（通信与信息系统专业论文）视频的低速率采集和扩频通信.pdf

摘要 本论文讨论了一种基于小渡变换编码的视频低速率采集、传输、 和回放系统的设计。内容包括理论分析、方案论证及系统的硬、软件的 实现设计硬件部分的设计：小波变换编码部分选用 d 公司的a d v 6 1 i 芯片；视频的采集通过u s b 口；信遭部分选择了基于扩频技术的无线扩 额平台a t 一3 4 0 d s h ；整个系统由t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为主控机 采完成。软件部分的设计：c p l d 部分的设计选用了m a x p l u s 进行开发： d s p 部分的软件开发选用了t i 公司的c o s 由小波变换编码实现的视频压缩在具备高压缩比的基础上，仍拥 有较高的主观视觉效果，避免了由分块d c t 变换引起的方块效应。而基 于扩频技术的无线通信信道，为视频的传输提供了保密及抗千掘陛能强 等优点用u s b 可使视频采案非常方便 关键词；数字视频小波变换编码u s b d s p c p l d 扩频通信 、i 一 、 “。 a b s t r a c t ad e s i g no fd i g i t a lv i d e oc o l l e c t o r 、c o m m u n i c a t i o n 、r e p l a y s y s t e m w i t hw a v e l e t 、u n i v e r s a ls e r i a lb u sa n di sd i s c u s s e di n t h i st h e s i s i ti n c l u d e s d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e d e s i g n o fh a r d w a r e i n c l u d i n g ： a d i g i t a l v i d e o c o d e c d e c o d e c c h i p ( a d v 6 11 ) p r o d u c e db ya di n c b a s e do nw a v e l e t t r a n s f o r m ：au s bc o n t r o l l e r ( p i d u s b l 2 ) c o l l e c t i n gt h ec o m p r e s s e d d i g i t a l v i d e os i g n a l ：as p r e a ds p e c t r u mp l a t f o r m ( a t 一3 4 0 d s h ) s e n d i n g r e c e i v i n g t h e s p r e a ds p e c t r u ms i g n a l ；a n d ad s p c o n t r o l l i n gt h ea l ls y s t e m t h ed e s i g no fs o f t w a r ei n c l u d i n g ： m a x p l u sd e s i g n i n gt h ec p l d si n n e r l o g i c a lc i r c u i t ：c c s ( c o d e c o m p o s e rs t u d i o ) d e b u g g i n gt h ep r o g r a mo ft h ed s ps y s t e m a na d v a n t a g eo fw a v e l e t b a s e dv i d e ec o m p r e s s i o ni st h a ti t o f f e r sn l o r e g r a c e f u li m a g ed e g r a d a t i o na t h i g hc o m p r e s s i o n r a t i o s ，a n di ta l s oe l i m i n a t e st h eb l o c ka r t i f a c t ss e e ni nd c t c o m p r e s s i o n t h ew i r e l e s s c h a n n e lb a s e do n s p r e a ds p e c t r u m m o d u l a t i o nc a na s s u r et h ed i g i t a lv i d e o s i g n a lc o m u n i c a t i o ns a f e a n d w i t h s t a n d i n g t h e h i g h n o i s e d i s t u r b i n g c o n d i t i o n a d d i t i o n a l l y ，t h eh i g hf l e x i b i l i t yu s bp l u g a n d - p l a yi n t e r f a c e m a k e st h i sv i d e oc o l l e c t o rv e r y e a s y o f - u s e d i g i t a l v i d e ow a v e l e tt r a n s f o r mu s bd s p c p l d s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n 第一章绪论 i - i 概速 视觉是人类获取外部信息最为重要的途径“百闻不如一见”，视觉 信息给人们以直观、生动的形象。