c i r 6 0 l 标准【1 l 是国际无线电咨询委员会( c c i r ) 于1 9 8 2 年在日内觅召开的第1 5 次全 会上通过的“演播室数字电视的编码参数”的建议。该标准建议对分量电视的二个分量的数 码抽样率为4 ：2 ：2 其丰要内容是： 1 视频信号进行分量编码，亮度信号( y ) 和两个色差信号( r y ，b y ) 分别进行数字编码。 2 用于连接丰要数字演播室设备和国际交换的标准其亮度和色度信号抽样频率的关系应该 是4 ：2 ：2 。在可能的高级系列中，可以采用4 ；4 ：4 的比率。这时，只要改变抽样频率的比牢， 这两种标准很容易兼容。 4 ：2 ：2 标准的编码参数为： 1 全行抽样数：对5 2 5 行，6 0 场妙制，如n t s c 制电视信号，亮度信号y 的抽样数为8 5 8 ， 每个也差信号( r y ，b y ) 的抽样数都为4 2 9 ，从数字 亍正程终点到模拟行基准点为1 6 个 亮度时钟周期；对6 2 5 行，5 0 场妙制，如p a l 制电视信号，亮度信号抽样数为8 6 4 ，每个 色差信号抽样数都为4 2 9 ，从数字行正程终点到模拟行摹准点为1 2 个亮度时钟周期。 2 抽样结构：正交结构，按行、场和帧重复，每行中的两个也度抽样点与亮度信号的奇数抽 样点相重合。 3 亮度信号抽样频率为1 3 5 m h z ，它同时满足6 2 5 行制和5 2 5 行制的行频整数倍，两个色差 信号的抽样频率各为亮度信号的一半，即为6 7 5 m h z 4 编码方式：对于亮度信号和两个色差信号都是线性p c m 量化，每个抽样值8 比特量化( 可 选1 0 比特) 。 5 每个数字有效行抽样数为：亮度信号7 2 0 个样值。每个色差信号3 6 0 个样值 6 视频信号电平与量化级之间的对应关系：刻度范围为0 - 2 5 5 ，亮度信号共有2 2 0 个量化级， 黑电平对应于量化级1 6 ，白也峰值电平对应于量化级2 3 5 ，信号电平有时可能超过2 3 5 ： 每个色差信号在量化范围的中间部分共2 2 5 个量化级，零信号电平对应于量化级1 2 8 。对 应于量化级0 到2 5 5 的码字专用于同步。 1 3 本文主要工作 为了能在以太网上有效、高质量地实时传输视频流，需要多种支持技术，其中关键技术 向京岍电、学硕十研究生学位论立第审绪论 不仅符合信息产、l p 的未来发展趋势，而且代表了视频图像处理系统的未来发展方向，蕴藏若 巨大的商机和经济效益。 1 2cc l r 6 0 1 视频标准 c c i r 6 0 i 标准1 1 】是国际无线电咨询委员会( c c i r ) 于1 9 8 2 年在日内凡召开的第1 5 次全 会上通过的“演播室数字电视的编码参数”的建议。该标准建议对分量电视的二个分量的数 码抽样牢为4 ：2 ：2 ，其辛要山容是： i 视频信号进行分量编码，亮度信号( y ) 和两个色差信号( r y ，b y ) 分别进行数字编码。 2 用丁连接丰要数字演播室设备和国际交换的标准，其亮度和色度信号抽样频率的关系应该 是4 ：2 ：2 。在可能的高级系列中，可咀采用4 ；4 ：4 的比率。这时，只要改变抽样频率的比率， 这两种标准很容易兼容。 4 ：2 ：2 标准的编码参数为： 1 全行抽样数：对5 2 5 行，6 0 场，妙制，如n t s c 制电视信号，亮度信号y 的抽样数为8 5 8 ， 每个也差信号( r y ，b - y ) 的抽样数都为4 2 9 从数字行正程终点到模拟行基准点为1 6 个 亮度时钟周期：对6 2 5 行，5 0 场妙制，如p a l 制电视信号，亮度信号抽样数为8 6 4 ，每个 色差信号抽样数都为4 2 9 ，从数字行正程终点到模拟行摹准点为1 2 个亮度时钟周期。 2 抽样结构：正交结构，按行、场和帧重复，每j 中的两个也度抽样点与亮度信号的奇数抽 样点相重合。 3 亮度信号抽样频牢为1 3 5 m h z ，它同时满足6 2 5 行制和5 2 5 行制的行频整数倍。两个色差 信号的抽样频率各为亮度信号的一半，即为6 7 5 m h z 4 编码方式：对于亮度信号利两个也差信号都足线性p c m 量化，每个抽样值8 比特量化( 可 选l o 比特) 。 