（控制理论与控制工程专业论文）基于sopc技术的水下视频压缩编码与传输系统的设计.pdf

上 基于s o p c 技术的水下视频压缩编码 与传输系统的设计 学位论文完成日期：迦! 里：芝 指导教师签字：圣蜜塾 l ，_ 一、 答辩委员会成员签字： 独创声明 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，也不包含未获得 ! 逵! 塑遗直墓丝蠡噩挂型主塑盥! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名墨才班凄签字日期：刁7 护年j 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： 1 、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。 2 、学校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。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社 用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 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：翌刁扫钡 导师签字：蔓壶凰 签字日期：矽i p 年岁月7 日 签字日期：2 卅寸年厂月刁日 基于s o p o 技术的水下视频压缩编码与传输系统的设计 捅芰 未来是海洋的世纪，海洋是人类生存和发展的重要领域。我国是一个海洋大 国，海洋国土面积三百多万平方公里。海洋不仅为人类提供丰富的物质资源，而 且在现代战争中具有重要的战略地位。因此，开展水下目标识别的研究，在国民 经济和军事上都具有重要的价值和意义。 在水下视频图像信号高速处理中，水下视频图像压缩的研究受到人们极大的 关注。目前商品化的水声m o d e m 可提供的数据传输速率一般为几k b s ，利用有 限带宽的水声信道实时传输视频图像的关键技术为：一是高效的视频图像压缩技 术，二是高效的水声m o d e m 研制。本研究主要是针对水下视频图像和水声信道的 特点，选择高效的视频图像压缩编码技术，研制水下视频图像压缩编码与传输系 统。 本论文的主要目的是设计一个水下视频图像压缩编码与传输系统，基于s o p c 技术，实现水下视频图像的实时采集、视频图像的高压缩比编码与视频图像数据 实时传输。 本设计中选择的视频图像压缩编码算法，针对于水下视频图像的特点，如水 下采光条件差、图像颜色种类少、图像对比度低，压缩算法可以达到2 5 0 ：1 5 0 0 ：1 的压缩比，而且编码算法易于硬件仿真与实现。采用了m a t l a b s i m u l i n k 、d s p b u i l d e r 的设计流程，便于算法级的建模仿真与硬件时序仿真实现，提出了基于 硬件实现的编码方案。 设计了基于f p g a + d s p 的视频主板，采用六层板工艺，主板设计尺寸是 1 7 8 m m * 7 5 m m 。视频主板电路包括水下视频图像采集模块、f p g a 核心板插座、d s p 及其外围视频处理模块、硬盘接口、v g a 显示接口、s d 卡接口、2 3 2 4 8 5 数据传 输接口、芯片存储模块、电源模块和其他控制输出端口。目前该主板已经焊接完 成并调试通过。采用了f p g a + d s p 的设计思想，集成了逻辑器件和数字信号处理 器各自的优势，设计了两者之间的总线接口逻辑，实现两者间的高速数据传输， 提高了系统的性能。提出了基于硬件实现的视频图像压缩编码方案，主要包括四 部分：编码逻辑运算设计、地址发生器设计、外围设备驱动逻辑设计和n i o s 软 核程序设计。编码逻辑运算设计是核心，它包括几种编码运算，如预处理中的提 升小波变换，帧内编码中的d p c m 熵编码和帧间编码的查找匹配块运算等，对这 些基本的编码算法分别进行s i m u li n k 建模与仿真，并且转换成q u a r t u s 工程进 行时序仿真验证。最后，对论文所做的工作进行了总结，并对下一步工作进行了 展望。 关键词：s o p c 技术d s pb u ii d e r 视频压缩小波变换 i 一 t h e d e sig no fu n d e r w a t e rv id e cc o m p r e s sio na n d t r a n s mis sio ns y s t e mb a s e do ns o p c a b s t r a c t t h ef u t u r ei st h ec e n t u r yo ft h eo c e a n ，t h eo c e a ni st h ei m p o r t a n tf i e l df o rh u m a n t os u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t c h i n ai sam a j o rm a r i t i m ec o u n t r y , t h ea r e ao ft h eo c e a n i sm o r et h a n3m i l l i o ns q u a r ek i l o m e t e r s o c e a ni sn o to n l yt op