涉及到连续视觉图像信息的视频信号 有模拟和数字之分数字视频是一个全数字处理和传输系统而数字视 频系统是目前广泛应用的模拟视频系统发展的必然趋势，目前的数字电 视( 包括高清晰度电视h d t v ) 、多媒体视频图像、视频会议、可视电话 和移动图像通信的迅速发曩、普及都说明了这一点 视频系统不同的图像质量、对信道的吞吐量的要求及价格等因素均 和数字视额的带宽( 即数据传榆率) 有关所以视频系统的分类以视频 的带宽为准数字电视( 包括高清晰度电视) 的传输率达到2 0 m b p s ；多 媒体视频图像如c d - r o m 所需的传输率为1 5 m b p s ；视频会议为 p 6 4 k b p s ；可视电话匆移动图像通信的传输速率为1 0 k - 2 5 k b p s 它们 可在i s d n ( 综合业务数字网) 线路上的视频通信，p c 机及工作站平台 上的多媒体、数字化视频广播以及低比特中应用 低速率视频传输的应用前景日益为人们所重视，如通过p s t n 网传 输可视电话、互连网上的多媒体电子邮件以及无线移动网上的各类视频 业务1 9 9 5 年国际电信联盟i t u t 提出了针对低比特视频应用的h 2 6 3 视频编码标准，并获得了很大成功，奄k 2 - i a 为基于d c t m c 混合编码 方案的所能达到的最佳结果再加上以后几年的补充和修订，可以说基 于d c t m c 混合编码方案已山穷水尽。 人类总是在发展机遇和挑战总是不断在出现 3 c 交叉融合是发展的妊然所谓的3 c 融合即信息领域的计算机 ( c o m p u t e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 及以电视为代表的消费电器 ( c o n s u m e r e l e c t r o n i c s ) 的交叉。i v l p e g 专家组在h 2 6 3 成功的基础上 提出d p e g - 4 编码标准其中基于对象和交互性是它的中心，v l p e g - 4 对低码率范围并未做出特殊的要求然而i v l p e g - 4 若在编码方案上仍然 是基于子决为基础的混合鳊码方案，那它所能达到的功能就与其初衰还 依然有较大差距编码技术的研究还有不少工作尚待要做 新的压缩编码算法在不断的提出，加上大挠旗集成电路的集成度的 不断提高，使这些新的压缩编码算法得以在一片芯片上就能实时的完 成 1 - 2 论文研究内容争意义 本论文是在基于小渡变换编码芯片( a d v 6 1 1 ) 的基础之上，对视 频信号进行低速率采集并在无线信道中进行传输和接收。 小波变换天生就具有比d c t 变换优秀的诸多特点它作为第二代 视额编码技术采用了基于非像素的表征方法它采用由轮廓，纹理等定 义的区域来表征视频图像，这种区域对应的是对象( o b j e c t ) 或对象的 一部分区域定义为一幅图像中具有相同特征的多个片段，对象定义为 一幅图像中表征有含义的实体的一组区域在这种表征方法中，对象代 替了像素，一幅图像，视频可以看作是不能再分解的一组对象而这些 特点为在基于以对象和交互为中心的视频编码标准( 瑚e k 阱) 提供了 曙光 本论文研究的重点是用小波压缩芯片和d s p 系统实现视频的高压 缩比采集，而存储、传输和回放作为视频系统的j 必要部分也给予嵇要的 讨论和设计由小波变换编码实现的视频压缩系统在具备高压缩比的基 础上，仍拥有较高的主观视觉效果而系统所选择的是基于扩频技术的 无线通信信道，这使为视频的传输提供了保密及抗干扰性能强等优点 由以上的一些优点使系统很适合应用于包括军事或执法的监视、智 能运载工具高速公路系统，港口交通控制等系统中加上系统的扩展部 分设计，使本系统也可应用于今后的视频节目源制作或多媒体网络通信 中视频采集中。 