5 每个数字有效行抽样数为：亮度信号7 2 0 个样值，每个包差信号3 6 0 个样值 6 视频信号电平与量化级之间的对应关系：刻度范围为0 - 2 5 5 ，亮度信号共有2 2 0 个量化级， 黑电平对应于量化级1 6 ，白色峰值电平对应于量化级2 3 5 ，信号电平有时可能超过2 3 5 ： 每个也差信号在量化范围的中问部分共2 2 5 个量化级，零信号电平对应于量化级1 2 8 。对 应于量化级0 到2 5 5 的码字专用于同步。 1 3 本文主要工作 为了能在以太网上有效、高质量地实时传输视频流，需要多种支持技术，其中关键技术 为了能在以太网上有效、高质量地实时传输视频流，需要多种支持技术，其中关键技术 l 村京邮电人学硕十研究生。位论文第章绪论 书要包括视频的压缩、编码技术，q o s 控制技术，以及视频流传输中采用的协议，媒体同步 技术。本课题研究的对象是视频的压缩、编码技术的软硬件实现，因而论文后续章节内容安 排如下： 第二章，系统的总体设计方案，包括图像处理系统和电源系统。 第二章，介绍了系统丰要硬件的功能结构并设计实现了各功能模块间的接口电路，书要 是视频采集芯片t v p 5 1 4 7 和视频压缩芯片a d v 6 11 的功能结构以及嵌入式核心开发板的软硬 件配置，然后根据这二个功自2 模块的结构设计它们之间的接口电路。 第四章，系统的软件设计，首先介绍了嵌入式l i n u x 程序的开发方法，然后设计实玑了 视频采集模块和视频压缩模块的l i n u x 驱动程序，以及以太网的s o c k e t 通信程序。 第五章，系统的调试过程和测试结果，实验表明所设计的系统满足设计要求。 第六章，总结了课题的研究工作，并提出系统进步完善的方向。 i 京邮屯人学硕+ 研究生誓：位论文 茉章系统总体矗窜设计 第二章系统总体方案设计 2 1图像处理系统设计方案 针对目前图像采集、图像压缩技术和嵌入式处殚器的发展概况，采用高性能的视频采集 ：岱片、摹于硬件图像压缩技术、以嵌入式处理器为核心的嵌入式图像采集、压缩与传输系统 具有很高的性价比，而且开发周期相对要短。由于模拟视频信号非常复杂，除了包含图像信 号之外，还包括行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号，奇偶场信号等，因面 对视频信号进行a i d 转换的电路非常复杂，而高性能速视频采集芯片集成了高速的a d c ，还能 提取同步信号、消隐信号等。基于硬件压缩方式丰要是指采用先进的a s i c 芯片来实现图像的 编码，在相应的芯片中往往集成了优良的压缩协议，并采用先进的算法，使图像的压缩比和 质量有很大的提高。嵌入式处理器则能根据应用系统的需要，对计算机的软硬件系统进行合 殚的裁减，灵活方便的实现系统设计的目的。基于以上考虑所设计的图像处理系统如图2 - l 所示。 模拟 数 图2 一j 小波压缩方式的图像处理系统框图 其中视频采集模块对模拟视频( 如p a l 、n t s c 制式信号) 进行抽样，并输出符合c c i r 一6 0 1 标准的数字视频信号；小波变换模块对数字视频信号进行二维的离散小波变换，并以fl f o 的 方式输出变换后的小波系数；嵌入式控制系统获取小波系数并通过以太网向终端系统转发此 数据，同时还通过1 2 c 接口初始化视频采集模块，通过并口初始化小波变换模块并设置这两 个模块的工作方式。 m 京邮电人学硕+ 研究生位论文 第章系统总体厅窠波l 十 2 2 电源系统设计方案 本课题所设计的图像处理系统使用9 v i a 直流电源供电，然后经过不同的分压，为各模 块提供相应的电源。其中，视频采集芯片t v p 5 1 4 7 所需的电压是9 v 经过两个开关电源l m l l l 7 分压后分别得到的3 3 v 和1 8 v ；对于嵌入式控制系统，其核心扳工作电源为单一的3 3 v 0 5 a 直流，其底扳使用的是电源有5 v 和3 3 v ，f u 由于电源消耗功率较小，因此我们使用的是 l m l 0 8 5 线性稳压芯片，使用底板的铜箔作为散热面。小波变换芯片a d v 6 0 1 所需的5 v 电 源也由l m l 0 8 5 提供的。 堂皇! ! ! ! ! 