r o v i d em a n k i n dw i t ha w e a l t ho fm a t e r i a lr e s o u r c e s ，b u ta l s oh a sa ni m p o r t a n ts t r a t e g i cp o s i t i o ni nm o d e m w a r f a r e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft h er e c o g n i t i o no fu n d e r w a t e rt a r g e t ，h a sa n i m p o r t a n tv a l u ea n ds i g n i f i c a n c ei nt h en a t i o n a le c o n o m ya n dm i l i t a r y f o rt h eh i g h s p e e dp r o c e s s i n go fu n d e r w a t e rv i d e oa n di m a g es i g n a l ，u n d e r w a t e r v i d e oa n di m a g ec o m p r e s s i o nr e c e i v e sm u c ha t t e n t i o n a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h ed a t a t r a n s f e rr a t eo fc o m m e r c i a l i z e du n d e r w a t e ra c o u s t i cm o d e mi sg e n e r a l l yaf e wk b s ， u s i n g t h el i m i t e db a n d w i d t ho fu n d e r w a t e ra c o u s t i cm o d e mc h a n n e l ，t h ek e y t e c h n o l o g y o fr e a l t i m et r a n s m i s s i o no fu n d e r w a t e rv i d e oa n di m a g ei s ，f i r s t l y , e f f i c i e n tv i d e oc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y , s e c o n d l y , d e v e l o p m e n to fe f f i c i e n ta c o u s t i c m o d e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r w a t e rv i d e oa n da c o u s t i cc h a n n e l ， w ec h o o s ee f f i c i e n tv i d e oa n di m a g ec o m p r e s s i o nc o d i n gt e c h n o l o g y , a n dd e v e l o p u n d e r w a t e rv i d e oa n di m a g ec o m p r e s s i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g na nu n d e r w a t e rv i d e oa n di m a g e c o m p r e s s i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do ns o p ct e c h n o l o g y , w h i c hc a na c h i e v e r e a l t i m ea c q u i s i t i o no fu n d e r w a t e rv i d e oa n di m a g e ，h i g hc o m p r e s s i o nr a t i oc o d i n g ， a n dr e a l t i m et r a n s m i s s i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r w a t e rv i d e oa n di m a g e ，f o re x a m p l e ， p o o rc o n d i t i o n so fu n d e r w a t e rl i 曲t ，f e ws p e c i e so fi m a g ec o l o r s ，l o wi m a g ec o n t r a s t ， t h ec o m p r e s s i o na l g o r i t h m sc a na c h i e v eac o m p r e s s i o nr a t i oo f2 5 0 ：1t o5 0 0 ：1 ，a n di t i se a s yt oh a r d w a r es i m u l a t i o na n dr e a l i z