2 第二章基础理论分析 作为理论基础，本章在对视频压缩编码标准简单分析的基础上对 基于对象的视频编码方法进行重点介绍进而引出了1 - 波在图像压缩编 码中的应用小波编码技术作为本论文的重点理论基础，首先论述了小 波分析基础，再阐述了小波变换编码技术本章的最后对扩频通信理论 进行了简单的介绍 2 1 视频压缩标准分析 按编码的核心技术分，视频编码标准可分为第一代标准和第二代 标准在m p e g - 4 标准之前的m p e g - 1 ，m p e g 2 ，h 2 6 1 以及h 2 6 3 等标准都是采用传统的图像编码方法，依据s h a n n o n 信源编码理论的框 架，是将图像作为随机信号，利用其统计特性来达到压缩的目的这种方 法把视频序列按时间先后分为一系列的帧，每一帧的图像叉分成宏块以 进行运动补偿和编码，这种基于帧、块和像素的编码被称为第一代视频 编码技术第一代视频编码的核心技术是基于分块的d c t 变换d c t 的两个优点：一是d c t 具有良好的去相关性和能量集中特性，二是d c t 变换存在快速实现的算法所以d c t 在以前和现在的变换编码中得到 了广泛的应用 但是，随着研究和应用的深入，分块d c t 变换的缺点逐渐的暴露 出来尤其在低比特应用环境下，压缩图像不可避免地出现方决效应和 飞蚊噪声这是因为采用平稳高斯过程来刻画的非平稳的图像信号，用 余弦基进行非平稳信号的逼近，其结果必然不是最优的另外，这种方 案本身未能考虑信息获取者的主观特性以及图像的具体结构和内容，也 没有充分利用人类视觉系统的特性，难以实现对图像内容的查询、编辑 和回放等操作。 为了与人眼视觉特性符合，第二代视频编码技术采用了基于非像 素的表征方法；l 4 t l 采用由轮廓、纹理等定义的区域来表征视频数据， 这种区域对应的是对象( o b j m ) 或对象的一部分区域定义为一幅图 像中具有相同特征的多个片段，对象定义为一幅图像中表征有含义的实 体的一组区域在这种表征方法中，对象代替了像素，一幅图像视额 可以看作是不能再分解的一组对象 一幅图像可以包括一个或多个视频对象，通过纹理、形状、运动 等方式来表征每一个识破对象的时间、空间信息依据这种特性，基于 对象的表征方法带来了一个非常重要的功能交互性。 基于对象的编码方法中，编码的基本单元是对象，基于对象的编 码主要是针对纹理、形状、运动这三种信息的编码技术因此基于对象 的编码方法有： 扎对象的形状信息编码所采用的方法； b 对象的纹理乖颜色信息编码所采用的方法： c 对象的运动信息编码所采用的方法： d 用以上的几部分合成整个系统时所采用的方法 基于对象的视频编码通用框图： 圈2 - i 基于对象的视频编码通用框图 4 2 2 子带麓码技术 f o u r i e r 变换、d c t 变换和小波变换等都是子带变换特例子带变 换器是一个多通道数字信号处理系统。抽取( d c c i m a t o r ) 、滤泼( f “t e r ) 和插值( i n t e r p o l a t o r ) 是构成子带变换的三个基本要素抽取过程实质 就是对离散信号按一定间隔重新采样，采样间隔也称为采样因子这里就 用( im ) 符号表示；插值是抽取的逆过程，即在原始信号采样值之间 通过补零来增加采样个数，m 个采样插值相当于保留一个原始采样值， 增补m - 1 个零值，用( f m ) 符号表示，如下为子带变换系统示义图 圈2 - 2 子带变换系统 图中左边部分是子带变换的正变换。信号送入第一级滤渡器组的输 八端，该滤波器组称为分析滤波器带( a n a l y s i sf i l t e rb a n d ) ，滤波器 输出的信号被抽取，即每融个离散仅保留一个。右边部分，是子带变换 的逆变换被滤波和抽取的信号首先经过插值处理，接着通过一组综合 滤波器带( s y n t h e s i sf i l t e rb a n d ) ，最后，重构出信号的各个分量 在一定条件下，原始信号能从这些m 组抽取的数值中完全重建 子带编码的基本思想是，将原始信号通过一组滤波器滤波后并抽 取，被分戍若干包含有限频宽的子带，然后对每一个子带根据其不同的 频率分布特性采取不同的编码方案，如标量量化或者矢量量化等等。 子带鳊码的优点在于：1 ) 由于每个子带都独立处理，因此其编码 和解码的误差不会扩散到其它的子带：2 ) 通过改变不同子带内的比特 分配，鏊体的编码误差以视觉最优化的方式分布在各个子带中产生子 带的过程本身并没有压缩信号，备个子带里的采样点数之和仍然等于原 始信号的采样点数，但是原始信号的能量在各个子带得到重新分配，使 得独立对子带系数进行鳊码比直接对原始信号编码更为有效 ， 2 - 3 小没在图像压缩螭码中的应用 小波分析( w a v e l e ta n a l y s i s ) 是傅立叶分析与调和分析发展史上的 里程碑。小渡变换最早由m o r l e t 和g r o s s m r n 提出小波分析具有良好 的时烦局部特性小波变挟特有的与人眼视觉特性相符的多分辩率分析 能力及方向选择能力，而被广泛应用于图像压缩领域它用于图像压缩 的最大特点是压缩比高，压缩速度高，压缩后能保持图像的特征不变， 给人的主观感觉良好本节在介绍小渡分析的基础上，阐述了小波编码 的基本思想最后对小波变换编码紧密相关的问题作了概括性的阐述。 2 3 - 1 小波分析基础 小波变换是一种窗口大小不变但其形状可变的时频局部化分析方 法小波变换在信号的高顿部分，可以取得较好的时间分辨率；在信号 的低频部分，可以取得较好的频率分辨率，从而能有效地从图像信号中 提取信息 平方可积分函数，( f ) e 三2 似) 的连续小波变换定义为： 吁) = 赤几p ( 等卜删 舯哪) 。赤f ( 灿母j 、则( t ) 生成削啵，a 糊尺 度参数，b 称为平移参数。 