（电力电子与电力传动专业论文）基于fpga的远程视频传输系统的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ev i d e op r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , d i s p l a y i n gr e a l t i m e i m a g et e c h n o l o g yb e c o m e st h ec o r eo fr e s e a r c hs u b j e c t ，e s p e c i a l l yi ns o m es p e c i a l s i t u a t i o n s ，s u c ha st h ee x p l o s i v e ，p o i s o n o u s ，r a d i a n t ，o rd a n g e r o u ss i t u a t i o n s o p e r a t o r s c a n tu s et h ec o m p u t e rt oc a p t u r ed a t aa tt h es c e n e , s ot h e yh a v et oo p e r a t e i nt h es a f e t yr o o mf a rf r o ms e v e r a lk i l o m e t e r se v e ns e v e r a ld o z e n sk i l o m e t e r s f o r c a p t u r eh i g h s p e e dv i d e os i g n a li nt h ed i s t a n c e ，l o n g - d i s t a n c eh i g h s p e e di m a g e c a p t u r ec o n t r o la n dh i g h - s p e e d f i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mm u s tb e e s t a b l i s h e d a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h eu n i v e r s a li m a g ep r o c e s s i n ga n dt r a n s m i t t i n gs y s t e m a d o p t st h ed e s i g ns c h e m eo f“d s p + a s i c 一。w h i c hs t r u c t u r ei sc o m p l e xa n d p r o c e s s i n gs p e e di sl o w i nt h ep a p e r ，f p g ai sa d o p ta st h ec o n t r o lc o r ei n s t e a do f “d s p + a s i c ”t or e a l i z el o n g - d i s t a n c ev i d e ot r a n s m i s s i o n u n d e rt h ec o n t r o lo f f p g a , v i d e oc o d i n gc h i ps a a 7 1 1 1i su s e df o ri m a g ec a p t u r e u n d e rt h ec o n t r o lo f f p g a , d a t ac o m p r e s s i o ni sr e a l i z e db a s e do n5 3i n t e g e rl i f t i n gw a v e l e tt r a n s f o r m u n d e rt h ec o n t r o lo ff p g a d a t at r a n s m i s s i o na n dd a t ar e c e i v i n gi sr e a l i z e db a s e do n t h eh i g h s p e e ds e r i a lc h i po fc y 7 8 9 2 3 u n d e rt h ec o n t r o lo ff p g a , p c ib u s c o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e db a s e do nt h eb u s c h i po fp c i 9 0 5 0 t h ew h o l ei m a g ed a t a t r a n s m i t t i n gs y s t e m i s d e s i g n e du n d e rt h ec o n t r o lo ff p g a u s i n gt h ev h d l l a n g u a g eu n d e rt h eq u a r t u si is o f t w a r e a n dm o s