坐叁霉堡主堕垄尘：| 三些笙奎 堑三兰墨篓尘翌堡型：塑些堡堑丝垦墨壁翌坐堕垦生 第三章系统主要硬件的功能结构及接口电路设计 3 1 视频采集芯片t v p 5 1 4 7 的功能结构 t v p 5 1 4 7 是高性能的、单片数字视频解码芯片，它可将摹带模拟视频信号转换成数字视 频分量信号。t v p 5 1 4 7 解码器可对y p b p r 分量信号以及n t s c 、p a l 、s e c a m 电视信号和 s + v i d e o 视频进行a d 变换并将其转换成y c b c r 分量信号。该解码器包含两个1 0 - b i t3 0 m s p s 的a d 变换器，每个a d c 前端相应的模拟通道有个模拟电路，该电路具有可编程的增益和偏 置并能将输入信号钳位于某个参考电压。l o 个视频输入终端能被配置成y p b p r , c v b s ，或哲 s - v i d e o 的混合输入。 分量信号和s - v i d e o 视频信号以2 倍的象素速率，即i t u - rb t 6 0 i 的时钟频率抽样，然 后裁减成l 倍象素速率。c v b s 解码对亮度利也度信号采用5 行的自适应梳状滤波以减少亮度 信号的串扰和包度信号的串扰，对色度信号还采用了陷波滤波。对于c v b s 利s - v i d e o 信号， 用户可通过1 2 c 丰机接口设置视频信号的对比度、亮度、饱和度利色度。 t v p 5 1 4 7 解码器不仅可输出数字视频信号，还能输出同步、消隐、奇偶场信号、数据时 钟、丰机c p u 中断和可编程的i o 逻辑信号等。 3 1 1t v p 5 1 4 7 的内部结构 t v p 5 1 4 7 系统功能结构l z l 如图3 - l 所示 图3 1t v p 5 1 4 7 系统功能框图 6 y 9 ：0 】 c 9 ：0 】 忖京邮电人学硕十研究，上学位论文第三争系统土要埂仆的功能结构及其接n 电路垃汁 模拟信号处理和a d 变换器支持l o 路的视频输入，并且能灵活选择输入源，其内部的功 能模块有：钳位电路能将含有交流电压的视频信号钳位于固定的参考电压：两个可编程的增 益放大器能将输入电压范围在0 5 v p p 到2 0 一v p p 的视频信号规划成满刻度l o b i ta d 变换的 码输出范围；两个l o - b “3 0 m s p s 的a d c ：以及一个模拟视频输出端v lia ，通过1 2 c 接口 可选择其余9 路视频信号中的一路来输出。 数字视频处理丰要是对a d c 输出的数据进行分量信号处趟和y c b c r 信号增强，并牛成 行同步和场同步信号以及其他输出控制信号。输入的视频信号通常都用两倍的过采样信号来 采样，a d 变换后的输出数字 ! ! l 频经过降采样滤波器后，数据数率降为象素速率，先过采样 后降采样能够提高3 d b 的信噪比。分量视频信号处理先进行y c 分离，然后对p a l 小t s c 和 s e c a m 信号进行色度信号解调，最后对y u v 信号进行增强处理。 输出格式控制丰要是牛成一定格式的数字视频信号，有两种格式可供选择：1 0 一b i t4 ：2 ：2 格 式和2 0 - b i t 4 ：2 ：2 格式，这两种输出格式如表3 一l 所示。 表3 - 1 数字视频输出格式 1 0 - b i t4 ：2 ：22 0 - b i t4 ：2 ：2 t v p 5 1 4 7 引脚名字 y c b c ry c b c r y9 c b 9 ，y 9 ，c r 9 y 9 一 y8 c b 8 ，y 8 ，c r 8 y 8 一 y7 c b 7 ，y 7 ，c r 7 y 7 一 y6 c b 6 , y 6 ，c r 6 y 6 一 y5 c b 5 ，y 5 ，c r 5 y 5 一 y4 c b 4 ，y 4 ，c r 4 y 4 一 y3 c b 3 ，y 3 ，c r 3 y 3 一 y2 c b 2 ，y 2 ，c r 2 y 2 一 yl c b l ，y l ，c r l y l yo c b 0 , y 0 ，c r o y 0 c9 c b 9 ，c r 9 一 c8 c b 8 ，c r 8 