进行数字信号处理时要采用离散化处理，离散小波变换是针对尺度 参数a 、平移参数b 进行离散化，最常用的是二进制动态采样网络，每 个网格点对应的尺度为2 ，平移为2 j k ，即 j ( f ) = 2 - j 2 掣( 2 一。f 一七lj ，k z 该离散化小渡称为二进制小波。 二进制小波对信号的分析具有变焦距的作用，假定一开始选择一个 放大倍数，它对应为观测信号的莱一部分内容如果想进一步观看信号 更小的细节，则需要增加放大倍数，即减小j 值。在这个意叉上，小波 6 变换被称为数学显微镜 为了更好的说明小波分析，先来了解多分辨分析的概念。 对于许多信号来说，低频分量是保持信号特性的重要部分，高额 分量则仅仅起到提供信号细节的作用比如人的发音，如果将声音信号 的高额分量去掉，声音会有所不同，但我们仍然能够听出说话的内容 然而，去掉一定量的低频分量，听到的将是无法听懂的声音对于一幅 图像，低频分量是它的轮廓，高频分量则是它的细部纹理 考虑用多个分辨率对一个平方可积分函数加) e 口似) 进行逼近。 如果谊函数是一信号，那么“用可变分辨率2 去逼近它”也可以等价 叙述为“用分辨率2 一，取出相应的信号细节来进行分析”。 令中( t ) 是一个平方可积分的连续函数，即o ( t ) l 2 ( r ) ，并且 办，。( ) = 2 1 “谁1 t - k ) 是由( t ) 生成的二维离散序列 令参考子空间v 。由审l 2 ( r ) 生成： v o = c l o s e 概j ：k z 并且其它所有子空间v ，也由o l 2 ( r ) 生成： 巧= c l o s e 轨j ：k z lj z 它表示v j 是妒( 2 一j t ) 通过平移形成的所有子空间的闭集，即v j 代表 与分辨率2 吖对应的多分辨分析子空间。 m a l l a t 已证明：如果v j ( j z ) 是l 2 ( r ) 空间的一个多分辨分析近似， 则存在尺度函数中( t ) er ( r ) 由中( t ) 伸缩和平移而得到 办，。( ，) = 2 一“2 妒( 2 7 t i lk z 它是v j ( jez ) 的一组标准正交基。我们称m ( t ) 为多分辨分析的尺 度函数或生成元同一多分辨分析可有多个不同的生成元满足上述条 7 件的任何矢量空间集v ，( jez ) 称为l2 ( r ) 空间的多分辨率分析。 m a l l a t 在1 9 8 8 年提出m a i f a t 算法计算离散小波变换。其基本思想 如下：假定我们已经计算出一函数或信号f ( t ) l 2 ( r ) 在分辨率2 1 下的 离散逼近一，( f ) ，l l , lf ( t ) 在分辨率2 m “下的逼近彳。s o ) ，可通过用 离散低通滤波器对4 ，( f ) 滤波获得。 令o ( t ) 和撕) 分别是信号f ( t ) 在分辨率2 一逼近下的尺度函数和 小波函数，则其离散逼近4 ，几) 和细节部分b 巾) 可分别表示为 4 ，( f ) = c j ，。办，t ( f ) d i ，协= d i k 九l q t 式中q ，t 和分别为d j ，t 分辨率下的粗糙像系数和细节系数a j f o ) 和d j ，( f ) 分别称为逼近( 粗糙) 信号和细节信号。 根据m a l l a t 算法的分解思想，4 ( f ) 分解为粗糙一。( f ) 和细节 q + 。，( f ) 之和： 彳，( f ) = a j + 。，( ，) + d s + ，( f ) 式中一川厂( f ) = q + l j t 妒川，( f ) ：q + ，( ，) = d j m 伊j + l , m o ) l 。m 信号相当于通过两个互补的滤波器( 一个高通滤波器，一个低通滤 波器) 形成细节信号和逼近信号但在实际操作时，一个1 0 0 0 点的采 亲信号，经过两个滤波器将分别输出1 0 0 0 个值、共2 0 0 0 个采样，是原 始信号的两倍为了减小数据量，小波分析中引入下采样 ( d o w n s a m p li n g ) ，即从每两个采样点中取一个作为采样值以保持数据 8 量不变。 分解过程可以重复进行，即逼近信号可以继续被分解，因此，一个 信号可以被分解为许多低分辨率分量，我们称之为小渡分解树w a v e l e t d e c o m p o siti o nt r e e ) 虽然理论上小波分解是可以无限进行下去的，实际中分解只能进行 到细节信号为一个采样时，因此进行小波变换时应根据信号的特性选择 全程的分解阶数用类似的方法不难推出重建过程，在此不在详逮下 面的结构图给出了二维小波变换的分解、重建结构。 图2 - 3 小波子带变换框图 2 3 2 小波编码的基本思想 小波编码基本沿袭了变换蝙码的基本思想，即去相关性变换、 量化和熵编码等是构成小波编码的三个主要部分如图所示 叫小波变换卜_ 叫量化h 编码卜 原始图像u l - _ 一l 一 比特流输出 图2 4 小波压缩编码框图 其基本思想：将原始图像经小波变换后，转换成小波域上的小渡 系数，然后对小波系数进行量化编码。 