to ft h eh a r d w a r ed e s i g ni s s i m u l a t e d ，a n dt h es i m u l a t i n gr e s u l ti si d e a la n dc o n s i s t e n tw i t ht h ed e s i g n t h e s y s t e mh a st h ef o l l o w i n go b v i o u sc h a r a c t e r i s t i c s ： ( 1 ) i nt h es e n d i n gs u b s y s t e m ，a l ld i g i t a ll o g i cc o n t r o la n di m a g ec o m p r e s s i o n a r ei n t e g r a t e do no n ef p g a c h i p i tc a nm i n i m i z et h es y s t e ms i z ea n di m p r o v et h e s y s t e md e n s i t yo fi n t e g r a t i o n ( 2 ) t h ei m a g ec o m p r e s s i o no f2 dd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r mi sd e s i g n e da n d r e a l i z e do nt h ef p g 八s e l e c t i n g5 3 i n t e g e rl i f t i n gw a v e l e t t h el i f t i n gp r o c e s s a d o p t sf o l d i n gs t r u c t u r e , w h i c hs a v e st h es y s t e mh a r d w a r er e s c o u r c e m e a n w h i l e ， c o m p a r e dw i t hd s pp r o c e s s o ro ft h e “d s p + a s i c p r o j e c t , t h i sw a v e l e tt r a n s f o r m p r o i e c tw i t hf p g ac a ni m p r o v et h es p e e d 。i nw h i c hi t sb i tw i d t hc a l lb es e tf r e e l y a n dv h d li st r a n s p l a n t a b l ea n dm o r eu n i v e r s a l 1 1 a b s t r a c t ( 3 ) f o rd a t ac a p t u r e , t h ep i n g - p o n go p e r a t i o ni su s e dt ot h ed o u b l ee x t e r n a l m e m o r yf o r 吼o t i n go rt a k i n ga w a yt h ei m a g ed a t a i tc a nb eg u a r a n t e e dt h a tt h e i m a g ei sc a p t u r e di nt h ec m i r ef r a m ea n di st r a n s m i t t e ds t a b l ya n dc o n t i n u o u s l y , s a v i n gt h es t o r a g es p a c ea n di m p r o v i n gt h es p e e d , w h i c hi sb e t t e rt h a nt h ep r o j e c t w i t ht h es i n g l em e m o r y f i n a l l y , t h ew o r kw h a th a sb e e nd o n ei nt h ep a p e ra n dt h ef u t u r ed e v e l o p i n g d i r e c t i o na r es u m m a r i z e d a tt h es a m et i m et h ed e f i c i e n c i e sa n dt h e r e q u i t i n g i m p r o v e m e n to f t h es y s t e ma r eb r o u g h tf o r w a r da tp r e s e n ti nt h ep a p e r f i g u r e 【7 7 1t a b l e 【5 】5r e f e r e n c e 【5 5 】 k e yw o r d s ：v d e os i g n a l ，f p g a , i m a g ec a p t u r e ，i m a g ec o m p r e s s i o n , w a y e l c tt r a n s f o r l t i c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 2 7 4 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，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 为获得塞筮垄三太堂或其他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谢意 学位论文作者签名：讧日期：江年j 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼堡王太堂有保留、使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于立 微理王太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权安徽理工大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文( 保密的学位论文 在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：专孰签字日期：。7 年g 月，。日 导师张诅彬i签字魄9 7 月b 日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 随着雷达、通信以及工业检测等领域中数字信号处理技术的发展，对数据采 集的速度以及传输的距离提出了越来越高的要求，对于特定的测试场合，数据源 为一个远端设备发送的连续数据流，需要在高速采集数据时，数据传输速率必须 稳定，并且必须能够现场实时采集，远程传输，在最短的时间内把从远端数据源 采集到的数据传到指定的设备，以便观测与处理等利用光纤发送接收模块便可 实现通过光纤进行远距离高速同步传输数据，而且可以省去繁琐的数据传输编码 和解码，数据传输速率也得以提高 图像是人们传递信息的重要媒介，统计资料表明，人们获取信息的7 0 来 自图像然而数字化的图像信息表示需要大量数据，尤其是动态图像和视频图 像由于图像数字化以后的数据容量庞大，在传输、存储以及各种处理加工过 程中都遇到了许多难以克服的困难，因此目前国内外的图像采集系统都已不同 程度地采用了数据压缩技术数字图像压缩是一个新兴的学科，我国在图像压 缩方面也远远落后于发达国家，目前的图像压缩国际标准中没有一项来自中国， 这意味着在未来的发展中我国将为知识产权付出巨大的经济代价，外国公司向 我国厂商收取巨额的d v d 专利费就是一个惨痛教训，因此我们必须进一步努 力，加快图像压缩标准的制定，力求在国际标准中占有一席之地【3 1 随着视频图像处理的应用日益广泛和各种图像处理算法的日趋成熟，相关 的硬件技术更是不断推陈出新现在大规模集成电路v l s i 技术的迅速发展为 视频图像处理技术提供了硬件基础，其中现场可编程门阵列f p g a 用于嵌入式 视频图像处理有独特优势f p g a 高性能、高集成度、低功耗等特点使其具备 高速c p u 的性能；而且f p g a 开发过程投资小、周期短，保密性能好、开发工 具智能化，使得设计者可以快速开发新产品迅速抢占市场：特别是随着电子工 艺的不断改进，低成本的f p g a 器件推陈出新，这一切使f p g a 成为硬件设计 的首选方式之一 1 2 视频传输系统的发展现状 本论文所研究的远程视频传输系统，首先是图像采集部分，其次是图像压 缩，最后是数据发送与数据接收，整个视频传输系统的硬件开发平台选用 安徽理工大学硕士论文 f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列) ，下面分别介绍视频 采集、图像压缩和f p g a 的发展现状。 1 2 1 图像采集系统的发展现状 目前国外有很多厂家生产高速高分辨率的视频采集卡，如：加拿大的c o r e c o 是全球最大的图像卡生产商，生产从低端到高端全系列的图像采集卡及图像处 理开发软件包，在图像采集卡的设计和开发方面处于领先地位；加拿大m a t r o x 的产品o d y s s e y ) ( p r o 白带处理器，采集速率可高达每秒8 0 0 m b ，高达每秒2 0 b 外部输入输出带宽；还有美国的f o r e s i g h t 公司生产地视频采集卡能够自动识别 未知视频源的行频、场频 1 1 国内厂家主要有中国大恒( 集团) 有限公司北京图像视觉技术分公司( 简称 “大恒图像”) 和北京微视电子技术有限责任公司，他们自主研发的视频采集卡 较少，以代理国外的产品为主，且速度与国外相比相差甚远其中微视的m v p c i 是国内第一家自行研发适用于p c i 总线的图像卡，现在生产的m v - 8 0 0 0 是4 路 实时图像采集卡，1 0 位a d 。分辨率7 6 8 x 5 7 6 ，2 5 3 0 帧s 因此，针对国内外 技术指标存在的巨大差异，研发高速、实时性、传输质量高的视频传输系统， 对于提高我国图像采集和存储系统的技术水平，有着重要的意义 1 2 2 图像压缩技术的发展现状 在信息技术高速发展的今天，社会对图像、音频、视频等多媒体的需求量急 剧上升数字图像在家庭娱乐、远程监控、网络教育和公共安全领域得到了广 泛的应用。