a t i o n a d o p t i n gm a t l a b s i m u l i n k ，d s p b u i l d e rd e s i g nf l o w , t h ep a p e rh a sp u tf o r w a r dac o d i n gs c h e m eb a s e do nh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n t h ev i d e om a i nb o a r db a s e do nf p g a + d s p , u s e ss i x - p a n e lt e c h n o l o g y , a n di t s s i z eo f17 8 m m 木7 5 m m v i d e ob o a r dc i r c u i t r yi n c l u d e su n d e r w a t e rv i d e oa n di m a g e a c q u i s i t i o nm o d u l e ，f p g ac o r eb o a r ds o c k e t ，d s pa n di t se x t e r n a lv i d e op r o c e s s i n g m o d u l e ，h a r dd i s ki n t e r f a c e ，s dc a r di n t e r f a c e ，2 3 2 4 8 5d a t at r a n s f e ri n t e r f a c e ，c h i p m e m o r ym o d u l e ，p o w e rm o d u l ea n do t h e rc o n t r o lo u t p u tp o r t c u r r e n t l y , t h em a i n b o a r dh a sb e e nc o m p l e t e d u s i n gf p g a + d s pd e s i g ni d e a s ，t h ep r o je c ti n t e g r a t e s l o g i cd e v i c e sa n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r sw i t ht h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e s ，d e s i 2 n s t h eb u si n t e r f a c e l o g i c ，a c h i e v e st h eg o a lo fh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o na n d i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m h a r d w a r e b a s e dv i d e oa n d i m a g e c o m p r e s s i o nc o d i n gs c h e m em a i n l yi n c l u d e sf o u r p a r t s ，e n c o d i n gl o g i c a ld e s i g n ， a d d r e s sg e n e r a t o r d e s i g n ，d r i v e rl o g i cd e s i g nf o rp e r i p h e r a ld e v i c e sa n dn i o s p r o g r a m m i n gd e s i g n e n c o d i n gl o g i c a ld e s i g ni st h ec o r ew o r k ，i ti n c l u d e ss e v e r a l e n c o d i n go p e r a t i o n s ，f o re x a m p l e ，l i f t i n gw a v e l e tt r a n s f o r m ，d p c me n t r o p yc o d i n g s c a nc o d i n gb a s e do nw a v e l e tt r e e ，b l o c k m a t c h i n go p e r a t i o na n ds oo n t h ep r o j e c t c o n s t r u c t ss i m u l i n km o d e l sa n d t a k e ss i m u l a t i o nf o rt h e s e c o d i n ga l g o r i t h m s r e s p e c t i v e l y , a n dc o n v e r t si n t oq u a r t u sp r o j e c t sf o rt i m i n gs i m u l a t i o n f i n a l l y , t h e p a p e r h a ss u m m a r i z e dt h ew o r k ，a n dp r e d i c t e dt h en e