9 采用二维小波变换快速算法，小波变换就是以原始图像为基础，不 断将上一级图像分解为四个子带的过程每次分解得到的四个子带图 像，分别代表频率平面上不同的区域，他们分别合有上一级图像中的低 频信息和垂直、水平及对角线方向的边缘信息 图2 5 一、二级的小波分解图 说明：l l 为低频子带的，眦、u l 、衄为高频子带 图像进行小波变换后，并没有实现压缩，只是对图像的能量进行 了重新分配但小渡变换后的小泼图像却拥有非常有意义特点： 2 - 3 - 2 - 1 备高频子带具有方向选择性 从图像小渡变换的实现过程，图像数据的每一级小波分解总是将 上级低频数据划分为更精细的频带其中i l l ，频带是通过先将上级低频 图像数据“。在水平方向低通滤波后( 行方向) ，再经垂直方向高通滤 波( 列方向) ，而得到的，因此，i l l ，频带中包含了更多垂直方向的高 频信息相应地，在馏频带中，则主要是原图像水平方向的高额成分， 而h h 频带是图像中对角线方向高频体现 另一方面，对一幅图像来说，其高频信息主要集中在边缘、轮廓 和某些纹理的法线方向上，代表了图像的细节变化在这个意义上，可 以认为小波图像的各个高频带是图像中边缘、轮廓和纹理等细节信息的 体现，并且不同频带所表示的边缘、轮廓等信息的方向是不同的其中 1 0 i l l 表示了水平方向的边缘，轮廓和纹理信息，三日，表示的是垂直方向 的边缘、轮廓和纹理信息，而对角方向的边缘、轮廓等信息则集中体现 在h h 频带中。小波图像的这一特点表明小波变换具有良好的空间方 向选择性，与人眼的视觉特性十分吻合，这样就可以根据不同方向的信 息对人眼作用的不同来分别设计量化器，从而得到很好的编码效果。 2 - 3 - 2 - 2 多分辨率分析 小波变换更为重要的优越性体现在其多分辨率分析的能力上。小波 图像的各个频带分别对应了原图像在不同尺度和不同分辨率下时原始 图像的最佳逼近以四级分解为例，最终的低频带l l 是原图像在尺度 为1 1 6 和分辨率为l 1 6 时的一个逼近，图像的主要内容都体现在这个 频带数据中；h l j ，三日，h h j 则分别是图像在尺度为i 2 j 、分辨率为 l 2 。( j = 1 ，2 ，3 ，4 ) 下的细节信息，而且分辨率越低，其中有用信息的比 例也越高从多分辨率分析的角度考虑小波图像的各个频带，由于它们 是图像同一边缘、轮廓和纹理信息在不同方向、不同尺度和不同分辨率 下由细到粗的描述，它们之问妊然存在一定的关系，其中很显然的是这 些频带中对应边缘、轮廓的相对住置都应是相同的。此外低频小波子带 的边缘和同尺度下高频子带中所包含的边缘之间也有对应关系 小波图像的这种对边缘，轮廓信息的多分辨率描述为人们对这类 信息进行较好编码提供了基础由于图像的边缘、轮廓类信息对人眼观 测图像时的主观质量影响很大，因此，无疑会改善编码图像的主观质量 2 - 3 - 2 - 3 天然的塔式数据结构 图像经多级小波分解后，各系数问存在着天然的塔式, r - t 岳结构。 除最高分辨率下的三个高额子带外，每个高频子带中的每个像素点在空 间位王上都对应于其相邻分辨率下高频子带的四个像素点而低额予带 中的每个像素点在空间位置上也与最低分辨率下三个高频子带中的一 个像素点存在着对应关系，如图下图所示。 t 兰 - 告 图2 - 6 小波图像的天然塔式结构示意图 2 钓小波变换翁码的关冀技术 用小波分析方法对图像进行编码时，主要涉及三个方面的关键技 术：图像的边界- t r 展，小波基的选择和小波系数的组织。 2 - 3 - 3 1 1 图像边界的扩展 由离散小波变换算法可知，对图像进行小波分解与合成的运算是 卷积运算由于一幅图像的范围总是有限的，分解时，如果直接对其进 行f i r 滤波，则在保留与原图相同尺寸数量的情况下，合成过程必然会 带来信号边界的失真，影响恢复图像的质量，因此必须要对图像信号进 行边界扩展目前常用的边界扩展方法有：周期扩展、边界补零扩展、 重复边界点扩展、对称扩展、反对称扩展从信号的完整重构角度出发， 周期扩展方法最好，其他都会在信号的边界点引入失真。 2 - 3 3 - 2 小波基的选择 在进行小波变换时，选用不同的小渡基会对编码的复杂度、压缩 比及恢复图像的质量等产生影响具有紧支集的正交归一小波基可以无 冗余地表征图像信号，所以早期成为小波变换的首选但是，满足紧支 集正交归一小波条件的函数往往缺乏对称性，所对应的f i r 滤波器不具 有线性相位，这对图像的缡码不利而双正交小波基正好相反，构造容 易，且并不增加处理上的计算负担，在实际中受到了广泛的重视。 第一个正交小波基由h a r r 于1 9 1 0 年提出，但由于其只有零阶消失 矩，小波变换后的信息的能量并没有很好地集中在低频子带，所以不利 于系数的压缩因为小波基的选取还应考虑到小波基的正则性和消失 矩，普遍认为具有线性相位、正别性好、消失矩大的小波基是首选的。 其中正则性刻画了小波的光滑度，即小波的图像正则性越大，分解后的 小波图像各高频子带的能量兢越集中于图像的边缘附近而消失矩表明 了小波变换后的信息能量的集中程度，即小波基的消失矩越犬，分解后 小波图像的能量就越集中于低频子带这样，小波图像各系数就越便于 组织，越容易获得高效率的压缩。