一 c7 c b 7 ，c r 7 一 c6 c b 6 ，c r 6 一 c5 c b 5 ，c r 5 一 南京邮电人学颈十研究生学位论文第二章系统土耍硬纷的功缝结构及其接n 电路- 疋汁 表3 1 数字丰见频输出格式( 续) 1 0 b i t4 ：2 ：22 0 b i t4 ：2 ：2 终端引脚名字 y c b c ry c b c r c4 c b 4 ，c r 4 一 c3 c b 3 ，c r 3 一 c2 c b 2 ，c r 2 一 clc b l c r l co c b 0 ，c r 0 表3 一l 所表示的意思是，如果输出格式是1 0 一b i t4 ：2 ：2 ，则y9 引脚先输出色度信号c b 9 ， 接着是亮度信号y 9 ，最后是色度信号c r 9 ，如此反复，其他弓i 脚以此类推。 1 2 c 接口电路是a v p 5 1 4 7 和丰机间的通信接口，卡机通过该接口来配置t v p 5 1 4 7 的内部 控制寄存器。 t v p 5 1 4 7 的功能特点： 两个带有可编程增益控制单元的3 0 - m s p s ，1 0 一b i t 的a d 变换通道 支持n t s c ( j ，m ，4 4 3 ) ，p a l ( b ，d ，g ，h ，i ，m ，n ，n c ，6 0 ) a n ds e c a m ( b ，d ，g ，k ，k i ，l ) c v b s ，a n ds - v i d e o 视频信号 支持多达l o 个的模拟视频输入端 用户可编程设置数字视频输出格式 可设置行同步和场同步信号的位置、极性、宽度 分量信号和s - v i d e o 视频信号处弹 一对分量视频输入采用自适应2 维5 行梳状滤波并对色度信号采用陷波滤波 一对n t s c p a l s e c a m 信号能自动检测并切换 一亮度信号的峰值可编程控制 低功耗：内核采用1 8 v ，数字i o 采用3 3 v ，模拟的内核采用1 8 v 3 3v 通过设置t v p 5 1 4 7 的内部寄存器来初始化和控制芯片的工作，丰机和t v p 5 1 4 7 的通信是 通过标准的1 2 c 丰机接口。下面介绍几个系统程序设计中要用到的寄存器【2 l 。 l输入选择寄存器( 了地址0 x 0 0 ) t v p 5 1 4 7 解码器可配置成多种混合输入方式， l j 是必须遵循参考文献【2 】中表2 一1 2 所水来 正确配置各输入端的信号类型。比如输入的是c v b s 信号( 如p a l 制电视号) ，则输入端 “京邮电人千硕十研究生学位论文第二审系统上耍硬什的功能结构及萁接n 电路殴汁 v l l a 对应的输入选择寄存器的值是o o h ，输入端v i j p 对应的输入选择寄存器的值足 0 l h ， 2 视频标准寄存器( 了地址0 x 0 2 ) 该寄存器的低二位用来选择各种视频标准，可支持的标准如表3 2 所示。 表3 2t v p 5 1 4 7 支持的视频标准 v i d e os t a n d a r d 【2 ：0 c v b sa n ds v i d e o 信号 分量视频信号 o o o 自动选择自动选择 0 0 l ( m ，j ) n t s c c o m p o n e n t5 2 5 0 1 0 ( b ，d ，g ，h ，i ，n ) p a lc o m p o n e n t6 2 5 o ( m ) p a l 1 0 0 ( c o m b i n a t i o n - n ) p a l 1 0 j n t s c4 4 3 l l os e c a m l l lp a l6 0 3 亮度处理控制寄存器3 ( 了地址o x 0 8 ) 该寄存器的低2 位用来选择四个陷波滤波器中的一个，这些滤波器除去分量视频信号中的 色度信号，进而提取亮度信号。色度信号陷波滤波器的带宽以色信号的载波频率为中心频率， 其宽度由该寄存器的低2 位控制，对于不同制式的视频信号，不同的选择所对应的带宽如参 考文献【2 】的2 1 1 9 节所示。 4 色度处理控制寄存器2 ( 了地址0 x 0 e ) 该寄存器用来选择是否肩用p a l 补偿、宽带色信号低通滤波以及色滤波器的选择。 