x ts t e pi nf u t u r e k e yw o r d s ：s o p ct e c h n o l o g yd s pb u i l d e rv i d e o c o m p r e s s i o nw a v e i e t t r a n s f o r m i v 目录 l 弓i 舌1 1 1 研究现状2 1 2 课题来源3 1 3 课题意义3 1 4 研究内容3 1 5 设计创新之处及论文结构安排4 1 5 1设计的创新点4 1 5 2 论文结构安排4 2 水下视频压缩编码与传输系统的方案论证6 2 1 设计应用背景6 2 2 系统技术指标分析7 2 2 1水下采集视频特点7 2 2 2 水声信道传输特性7 2 2 3 水下视频传输压缩比分析8 2 3数字信号处理实现方案论证j 8 3e d a 技术在本设计中的应用ll 3 1 s o p c 技术1 1 3 1 1s o p cb u i l d e r 1 2 3 1 2 软核处理器1 4 3 1 3n i o si i 集成开发环境1 5 3 1 4 嵌入式逻辑分析仪15 3 2基于f p g a 的d s p 开发工具16 ：；2 1m a t l a b s i m u l i n k 1 6 3 2 2d s pb u i l d e r 1 7 3 2 3m o d e l s i m 18 3 3 基于s o p c 技术的软硬件协同设计思想1 9 3 3 1软硬件协同设计1 9 3 3 2 系统的软硬件设计划分2 0 4系统硬件平台设计2 2 4 1系统硬件总体设计2 2 4 1 1 设计工具简介2 2 4 1 2 系统硬件设计原则2 2 4 1 3系统硬件总体设计方案简介2 4 4 2视频采集模块设计2 5 4 3f p g a 核心板设计2 7 4 3 1f l a s h 电路设计2 8 4 3 2s d r a m 电路设计2 9 4 3 3配置电路设计3 0 4 3 4电源电路设计31 4 4v g a 显示接口设计3l 4 5硬盘接口设计3 3 4 6数据传输接口设计3 4 4 7系统电源设计3 5 4 8p c b 设计3 8 4 8 1 抗干扰设计3 8 4 8 2电源设计k 3 9 4 8 3电磁兼容性设计3 9 4 8 4散热设计3 9 4 9f p g a 与d s p 接口逻辑设计4 0 5水下视频压缩编码算法选择4 3 5 1视频图像压缩编码原理o 4 3 5 2视频图像压缩编码技术的发展史4 4 5 3基于小波变换的压缩算法4 5 6 4地址发生器设计5 8 6 5提升小波变换的仿真与逻辑实现6 0 6 6d p c m 编码的仿真与逻辑实现6 4 6 7查找匹配块运算的仿真与逻辑实现6 6 7总结与展望6 8 7 1工作总结6 8 7 2工作展望6 8 参考文献7 0 致谢7 2 个人简历7 3 硕士期间发表( 录用) 的学术论文7 4 i v 基于s o p c 技术的水下视频雎缩编码与传输系统的设计 l引言 2 1 世纪是海洋的世纪，海洋是人类生存和发展的重要领域，我国是一个海 洋大国，海洋国土面积三百多万平方公里。海洋中有丰富的矿物、生物、化学资 源有待开采开发。海洋不仅为人类提供丰富的物质资源，而且在现代战争中具有 重要的战略地位。因此，开展水下目标识别的研究，在国民经济和军事上都具有 重要的价值和意义。 在近期很长一段时间以来，水下目标的探测识别主要是以声呐探测为主，并 取得了较大的进步。但随着减声降噪技术的发展，声呐探测遇到许多新的挑战。 海洋环境是极其复杂的，其背景噪声很大，使得声呐探测的灵敏度受到了较大的 限制。因此，非声探测技术将在水下目标的探测方面发挥着重要的作用。非声探 测技术主要是利用水下目标的光、磁、电、温度等特性进行探测识别，其中水下 视频图像信号能快速、直接的反映水下变化情况，直观显示水下目标的情况和特 点，是目前重点研究的领域之一。 作为水下探测设备的主要搭载平台，自主水下航行器( a u v ) ，被广泛应用于 军事和民用领域。例如，在民用领域，可以用于海底勘测、管道铺设、海洋数据 收集、水下设备维护维修；在军事领域可以用于侦察、布雷、扫雷、救生援潜等。 传统通信主要是通过光纤将获得的图像传送回母船，但是光纤长度极大的限制了 探测的范围。卫星通信具有传输速率快、频带范围宽、信道容量大等优点，因而 可以实现图像和多媒体等直观性比较强的通信业务。但是由于在卫星通信时，目 标需要浮出水面，影响了其连续工作能力和战时水下探测的隐蔽性。由于声波在 水下良好的传播特性，使得图像数据以无线的方式传到母船成为可能，因此，水 声通信成为了广大科学家研究的重点。 研究表明，水声信道是一个传输特性十分复杂的频率选择性衰落信道。在进 行水下数据传输时，与母船的通讯有效带宽被限制在1 0 k h z 量级范围内。对于 一幅8 位像素为2 5 6 x 2 5 6 的灰度图像进行传输时，图像的数据大小为2 5 6 x 2 5 6 x 8 = 5 2 4 2 8 8 b i t 。假设水声信道的传输数据率为3 0 k b p s ，如果不经过压缩直接通过水 声信道传输，需要的时间是1 7 5 秒，无法保证视频信号的实时传输。另外，由 于搭载设备空间有限，使得视频图像存储数据也有限，因此必须对水下采集的视 频图像数据进行有效压缩。 视频数据可以看作是由一系列静止的图像组成，它除了具有空间冗余，还具 有较强的时间冗余。因此，对视频压缩倍数要远远高于静止图像的压缩倍数。