i d a u b e c h i e s 构造了一族具有紧支集 的正交小波y ”和尺度函数”，分别具有 i - n ，n 】和 o , 2 n - h 的支集，正 则性随n 增大而增大d a u b e c h i e s 小波是目前最常用的紧支集正交小 渡之一由崔锦泰等人在r i e s z 基的小波( 即双正交小波) 上构造的b 样条小波，在时频分析窗的大小、正刘性、对称性以及实现和计算复杂 性方面均有较好的性能。在本论文的系统中，选取的就是由b 样条小 波基所构成的( 7 ，9 ) 双正交滤波器( 7 为低通滤波器长度，9 为高通滤波 器的长度) 用于图像编码。 2 8 - 3 - 3 小波图像系数的组织 由上一节的内容可知，小波图像系数具有明显的特征，小波变换 编码的重点就是充分利用这些特征，实现高效压缩为了实现高效压缩， 必须对小波图像系数进行量化，对小波系数进行量化的过程就是对小波 图像系数组织编码从而实现压缩的过程针对小波图像的特点，现有的 对小波系数的量化主要集中于标量量化和矢量量化两种方法。 ( 1 ) 标量量化友其编码方法 小波图像各个高额子系数的统计分布符合拉普拉斯分布，如果得 到了系数的统计分布，就可以利用l o y d - - g a x 方法得到最优量化器因 此从理论上讲，可以得到对应小波图像各个高额予带在均方误差意义下 的最优量化器。还可以根据小波图像具有的与人眼视觉特性吻合的方向 选择性及多分辩分析能力，对不同方向、不同分辨率的频带采用不同的 量化级，从而在提高压缩比的同时不降低恢复图像的视觉效幕另一方 面，为了到得更高的压缩比，有效地组织量化后的变换系数，使零码尽 可能集中在一起是非常重要的因此研究小波图像高频带系数有效的组 织和编码方法是小渡变换编码的关键之一 目前一般采用使零码连续出现概率最大的准则来组织系数，具体又 可分为两种，即在各个高频带内单独按方向组织系数的方法和利用各频 带相关特性采用四叉树结构组织系数的方法前一种方法利用了小波图 像的方向选择性特点，根据不同频带对应的边缘和轮廓的方向来组织系 数，如下图所示： 出 l汐。 l影 图2 - 7 按方向的小波系数组织 后一种方法基于小波图像多分辨率的信息组织系数，用四又树结构来刻 画各频带内容，位置之间的相关性，但忽略了小波系数的方向选择性。 如下图所示： t 兰 - 告 图2 - s 四叉树结构的小波系数组织 在4 、波图像标量量化编码方法中，迄今为止认为最有效的小波系 数编码方法是零树编码，或称嵌入式零树小渡编码( e z w ，e m b e d d e d z e r o t r e ew a v e l e tc o d i n g ) 。零树编码的基本思路是，对小波变换系数 1 4 的编码分解为两部分：一是对用来表明系数特性的系数重要性图进行编 码；二是对重要系数的幅度进行编码。利用不同尺度的小波系数间存在 较强的相关性，将多数的零系数组织成一种树型结构，从而提高了总体 编码效率 ( 2 ) 矢量量化及其壕码方法 由于小波图像系数的空间分布特征以及它的多分辨率的组织特点， 使得小波图像系数在空间位置和内容上均存在相关性，这很适合采用矢 量量化技术来处理。 2 - 4 扩频通信 扩额技术是将扩展了的频谱数据，在比传统所须的频带要宽的多 的频带上进行传榆扩频技术在许通信系统里有广泛的应用，包括双向 天线、蜂窝电话、全球定位系统和小型地面卫星终端本系统的之所以 选选择无线扩额平台为通信信道，是因为扩频通信系统具有如下的特 点： ( 1 ) 可对抗或抑制干扰的有害效应如人为的干扰、信道中其他 用户引入的干扰以及多径传播引起的自身干扰 ( 2 ) 用低功率发射信号可把信号隐藏起来，使窃听者在背景噪声 中检测信号非常困难。 ( 3 )在有其他收听者时可使信息保密。 正因为以上的诸多优点，用扩频通信来进行部队的哨位监视系统 是非常必要也非常合理的接下来从理论的角度对扩频通信进行分析 2 - 4 - 1 扩轰通信的基本原理： 扩频通信理论依据根据为山农( s h a n n o n ) 公式： c f f i w l 0 9 2 ( 1 + s n ) 公式说明：传输同样的信息容量c ，带宽w 和信噪比s h 可 以互换，扩频正是用增加带宽来降低对s n 的要求。在微波扩额 无线网络中，使用最多的是直接序列扩额( d s ) 方式 2 - 4 - 2 扩籁数字通信系统模型 如下图为扩频数字通信系统的基本原理，从发送端输入和在接收 端输出的是二进制信息序列 信 睦一懒k 信 道 图2 - 0 扩展频谱数字通信系统模型 出 扩频通信根据调制的方式不同，可分为直接扩谱序列( d s ) 和跳 频( f h ) 扩展频谱信号。直接扩谱是指调制器中产生的为噪声序列和 p s k 调制结合在起，使p s k 的信号的相位按伪随机方式偏移当伪 噪声序列的和二进制或m 进制f s k 调制结合在一起时，伪随机序列按 伪随机方式选取发送的频率，这就是跳频调制。 2 - 4 3 扩谱的性能分析 用差错概率分析扩额通信的性能根据公式： s 主差叫臣心e 呵辱习 其中：i s a w 是信号与人为干扰的功率比； 厶= 鲁= 篑= 皿是每信息比特的切谱数( c h i p ) ，相当 于在比特宽度内信号发生相位偏移的次数： 疋= 主即编码效率； 国。