图像数据的大容量与传输带宽的有限性之间的矛盾越来越突出，研究 高压缩率的图像压缩算法是一项迫切而艰巨的任务。数据压缩主要由于两个方 面：( 1 ) 传输，通过压缩发送端的原始数据，井在接收端将压缩数据解码恢复， 这样可以减少数据传输时间，增加网络资源的利用率；( 2 ) 存储，在存储数据时， 将原始数据进行压缩，而在使用时再将数据解压，这样可以大大增加存储介质 的存储量。 图像压缩的研究起源于2 0 世纪4 0 年代，至今已有几十年的历史其问， 人们提出了各种各样的压缩算法，有人统计，各种各样的数据压缩方法可达3 0 0 0 多种在分类上，也存在几种不同的方法，目前常用是按编码失真程度将数据 压缩编码分为两种类型：一类是无失真压缩编码( 无损压缩) ，压缩比一般介于 1 7 2 1 之间，主要有：h u f f m a n 编码、算术编码、游程编码和l z 编码；另一 2 1 绪论 类有失真压缩编码( 有损压缩) ，压缩比一般介于2 ：1 1 0 0 0 ：1 ，主要有：离 散余弦变换编码( d c t ) 、小波变换编码( d w t ) 、预测编码、矢量量化编码等1 2 1 活动图像专家组( m p e g ，m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 是由i s o i e c 联合 技术委员会在1 9 8 8 年成立的，并且该组织在1 9 9 1 年公布了m p e g 1 视频编码 标准，其码率为1 5 m b i t s ，主要用于v c d 的压缩，值得一提的是该标准的音频 压缩编码取得了巨大成功，即现在最为流行的m p 3 ；1 9 9 4 年1 1 月，该组织公 布了m p e g 2 ，它主要应用于数字视频广播( d ) 、家用d v d 的视频压缩及高 清晰度电视( h d t v ) ，码率从4 m b i t s 、1 5 m b i t s 直到1 0 0 m b i t s 分别用于不同档 次和不同级别的视频压缩中 1 9 9 5 年删- t 推出h 2 6 3 标准，用于低于6 4 k b i t s 的低码率视频传输，如 p s t n 信道中的视频会议、多媒体通信等1 9 9 9 年1 2 月份，联合技术委员会通 过了“视频对象的编码标准”一m p e g _ 4 ，它除了定义视频压缩编码标准外，还 强调了多媒体通信的交互性和灵活性2 0 0 3 年3 月，r r u t 和i s o i e c 正式公 布了h 2 6 4 视频压缩标准，不仅显著提高了压缩比，而且具有良好的网络亲和 力，加强了对i p 网、移动网的误码和丢包处理【2 1 2 0 0 0 年国际标准化委员会制定j p e g 2 0 0 0 静止图像压缩标准，以及m p e g - 4 中的静止图像的国际标准，也是用小波变换压缩的j p e g 2 0 0 0 目前还在广泛地 使用，它采用离散小波变换( d w t ，d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ) 作为核心变换 算法小波变换之所以将它用于图像压缩，是因为生成的小波图像具有与原图 像不同的特性，表现在图像的能量主要集中于低频部分，而水平、垂直和对角 线部分的能量则较少：水平、垂直和对角线部分表征了原图像在水平、垂直和 对角线部分的边缘信息，具有明显的方向特性低频部分可以称作亮度图像， 水平、垂直和对角线部分可以称作细节图像对所得的四个子图，根据人类的 视觉生理和心理特点分别作不同策略的量化和编码处理人眼对亮度图像部分 的信息特别敏感，对这一部分的压缩应尽可能减少失真或者无失真，例如采用 无失真d p c m 编码；对细节图像可以采用压缩比较高的编码方案，例如矢量量 化编码，d c t 等 从总体来看，国内实时图像信号处理技术相对很落后，主要原因是d s p 的 运算速度不能满足复杂算法实时处理的要求，因此对运动目标进行实时检测和 跟踪一直是数字图像处理领域研究的主要方向 1 2 3f p g a 技术的发展现状 - 3 一 安徽理工大学硕士论文 随着微电子技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小规 模集成电路、超大规模集成电路( v l s i c ) 逐步发展到专用集成电路( a s i c ) 专 用集成电路的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性减少了产品的 物理尺寸但是a s i c 因其设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷制约着 它的应用范围。