5 输出格式寄存器l 该寄存器用来设置抽样牢，y c b c r 输出码范围，c b c r 码格式和输出格式。t v p 5 1 4 7 解码 器可支持三种输出格式，用该寄存器的低二位来选择，分别为： o u t p u tf o r m a t 【2 ：0 】： 0 0 0 ：内置同步信号的t o - b t4 ：2 ：2 数据格式 0 0 1 ：独立同步信号的2 0 - b i t4 ：2 ：2 数据格式 0 l1 ：独立同步信号的1 0 b i t4 ：2 ：2 数据格式 4 输出格式寄存器2 该寄存器用来设置是否使能输出引脚y 9 ：o 】、c 9 ：0 】和d a t a c l k 或将这些弓i 脚设为高阻 日 i 臼京邮电人学硕十研究生学位论文 第二审系统土要便仆的功能绀社j 及其接n 电路蹬汁 态以及输出时钟d a t a c l k 的极性。 3 1 21 2 c 接口 丰机通过1 2 c 接口和t v p 5 1 4 7 解码器通信，1 2 c 接口包括两个信号，串行输a 输出数据 线s d a 和串行时钟输入线s c l ，通过这两个信号线即可在连接到总线上的设备间传输信息。 1 1 2 c 接口的重启和地址选择 t v p 5 1 4 7 解码器可选择两种芯片地址，地址的选择是在重肩时完成的，t v p 5 1 4 7 在 二电 或r e s e t b 信号的上升沿采样3 7 脚的电平，若采样结果为高电平，则置位1 2 c 总线地址的 a 0 位，否则3 7 脚内部的下捉电阻将该端的电平拉低，地址的a o 位为0 。1 2 c 接口地址如表 3 - 3 所示。 + 如果 表3 - 31 2 c 总线地址 a 6 a 5 a 4 a 3 a 2a l a 0 ( 1 2 c a )洲 h e x l0lllo 0 ( d e f a u l t ) i ob 9 b 8 loi1io1 i 0b b ，b a 为 3 1 21 2 c 总线操作 1 2 c 总线发送的数据格式如下所示 s 1 0 1 1 1 0 0 0a c kj 从地址ia c kj 发送数据ja c kp | 从1 2 c 总线接收的数据格式如下所示 i s1 0 l l l o o oa c k j 从地址ja c k 81 0 1 1 1 0 0 1a c k j 接收数据ln a kl pj 各符号所表示的意思如下： s ： 1 2 c 总线开始条件 p ： 1 2 c 总线停止条件 a c k ： 由从设备产牛的应答信号 n a k ： 丰机产牛的应答信号，当丰机连续凑较多个字节时，除了最后一个字节，每个字节郜 有一个a c k 应答信号 从地址：此处相当与t v p 5 1 4 7 的1 2 c 接口地址 接收数据：数据字节，如果读取或写入多个字节，从地址将会自动增加 o 讥矗邮电人中颈十研究生学位论文 第三章系统主要埂f | 的功篷结构及其按广 电路蹬汁 3 2 视频压缩芯片a d v 6 1 1 的功能结构 数字图像处理系统的核心技术之一是将模拟视频信号数字化并压缩编码，以便能在可利 用的数字通信线路上传输。目前常用的图像压缩技术有：j p e g 标准，m p e g 标准、h 2 6 x 标准 和小波变换等。j p e g 标准是由国际图像编码联合专家组于1 9 9 0 年最终确定的静止图像压缩 编码技术，该标准包括图像编码和解码以及压缩图像数据的编码表示。该标准的摹本编码方 式是将图像分成8 8 的了块，分别作d c t 、量化，然后进行哈犬曼( 或算术) 编码，无进行帧 间编码；m p e g 标准是用于运动图像及其伴音压缩与编码的标准，该标准丰要包括： ( i ) m p e o 一1 是面向普通家庭电视机分辨牢水平的视音压缩标准，旨在达到v c r 质量，视 频压缩率为2 6 ：l 。 ( 2 ) m p e g 2 是面向广播电视级分辨率视频的视音压缩标准，适用于计算机显示质量的图 像，压缩后的数据牢为6 m b p s ，可将视频节日中的视频、音频、数据内容等组成部分复合成 单一的比特流，适合于在网上传输。 o ) m p e g 一4 用于每秒i o 蔽低速率和6 4 k b p s 的低带宽视频信号传输，编码系统开放并可 随时加入新的算法。 ( 4 ) m p e g 7 标准是针对基于内容检索需求的“多媒体内容描述接口”，它将多种不同类 型的多媒体信息进行标准化的描述，同时为多媒体描述的不同步骤定义了一整套的方法和工 具，将描述与所描述的内容相联系，以实王见快速有效的搜索。 h 2 6 x 标准手要是指h ，2 6 1 、h 2 6 3 和h 2 6 4 标准： ( 1 ) h 2 6 1 是于1 9 8 9 年制定的可视电话和电税会议的视频压缩标准，建议传输速率为p x 6 4 k b p s ( 贮1 3 0 ) ，该标准采用具有运动补偿的帧间预测，然后对预预测误差作d c t 、量化利 霍大曼编码，采用向前预测使编码延迟减小。 ( 2 ) h 。2 6 3 标准是i t u - t 毒4 定的低比特率视频压缩标准，采用的图像格式为q c i f ( 1 8 0 1 4 4 ) 或s u b q c i f ( 1 2 8 x 9 6 ) 。 f 3 ) h 2 6 4 标准是i t u t 和i s o i e c 联合开发的使用于低码率的新一带的数字视频编码标 准，其e 的是为了获得更好的图像压缩效果和更好地适应不同的网络列：境。 小波变换以其良好的空间一频率局部特性和与人眼视觉相符的变换机制，在图像编码领 域得到了广泛应用。在小波压缩系统中，有2 个至关重要的因素：一是压缩编码算法；二是小波 滤波器。压缩编码算法丰要有s h a p i r o 的零树编码以及s a i d 的s p i h t 和x i o n g 的时频量化等。 由京邮电人学砸十研究生 位论文第二# 系统土要硬什的j j j 能结构及其接n 电路设汁 在滤波器的选择上一般选择正交滤波器组，除去图像像素之间的相关性。c o h e n 和d a u b e c h i e s 等人的7 - 9 双正交小波基不仅具有良好的数学性质，还具有良好的压缩性能。在图像监控领域 采用小变换算法或集成小波变换功能的芯片，将使图像的质量得到很大幅度的提升，是一种 优良的解决方案，它有效的解决了视频信号在低带宽线路上的传输，使长距离传输实时活动 图像变得容易和便宜。 3 2 1a d v 6 1l 的主要性能 a d v 6 1 l 是a d 公司推出的新一代基于小波殚论的视频编解码芯片，其小波变换基函数采 用的是c o h e n 和d a u b e c h i e s 等人的7 - 9 双正交小波基，是一种低价、单片、多功能、全数字 的c m o s v l s i 器件。a d v 6 l1 支持对c c i r - 6 0 l 数字视频进行高画质实时压缩解压缩，压缩 倍数从视觉无损的4 ：1 到7 5 0 0 ：l 倍，并能获得比较好的丰观评价效果。其压缩牢是由与之相 连接的片外丰机根据当前场的统计量和期望的压缩比，利用“微分一比率一积分p | ，算法计 算得到的自适应量化系数及其倒数决定的。 a d v 6 11 具有以下一些丰要性能： ( 1 ) 精确的压缩位率控制，压缩位率由输入数字视频信号的统计特性和选择的压缩率决定。 ( 2 ) 高清晰度取景框功能：允许一帧中某一矩形区域相对于其他区域( 我们称之为背景) 有较低 的压缩比，或完全不进行压缩。 ( 3 ) 。硬件编码实班小波变换。 ( 4 ) 支持电影质量数字视频的国际标准c c i r 一6 0 1 ，最大可用场图像尺寸为7 6 8 2 8 8 ，最大像素率 为1 4 7 5 m h z 。 ( 5 ) 3 2 位丰机接口，带5 1 2 个3 2 位f i f o 。 3 2 2a d v 6 1l 的内部结构 a d v 6 1l 的内部结构【4 l 如图3 - 2 所示，其摹本工作原理为：编码时从它的数字视频i of 接收束压缩的数字视频信号经小波变换和帧抽取、自适应系数量化、游程编码和h u f f m a n 编码，产牛压缩后的数据流，送入集成于片内的5 1 2 x 3 2 位大小的f i f o 缓冲区，一旦f i f o 的数据量达到辛机在寄存器里的预置值时，a d v 6 11 就发出中断请求信号，从它与书处理器 的接l 】输出压缩数据比特流。