为信道编码的码重 另外，系统的处理增益公式为： s ， w 曼：卫：卫 3 j 。j 。 w s 。， 1 6 它表示因为扩展了传输信号的频谱而得到的抗干扰增益。 在解码过程如下图所示： 两个频谱卷积的结果是把功率扩展到整个带宽其结果是把干扰 z ( t ) 功率密度谱扩展到带宽为w 的频带上那么若z ( t ) 窄带过程，则卷 积输出的v 0 ) 过程功率密度谱所占带宽至少等于w 图2 1 0 相关型解调器 决变量 在经过带宽为1 t b 的积分器，由于1 t b w , 在相关器榆出端出现的干 扰功率仅仅是总干扰功率的很小的一部分，即只有i l c 。换言之，用伪 噪声发生器的信号与干扰相乘，将干扰扩展到信号带宽w ，而后的窄带 积分器却仅取总干扰的i l c ，因此伪噪声扩展频谱系统性能由于有处理 增益l c 而提高了 2 4 4 伪噪声序列的产生 在扩谱的应用中伪噪声( pn ) 序列的产生是一个很重要的课题 教常用的有m 序列码和g o l d 码m 序列码( 最大长度移位寄存器码) 由于具有教理想的伪随机特性，自相关函数尖锐，且电路实现简单，而 被广泛的用于扩频码序列1 9 6 7 年r g o l d 提出了g o l d 序列，亦具有 优良的相关特性，且序列数远大于m 序列，便于扩频多址应用下图 为g o l d 码发生器的原理结构图： 1 7 图2 1 1g o l d 发生器原理 1 8 2 ) 第三章系统方案设计及论证 本章首先提出了系统的总体方案设计然后在上一章的基础理论 之上对系统进行了论证其中包括视频图像的低比特率编码，采集和低 速率传输作为一整个通信系统的方案设计论证，本章分别从通信的信 道和信源两个角度对系统进行了讨论。 3 - 1 系统总体设计 系统的总体框图设计如下： 图3 - 1 系统的总体设计框图 1 9 3 - 2 系统的信道选择 系统的信道选择无线扩频平台( a t 3 4 0 d s h ) 。该平台的扩额方 式为直接序列扩频方式；通信的频段：3 3 6 - - - 3 4 4 m h z ；数字调制方式为 g m s k ( 高斯滤波的最小移频键控) ；发射功率：0 5 7 w ；其工作方式 为：同额半双工；信道速率为1 1 5 2 k b i t s ；工作电压为1 2 1 0 。 扩频通信已在上一章作了介绍3 3 6 - - 3 4 4 m h z 频段的选择是因为 该频段的电磁波具有较强的穿透和环绕能力而广泛应用于农村、远郊 区、边远山区和海岛等在规定的发射功率下其通信范围可达到方圆 2 0 k m 且谊频段不会被重新规划，国家鼓励电信运营商使用该频段用 于农村及监控通信中。谈系统可广泛的用于：有重大经济价值，安全防 范要求高，在地理位置上分布较广或位置较偏僻利用本系统可建立监 控调度中心、对远端现场的图像其他敏感数据进行实时监控以便对敏感 事件进行快速反应 作为视频图像的通信平台，其信道的吞吐量是系统最关心的参数。 信道速率为1 1 5 2 k b i t s ，则去掉大约1 0 k b i v s 左右的信号通信协议和控 制数据，剩下将近1 0 0 k b i t s 的信i f l 吞t , ：e 量可提供给视频信图像源传输 用另外该平台的传输延迟非常小，不到1 0 0 u s ，通信时的帧同步小于 l m s ，两相加与视频的采集压缩延迟比较可以忽略不计。还有一个参数 指标是扩频增益为1 6 d b 然而，在压缩后的视频图像通信中却要求有 - 6 较高的差错率l o( 这个数值是在d c t 变换编码中的标准，基于小波 的图像编码系统远可小于它) ，另外g m s k 调制时假设m = 4 时的差错 - 6 率为l o 时，所需的信噪比( s n r ) 约为1 0 d b ，系统的系统干扰可达 到6 d b 。 3 - 3 系统的信源部分的分析设计 由以上信道提供吞吐量为1 0 0 k b i t s 的信道来传输视频图像信号， 最需考虑的就是视频图像的压缩f - - i 题了这是本论文的重点问题要进 行视额图像的甚低速率传输，i t u t l b c 早以制定了h 2 6 3 标准。其目 的在于在p s t n 和移动通信上开展可视电话应用。并以获得了极大的成 功，被公认为是以像素与像素块为基础的d c t m c 混合编码所能达到 的最佳结果然而正如前面理论部分所速在m p e g - 4 标准之前的 m p e g 1 ，m p e g - 2 ，h 2 6 1 以及h 2 6 3 等标准都是采用传统的图像编码 方法，即把图像分成子块，然后通过d c t 变换去除图像块中的相关冗 余度这种方法难免出现方块效应和飞蚊嗥声在甚低速率图像编码中。 