硬件工程师需要一种灵活的设计方法，根据需要在实验室就能 设计、更改大规模数字逻辑，研制自己的a s i c 并马上投入使用，这就是可编 程逻辑器件的基本思想f p g a c p l d 既继承了a s i c 的大规模、高集成度、高 可靠性的优点，又克服了普通a s i c 设计周期长、投资大、灵活性差的缺点， 逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想首选 近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件f p g a ，具有高集成 度( 单片集成的系统门数达上千万门) 、高速( 2 0 0 m h z 以上) 、在系统可编程等 优点，为数字系统的设计带来了突破性变革，同时在超高速信号处理和实时测 控方面有非常广泛的应用 ， 1 3 视频传输系统的研究意义 随着微电子技术的高速发展，实时图像处理在多媒体、图像通信等领域有着 越来越广泛的应用f p g a 就是硬件处理实时图像数据的理想选择，基于f p g a 的 图像处理系统的研究将成为信息产业的新热点不仅可以很好的实现视频图像信 号的实时处理，还可以减小系统体积因此，深入研究基于f p g a 的视频处理技 术，对于开发高性能的视频图像传输系统具有极其重要的现实意义1 1 4f p g a 开发方法 基于e d a 软件的f p g a 开发流程图，包括如下几个部分：设计输入( 分为图形 输入和硬件描述语言文本输入两类) 、综合、适配、时序仿真与功能仿真【棚。对于 目前流行的e d a t 具软件，图1 的设计流程具有一般性使用硬件描述语言开发 f p g a 的完整流程为【3 9 l ： ( 1 ) 文本编辑：用任何文本编辑器都可以进行，也可以用专用的h d l 编辑环 境。通常v h d l ，文件保存为v h d 文件，v e r i l o g 文件保存为v 文件 ( 2 ) 功能仿真：将文件调入v h d l 方真软件进行功能仿真。检查逻辑功能是否 正确( 也叫前仿真) ，对简单的设计可以跳过这一步只在布线完成以后进行时序 仿真。 ( 3 ) 逻辑综合：将源文件调入逻辑综合软件进行综合，即把语言综合成最简 4 1 绪论 的布尔表达式和信号的连接关系逻辑综合软件会生成e d f ( e d i f ) 的e d a t 业标 准文件 图1f p g a 的e d a 开发流程图 f i g 1e d a d e v e l o p m e n tf l o wc h a r to ff p g a ( 4 ) 布局布线：将c d 坟件调入f p g a 厂家提供的软件中进行布线，即把设计 好的逻辑安放到p l d f p g a 内 ( 5 ) 时序仿真：需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验证电 路的时序( 也叫后仿真) ( 6 ) 编程下载：确认仿真无误后，将文件下载到芯片中根据下载方式不同， 选择不同后缀的文件如果选用j t a g 方式下载，选用后缀为s o 玟件；如果主动 串行模式下载，选后缀为p 0 啪文件下载 在设计中，还要进行管脚锁定，编译通过后才能将编写的v h d l 程序下载到 硬件芯片中对于本系统软件代码的设计，就是依照上述步骤进行，在a l t e r a 公 司提供的开发环境q u a r t u s 下完成代码的编写，并将代码下载到f p g a 芯片的配 置芯片中 1 5 研究内容 远程视频传输系统就是指能够接收采集自观测现场的数字视频信号，实时 传输到本地主控计算机，在本地端对现场进行远程监视，控制远程摄像机动作， 并能够根据需要对采集到的数字视频图像进行分析、处理和存储。 远程数据传输系统设计主要分成两块：数据发送端的电路设计和接收端的 电路设计其中，发送端的电路主要包括数据采集、基于小波算法的数据压缩 和传输控* f h 接收端电路通过p c i 总线与终端计算机通信，完成视频信号的存 储和显示 。 本课题选用a l t e r a 公司生产的s t r a t i x 系列的e p i s 2 5 作为数据发送端的控制 一5 安徽理工大学硕士论文 器。完成数据采集、数据压缩和数据发送选用a l t e r a 公司生产c y c l o n e 系列 的e p l c 6 作为数据接收端的控制器，完成数据接收、数据转发与p c i 总线控制 器连接。用v h d l 语言进行设计，用q u a r t u si i6 0 软件对设计中所用到的a l t e r a 系列产品进行综合和仿真 本论文共分为六章，各章内容大体如下： 第一章绪论，介绍课题的发展现状、研究意义和论文的主要内容；第二章 介绍数字视频技术，为数据采集打下基础；第三章介绍视频编码的原理，为视 频图像的压缩算法的实现做准备工作；第四章传输系统的f p g a 设计与仿真， 是整个论文的重要章节，主要包括两大部分：发送系统和接收系统。在数据发 送系统中。包括数据采集、( 数据压缩) 、数据转发、电光转换，重点介绍了基 于视频专用芯片s a a 7 1 1 1 数据的采集，包括接口的设计、1 2 c 总线模块( 对 s a a 7 1 1 1 进行初始化) 的f p g a 设计、采集图像数据的乒乓存储。数据接收系 统包括光，电转换、数据转发和p c i 总线设计第五章介绍图像数据的压缩及仿 真，重点是二维离散小波算法的f p g a 实现。第六章论文的总结与展望最后 是附录和参考文献。 