当解压缩时，压缩数据从丰处详器接口送入到f i f o 里，然后经 过与编码时的逆过程，数字视频接口输出标准的数字视频分量。 柯京邮电人学硕十研究尘学位沧文第二章系统i 妥慢识：的功链结构及其接r 1 电路垃l 2 5 6k 1 6 他d r a m ( 场存j i 1d s p ( 可选) 数 # 复 合 税 赣 数 字 攫 凝 i o n 小渡变按援 片内转换 缓冲器褂阵 图3 2 a d v 6 1 l 功能框图 a d v 6 11 实际由8 个功能块组成，其中3 个是接口模块，另5 个是数字信号处殚模块。 接口模块包括数字视频i o 接口( d i g i t a l v i d e o i o p o r t ) 、丰机i o 按1 2 1 ( h o s t i o p o r t l 和外 部d r a m 存储销理器( e x t e r n a ld r a mm a n a g e r ) ；5 个数字信号处王单模块是小波核( w a v e l e t k e r n e l ) 、片内变换缓冲器( o n - c h i p t r a n s f o r m b u f f e r ) 、可编程量化器( p r o g r a m m a b l e q u a n t i z e r ) 、游程编码器( r u n l e n g t h c o d e r ) 和h u f f m a n 编码器( h u f f m a n c o d e r ) 。其【 l ， 量化所需自适应量化系数由丰机完成，熵编码包括游程编码和霍大曼编码。丰机口可为1 6 位或3 2 位，带有5 1 2 3 2 k b i l 缓存f i f o 。各部分功能下： 小波变换核：是整个芯片的核心部分，丰要完成二维离散小波变换。它采用基于双正交摹 ( 7 ，9 ) 小波变换和帧内了带编码的压缩算法，并内含一个工作子图像水平方向及垂直方向的滤 波器组。这些滤波器使用了一些有效的小波摹函数，摹于小波变换的压缩方法的优点是无须 将图像分解成了块，这样就可以消除在高压缩比下出现的方块效应。对图像进行小波变换时 使用内部缓冲器，避免使用较为昂贵的高速外存。 白适应量化器：用来量化小波系数，量化系数可以由外部的丰机进行控制；这个模块的 作用是根据人的视觉特性对滤波后的图像进行量化。通常，人眼在同一层精确度上对低频分 量比对高频分量敏感。因此，滤波时，对高频信息所进行的量化幅度应该大些而对低频信 息的量化l 幅度要小一些。 熵编码模块：包含了两种类型的熵编码器以获得无失真的编码：游程编码和哈大曼编码。 游程编码器丰要用来查找长字串的零，同时用短的码字代替：哈大曼编码器理论上可以产z 卜 所有最常尉的码字序列表。a d v 6 1l 中使用了三种固定的哈大曼编码字表，而没有产牛码字 表。 缓冲器：提供小波变换核所需要的变换缓冲区，并用来提供足够大的空间以存储小波变 占 i 柯京邮电大学颂十研究生学位论文第二常系统土要硬件的功能斛构及其接n 电路没汁 换后的数据。 d r a m 书：殚器：用于控制外部d r a m 的读写及更新。 辛机i o 及f i f o ：用于a d v 6 1l 和丰机间传送控制和状态信息。以及压缩的视频数据。 a d v 6 11 共有8 4 个数据寄存器和一系列的状态、控制寄存器。其中，数据寄存器是片内 f i f o 的映射，用于存储经小波变换后的图像压缩数据( 编码和解码过程各需要4 2 个) ，以 供自适应量化和熵编码进行进一步数据压缩，实现实时视频信号压缩。状态和控制字寄存器 是间接寄存器，a d v 6 1l 对它们进行统一编址，通过丰机接口访问片内四个3 2 位直接寄存器 进行读写操作。下面简要介绍下直接寄存器和间接寄存器及该系统所要用到的一些寄存器的 设置。 四个3 2 位直接寄存器的映射如图3 3 所示 卣接寄存 器地址 o x o 0 x 4 0 x 8 0 x c 保留间接寄存器地址 保留 间接寄存器数据 小波变换系数 保留 中断屏蔽状态寄存器 图3 3 直接寄存器的映射 1 间接地址寄存器( 字节偏移地址0 x 0 0 ) 该寄存器的1 6 - 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