图3 - 2 编解码数据流图 由m p e g - 4 及m p e g 7 标准提出的基于内容( c o n t e n t - b a s e x i ) 的视 频表达环境，更多强调多媒体通信的交互性和灵活性，再是由 m p e g - 2 0 0 0 标准要求能实现渐进传榆，这些都对视频图像的压缩算法 提出进一步的要求放弃以d c t 变换为主的分块编码方式，而改进为 以小波变换为主的多分辨率编码方式必然成为以后多媒体通信和消费 电子业及娱乐影视业主流技术本论文正是应用小波压缩算法对视频图 像进行低比特采样和通信进行较深入的探讨并选择了具有代表性的小 波视濒压缩芯片a d v 6 1 1 进行实现，对出现的现象和问题作出了分析。 3 - 3 1 视频搞码，解码芯片的选择 本论文选择了由p h i l i p s 公司生产的s a a 7 1 1 l 和s a a 7 1 2 4 是一对性 价比较高的视频图像解编码芯片因为本系统并未涉及到视频中的语 音( a u d i o ) ，另外系统中对视频图像的视窗进行选取( v i d e o s c a l e r ) 处理可以在c p l d 和a d v 6 1 l 中来进行处理，所以解码芯片可以不选用 其它如s a a 7 1 1 2 或s a a 7 1 1 4 等。选择s a a 7 1 2 4 是因为它与s a a 7 1 1 1 的接口简单，便于调试。由于这两款芯片比较通用也比较普通，这里就 2 i 不对它们进行详细的介绍，具体性能和参数可见其d a t a s h e e t 3 - 3 - 2 视频压缩芯片的选择 视额的小波编码和解码芯片选用的是a d v 6 1l ，由a n a l o g d e v i c e 公司生产本小节先对它的性能作简单的介绍，然后讨论了作为系统的 低视频信源编码器的可能性 a d v 6 l l 是一款实时的视频压缩集成芯片，可用于闭路电视系统无 线摄像机中或低速率录像机中它的压缩算法基于( 7 9 ) 的双正交小 波变换基和子带编码子带编码器把二维空间视频数据变换成空间子带 数据量化器和熵编码器对变换后的数据进行了压缩。 它的框图如下所示首先支持8 陆的c c i r 6 5 6 视额接口和p h i f i p s 合成复用格式可以和s 从7 1 1 l 输出的视频信号直接接口具有输出 精确的码流速率数据输出端带有5 1 2 * 3 2 b i t 的f i f o ，所以其后无须再 加上一级缓冲直接的硬件实现帧缩减。场独立压缩压缩率从7 5 0 0 ： 1 到4 ：l 的无损压缩 图3 - 3a d v 6 1 1 功能框图 下面对视频压缩输出速率有关的几个重要方面进行阐述 3 - 3 2 1 基于感兴趣区的视频压缩 输出的视频压缩可分感兴趣区和背景区，如图，区域可直接控制 图3 - 4 基于感兴趣区的编码示意图 这样可通过控制感兴趣区的大小及其与背景区的对比度可以控制压缩 输出的数据的速率根据感兴趣区的大小及背景的重要程度可自由调整 压缩比 图3 5 可变的感兴趣区视频压缩图像示意图 3 - 3 2 - 2 小淡变换棱 小波变换主要是通过一系列的滤波器和十分之一缩减器构成基 于小波变换的压缩的好处就是无须把图像分成子块，整幅图像为一个整 体来进行处理，这样高压缩比下仍有很好的主观效果利用m a l l a t 小渡 基进行变换后的小波图像子块组成如下图所示，该图表示出了变换之后 各个分块的成分。 剖制l j h 分析小波变换后的小波域图的特征是能得到高压缩比的必要条 件。小波域图像有如下的特征： 1 除块n 外，所以的高通予块的像素值基本为零其直方图在 零处出现峰值。 2 分解后的小波图像各高额子带的能量就越集中于图像的边缘 附近，且分解后小波图像的能量就越集中予低频子带 在考虑到人眼对高频的敏感不如低频明显，去除一些高频成分， 或对高额成分分配较小的的比特数，在以人眼为最终接收端，压缩率达 到很高而主观质量并不太差这是以d c t 为变换核的其他压缩方法所 无法达到的 3 - 3 - 2 - 3 量化蝙码嚣 首先再次声明，经过以上的小波变换后的小波图像并未进行任何 的数据压缩，它只是把原图像进行了一系列的滤波处理使原图拥有了天 然塔式结构。只有通过基于人眼模型的智能量化器和编码器才能达到压 缩的目的通过d s p 实时控制的量化参数，可以达到固定码率的图像 输出和可控的压缩比接下来就是行程编码嚣和h u f f m a n 编码器，这两 种编码器原理简单不再论述行程编码的示意图如图所示 t m b t , i v u a g o m p r e m e l v o t a s h q n i ”d d h 1 7 d q r u a - 1 z a s t h c e d h g 翌螋型唑塑型螋塑燮! 唑塑塑! 塑塑塑堂塑! 竺! 婴釜唑 5 7z e r o s 化o m p f c s s c d ) 图3 - 6 行程编码示意图 真正图像经过以上的小波变换后的小波域图如下所示： 对于p a l 制的彩色电视模拟信号经过s a a 7 1 l l 解码器后输出的分 量编码信号的比特率为r b = ( 1 3 5 + 2 * 6 2 5 ) 8 = 2 1 6 m b i t s ，此信号经过 a d v 6 1 l 进行粳额压缩，压缩比可从( 7 5 0 0 ：1 ) ( 4 ：t ) ( 4 ：1 ) 为 无损压缩因而输出的数据率为2 8 k b i | ，s 5 4 m b 鹕从上面对a d v 7 1 1