6 2 数字视频技术 2 数字视频技术 近年来，随着多媒体技术在各种领域中的广泛应用，作为多媒体技术领域之一 的视频图像处理技术，也得到了迅速的发展现实中的视频图像都是模拟信号， 而现阶段几乎所有的信号处理器件都是针对数字信号的，可编程逻辑器件也是如 此，因此必须将模拟信号转换为数字信号，然后对数字视频图像进行处理 2 1 视频信号数字化 从c c d 摄像头的光电转换器件得到的视频信号都是模拟信号，将模拟视频信 号变成数字视频信号要经过模数( a 巾) 转换过程模，数转换包含三个过程，即取 样、量化及编码其中，取样的目的是将时间上连续的模拟信号变成时问上离散 的信号，量化是将幅度上连续的取样值变成幅度上离散的取样值，而编码的作用 是将离散化的取样值编成二进制数码。经取样、量化、编码得到的数字信号即为 视频p c m 信号m 根据电视信号的特点，其数字化的方式分为两种，即复合编码方式和分量编 码方式复合编码方式是将模拟的全电视信号直接进行模数转换，以形成数字复 合电视信号；而分量编码方式则是分别对亮度( r ) 、色差( r y ) 、色差( b y ) 信号 进行模数转换，然后将这些信号时分复用后合成为数字复合电视信号 2 2 数字视频标准 数字视频标准的出现起因于数字视频需在不同的应用和产品之间进行交换， 而且数字图像更容易处理对模拟视频数字化，还用于对不同的模拟标准进行相 互转换，如从p a l 到n t s c 国际无线电咨询委员会( c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e eo f i n t e r n a t i o n a lr a d i o ，c c m ) 建议6 0 1 定义了对应于5 2 5 和6 2 5 行电视系统的电视 演播的数字视频标准它建立在带有一个亮度( y ) 和两个色差( o r 和c b ) 信号的分 量视频的基础上c c i r 6 0 1 标准如下表1 所示 2 3 数字视频处理 数字视频系统的核心是数字视频采集和处理数字视频处理的过程分为视频 图像输入、视频信号处理( 编码和存储) 、图像输出显示与传输视频图像输入由 摄像头扫描光信号变为电信号；视频信号处理主要是将处理好的信号以数字方式 进行编码、存储和转发；数字视频可以由网络进行传输1 1 4 1 一7 一 安徽理工大学硕士论文 表i 数字视频通信标准 t a b l eid i g i t a lv i d e oc o m m u n i c a t i o ns l a n d a r d o a r6 0 1c c i r6 0 1 参数5 2 5 6 06 2 5 6 0a f n t s cp a i 搭e c a m 有效的像素，行 l u m ( y )7 2 07 2 03 6 0 c h f o m a ( u ，v )3 6 03 6 01 8 0 有效的行图像 l u m ( y )4 8 05 7 62 8 8 c h r o m a ( u ，v ) 4 8 05 7 61 4 4 隔行扫描 2 ：12 ：ll ：1 帧率6 05 03 0 宽高比 4 ：34 ；34 ：3 i 视频图像信号的采样【1 4 l 1 ) 亮度信号的采样频率1 3 5 m h z 亮度信号对采样频率的要求如下： ( 1 ) 按照奈奎斯特取样定理，取样频率至少应为信号上限频率的2 倍为了获 得满意的图像质量，对p a l 制要求5 8 6 m h z 的带宽。 ( 2 ) 为了在取样后保证产生足够小的抗混噪声，要求取样频率是信号带宽的 2 2 2 7 倍，对p a l 制信号，取样频率应大于1 3 2 m h z 。 ( 3 ) 为了获得正交取样结构，取样频率必须是行频的整数倍：为了使两种扫描 制式( p a l 和m r s c ) 实现兼容，应采用同一种取样频率，6 2 5 行制的行频为 1 5 6 2 5 k h z ，5 2 5 行制的行频为1 5 7 3 4 k l - i z ，两者的最小公倍数为2 2 5 m h z 。 取样频率应大于1 3 2 m i - i z ，故将亮度信号的取样频率定为2 2 5 m h z 的6 倍， 为1 3 5 m h z 。 2 ) 色差信号的取样频率 将色差信号的取样频率定为6 7 5 m h z ，是色度信号带宽的两倍以上，是p a l 制行频的4 3 2 倍，也是亮度信号取样频率的一半因此色差信号的取样点只有 亮度信号的一半，并与亮度信号的奇数样点重合。 8 2 数字视频技术 2 视频图像信号的量化 视频图像信号的量化主要是视频信号量化位数的确定被处理信号的信噪比 与量化位数有密切关系，若被量化的信号是单极性电视信号，则信噪比可以由下 式计算； s n = ( 6 n + 1 0 8 ) d b( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，n 为量化位数，如果把信噪比定为大于5 0 d b ，则量化位数应不低 于7 位当然位数越高，信噪比越高，每增加一位，信噪比提高6 d b ，但电路的 复杂度和设备成本也会大大提高。 对于视频信号采用8 位( b i t ) 量化位数显然是最合理的这样，经一次量化处 理后其信噪比可以达到5 9 d b 3 数字化后的视频信号 ( 1 ) 视频信号数字化的传输码率 r = 1 3 5m h z 8 b i t + ( 6 7 5m h zx8 b i t ) 2 = 2 1 6 m b i t s ( 2 ) 视频信号每行取样点数 每秒的取样点数( 取样频率1 3 5m h z ) 每行扫描时间( 6 4 p s ) = 每行取样点 数，p a l 制的每行取样点数为：1 3 5 0 0 k h z x 6 4 t s = 8 6 4 ( 3 ) 视频信号有效垂直取样点数 在数字化视频中：p a l 制每帧有效行为5 7 6 行，每场有效行为2 8 8 行其中 定义从前一行的6 2 3 行到本帧的2 2 行为奇数场逆程，从本帧的3 1 0 行到3 3 5 行为 偶数场逆程( 共2 5 行) 2 4 本章小结 本章简要分析了数字视频信号的一些概念和相关知识，包括数字视频信号的 组成、标准和数字视频信号处理等数字视频信号是本系统的处理对象，因此对 这些知识的了解是进行后续图像采集和图像压缩的基础 9 安徽理工大学硕士论文 3 数字视频压缩算法 3 1 视频压缩基础 3 1 1 视频压缩与编码介绍 由于图像数字化以后的数据容量庞大，在传输、存储以及各种处理加工过程 中都遇到了许多难以克服的困难。以p a l 制( 2 5 帧秒) 的视频信息为例，如果每 帧具有中等分辨率( 6 4 0 x 4 8 0 个像素点) 、真彩色( 每像素用2 4 位信息来描述) 的 图像，则每帧数据量为7 3 7 兆位，并且要求传输速率大于1 8 4 兆位秒。这种高 比特率、大容量的要求，使得现在以至将来很长一段时间内的信道带宽和存储容 量都捉襟见肘因而，高效图像数据压缩技术成为信息时代的迫切要求把视频 信息进行压缩，以压缩的形式进行传输和存储，即节约了存储空间，又提高了系 统的传输效率 3 0 1 图像压缩，就是保证一定图像质量的前提下，采取某种编码方式，尽可能减 少图像的比特数9 0 年代以后，国际上致力于标准化的工作，先后制定了一系列 静止图像和视频图像编码标准，主要有：用于二值图像的j b i g 标准，用于彩色 或单色静止图像的j p e g 标准和j p e g 2 0 0 0 标准，用于运动图像压缩的m p e g 标 准m p e g 标准能达到比j p e g 更高的压缩比【2 7 1 在原始数字视频中，存在以下几类冗余信息：空间冗余、时间冗余、编码冗 余( 又称信息熵冗余) 和视觉冗余。而压缩的目的，就是在保证复原视频信息质量 的同时，尽可能消除以上几种冗余不同的信息冗余，采用不同的消除方法原 始视频数据通常几种冗余信息同时存在，因此在压缩时，实际上常采用几种冗余 消除方法相结合的压缩方案。 3 1 2 图像编码技术 1 经典编码方法 1 ) 预测编码( p r e d i c t i v ec o d i n g ) 1 3 7 1 预测编码有线性预测和非线性预测两种，它既可以在一幅图像内进行( 帧内预 测编码) ，也可以在多幅图像之间进行( 帧问预测编码) 。预测编码基于图像数据的 空间和时间冗余特性，用相邻的已知像素或图像块来预测当前像素或图像块的取 值，然后再对预测误差进行量化和编码。 线性预测编码又称为差分脉冲编码调制( d p c m ：d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d e 1 0 3 数字视频压缩算法 m o d u l a t i o n ) 帧内预测编码一般采用像素预测形式的d p c m ，其优点是算法简单， 易于硬件实现。帧问预测编码主要利用视频序列相邻帧间的相关性以及图像数据 的时间冗余来达到压缩目的。 2 ) 变换编码( t r a n s f o r i l lc o d i n g ) 变换编码使图像数据在变换域上最大限度的不相关尽管图像变换本身并不 带来数据压缩，但由于变换后系数之间相关性明显降低，图像的大部分能量只集 中在少数几个变换系数上，采用适当的量化和熵编码可以有效的压缩图像的数据 量而且经过变换后，系数的空间分布和频率特性可能与人眼的视觉特性相匹配， 也可以利用这个特点设计编码系统变换编码可得到比预测编码更高的数据压缩 变换编码通常将空间域相关的像素点通过正交变换映射到另一个变换域上，使变 换后的系数之间的相关性降低变换编码主要有：d f t ，w h t ，h r t ，s l t ，d c t 等 3 ) 熵编码( e n t r o p yc o d i n g ) 熵编码又叫概率匹配编码或统计编码，是纯粹基于信号统计特性的编码技术， 它是一种无损编码方法，解码后能无失真地恢复图像熵编码的基本原理是利用 消息或消息序列出现概率的分布特性，注重寻找概率和码字长度间的最优匹配。 最常用的熵编码方法有游程编码、霍夫曼编码和算术编码 ( 1 ) 游程编码主要利用量化后出现大量零系数的情形，将信源符号中的相同字 符转换成一个计数字段再加上一个重复字符标志，即利用游程来表示连零码，以 降低为表示零码所用的数据量。这种方法对二值图像最为有效 ( 2 ) 霍夫曼编码是一种不等长最佳编码方法。霍夫曼编码中，在确定了所有编 码信号的概率后产生一个码表，对经常发生的大概率信号分配较少的比特表示， 对不常发生的小概率信号分配较多的比特表示，使得整个码流的平均长度趋于最 短因此，采用熵编码可以提高编码效率，但霍夫曼编码存在输入符号受限于可 实现的霍夫曼码表尺寸以及译码复杂度高等缺陷 ( 3 ) 算术编码是2 0 世纪8 0 年代发展起来的，采用递推形式的连续编码，不论 是否二元信源，也不论数据的概率分布如何，其平均码长均能逼近信源的熵。实 验数据表明，在位置信源概率分布的大部分情况下，算术编码要优于霍夫曼编码 经典编码方法的理论依据是信号处理和信息论，不涉及图像的内容，也没有 充分利用编码对象提供的信息量，没有考虑人眼对轮廓、边缘的特殊敏感性和方 向感知特性，所用它的编码效率并不高 2 d c t 压缩 安徽理工大学硕士论文 d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ，离散余弦变换) 编码是变换编码的一种，它是 j p e g 建议书中的核心压缩编码方案。d c t 变换的突出优点：实数变换，确定性 变换函数( 变换核) ，可分离变换。 d c t 变换编码方法归纳起来，可分为：离散余弦变换( d c t ) 、对变换系数进 行量化及熵编码三个阶段。 1 ) 离散余弦变换( d ( ：r ) 2 5 1 从去相关程度和实现难易等方面来综合考虑，通常采用8 8 的图像矩阵进行 d c t 变换。即首先将原始图像或差值帧图像分成一系列的8 8 的块，然后按从 左向右从上向下的次序对每个图像子块进行二维离散余弦正变换( f i c t ) 正、反 变换f d c t 和i d c t 的数字定义由以下等式给出： f d c ： ，o ，v ) 一丢c ) c o ) 【耋妻，。，) ，) ，伽兰兰j ：坦。c o s 三兰；詈坦】( 3 1 ) i d c t ： ，g ，y ) 一专【耋妻c 扣) c f 力，c o s 墨写竽，c o s 三写竽】( 3 2 ) 其中： c , c , - - - - 臀，“妄主。 2 ) d c t 系数的量化 图像数据经d c t 变换得到的系数，只是将能量集中在左上角，使块内的相关 性减少，并未压缩数据量为减少数据量，需对d c t 系数做量化处理。量化的作 用是在保证一定量前提下，丢弃图像中对视觉效果影响不大的信息，量化是多对 一映射，是造成d c t 编码信息损失的根源。可以按人眼的生理特征对低频分量和 高频分量设置不同的量化步长，使大多数高频分量的系数变为零一般来说，人 眼对低频分量比较敏感，对高频分量不太敏感。因此对低频分量采用较细的量化， 而对高频分量采用较粗的量化 z 字扫描是按二维频率从低到高的顺序，将二维量化后的系数转换为一维数 据序列的一种扫描方式，其扫描示意图如图2 。 3 数字视频压缩算法 叱荔” 图2z 字扫描示意图 f i g 2d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f z i g z a gs c a n n i n g 所谓游程编码( r u nl e n g t hc o d i n g ) 是指一个码可同时表示码的值和后面连续 几个零的个数在原始数据经过d c t 变换以后，大部分能量集中于低频部分，高 频部分很多系数值很小，在经过量化以后，高频部分的很多系数变为零，随后从 低频到高频读出数据的z 字扫描使得高频部分的“0 ”往往是连成一串出现。因 此，针对这一特点，不对“0 ”单独编码，而是对连续“0 ”出现的个数( 游程) 进 行游程编码，会提高编码效率 3 ) 熵编码 将游程编码后的数据进行熵编码是d c t 编码的最后一步熵编码是一种基于 量化级数统计特性所进行的无失真编码在视频编码中，常用的熵编码方法是 h u f f r a a n 编码h u f f m a n 编码是根据变长编码的理论，对于出现概率或频率较高 的信息赋予较短的字长，对于出现概率或频率较低的信息赋予较长的字长。其具 体实现方法：先按出现的概率大小排队，把两个最小的概率相加，作为新的概率 和剩余的概率重新排队，再把最小的两个概率相加，再重新排队，直到最后变成 1 每次相加时都将“0 ”和“1 ”赋予相加的两个概率，读出时由该符号开始一直 走到最后的。1 ”，将线路上所遇到的“0 ”和“1 ”按最低位到最高位的顺序排好， 就是该符号的h u f f m a n 编码 3 2 基于小波变换的视频压缩方法 小波变换有“数学显微镜”的美誉，在时域和频域中都有良好的局部特性 虽然小波变换理论诞生不过2 0 年，但她不仅在理论研究上取得了飞速的发展，更 重要的是，在很多领域内都有其应用的踪迹目前，小波变换的应用领域已经非 常广泛，如信号处理、图像处理、量子场论、语音识别与合成、雷达、c t 成像、 机器视觉、多尺度边缘提取和重建、分形、数字电视以及机械故障诊断与监控等 领域 1 3 安徽理工大学硕士论文 较长期以来，离散余弦变换( d c r ) 作为图像编码的主要技术，并已在各种标 准如j p e gm p e g 1 、m p e g 2 等中得到应用。然后利用d c t 作为变换编码的主 要技术是将图像分成8 8 块来处理，容易出现方块效应和蚊式( m o s q u i t o ) 噪声。 在分块编码中，小波压缩克服了d c t 压缩固有的块效应和蚊式噪声，并且小波图 像压缩的重构质量也明显好于d c t 变换方法。由于小波变换在消除块效应、满足 人眼视觉特性等方面有特殊的性能和良好的率失真品质，所以基于小波的视频压 缩算法的研究一直在不断进行小波压缩技术近年来发展很快，虽然它没有成为 一种标准，但作为一种压缩算法己经被j