水 下视频数据压缩与普通视频数据压缩有着相似之处，都是去除视频图像空间、时 间等冗余信息，但是由于水声信道带宽的受限特性和水下图像低对比度以及细节 基于s o p c 技术的水下视频压缩编码与传输系统的设计 模糊等特点，使得水下视频图像压缩与普通视频图像数据压缩有着很大的不同。 1 1 研究现状 在水下视频图像信号高速处理中，水下视频图像压缩的研究受到了人们极大 的关注。然而，作为一种新兴的科研领域，其取得的研究成果还比较少，目前， 商品化的水声m o d e m 可以提供的数据传输速率为几k b s 。由于水声信道的带宽 有限，要实现实时传输视频图像数据，需要解决的关键技术为：一是高效的视频 图像压缩编码技术，提高压缩比；二是高效的水声m o d e m 的研制啦! 。 本研究主要是针对于水声信道和水下视频图像的特点，选择高效的视频图像 数据压缩技术，研制水下视频图像压缩编码与传输系统。为了达到一定质量的视 频，一般要求最低帧速为1 0 帧秒。目前，多数水下视频图像传输试验系统是采 用传输静态图像的方式，即每帧图像采用独立压缩编码方式，没有考虑到帧间存 在的时间冗余。目前，国内口钔以及日本3 、葡萄牙1 等早期研制的水下视频图 像压缩编码传输系统，均采用静态图像的压缩方法，一般采用j p e g 编码方式， 需要支持的信道传输速率的范围是1 6 k b p s - 一3 0 k b p s 。由于没有考虑帧间的时间冗 余，因此其压缩比不高，传输一帧图像需几秒的时间来完成。 国外近年来在水下视频图像压缩编码的研究现状h 1 ，相关方面的科研人员设 计了一个压缩编码器用在a u v 上，利用水声信道进行传输水下图像。该水声传 输系统实现水下静态图像的传输距离能够达到1 6 0 0 米，系统的传输速率可以达 到1 6 k b p s ，实现了每秒一帧的速率传输1 6 0 1 2 0 像素的彩色静态图像。日本国 际电信电话公司开发了一套水下图像传输系统眵1 ，在其研制的水下航行器 a e l 0 0 0 基础上，该系统基于j p e g 图像压缩标准，对采集的水下图像数据信息 进行压缩编码，采用的调制方式是q p s k ，传输速率可以达到16 k b p s ，最大通信 距离可以达到1 2 0 0 米。该系统在水下进行试验时，a u v 成功的将1 0 0 米水深处 的图像传送回水面母船。并且在此研究的基础上，科研人员开始研制新_ 代的水 下视频图像编码与传输系统，系统的传输速率己经达到3 2k b p s 。i n g l ev k 和 h o a gd e 在研究水下静止图像的压缩编码时指出，由于海洋环境中照明条件的恶 劣性，水下图像通常具有低对比度和细节模糊的特点，使得水下采集的图像有别 于一般的图像。在研究水下图像的压缩编码算法中，应该充分利用水下图像的这 种特征来提高压缩比。他们首次将小波变换的方法应用于水下图像数据处理，并 与j p e g 算法进行比较阻1 。研究表明，小波变换方法适用于水下图像低比特率条 件下的压缩编码，而j p e g 算法在水下图像压缩中取得的效果不佳。i n g l ev k 和h o a gd e 又将小波变换方法应用于水下视频图像的压缩编码u0 1 。用小波变换 取代m p e g 算法中的离散余弦变换，证明了小波变换方法在水下视频低码率压 2 基于s o p c 技术的水下视频压缩编码与传输系统的设计 缩方面有着良好的应用前景。 h o a gd f 等人针对水下图像特点和水声信道有限带宽特性，对水下视频图像 压缩编码进行了研究n 别。他采用基于小波变换的e c v q 编码算法，该算法结 合了矢量量化、小波变换和运动估计补偿等技术，根据统计模型得到量化码书。 水下图像压缩编码实验结果证实：在极低码率传输条件下，采用e c v q 算法编 码，图像信息解码后具有良好的质量。 在水下视频图像压缩编码的研究领域，还没有达到非常完善实用的程度，目 前仅可以实时传输l 3 标准电视分辨率的黑白图像，还没有进行水下彩色视频图 像压缩编码系统的研究。 1 2 课题来源 本课题来源于“十一五”国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 海洋技术领 域的“深海探测与作业技术”主课题下的子课题“水下机器人视频图像高压缩比 编码关键技术研究”。 1 3 课题意义 本课题的重要意义在于，该研究的突破将去掉目前r o v s 对脐带电缆的依 赖，提高r o v s 适应性和机动灵活性：对于自主作业的a u v s ，可以把现场采集 的视频信息由水声信道传输到陆面工作站，以供人工跟踪与监视机器人的运动作 业，为探测海底场景、人工实时观察以及对机器人进行导航和在线任务规划等服 务。本研究是水下机器人的重要关键技术之一，具有重要研究价值和广阔应用前 旦 尿o 1 4 研究内容 在满足水声信道数据传输速率为1 6 k b p s 的要求，首先进行视频图像的实时 采集，然后根据水下视频图像的特点，在保证图像重建质量的前提下，选择有利 于硬件实现的压缩编码算法，在搭建的水下视频采集节点平台上，实现水下视频 图像的实时高压缩比压缩编码与传输。 1 ) 、按照课题指标的实时性要求，对视频图像数据处理方案进行论证，并完 成系统硬件平台的设计与焊接调试。对系统软硬件进行合理划分，提出一个基于 硬件实现的水下视频图像压缩编码方案，并进行模块化处理，设计水下视频图像 采集系统，使视频数据流能够在软硬件的协同处理下取得良好的实时效果。 2 ) 、根据水下视频图像对比度低、颜色种类较少、细节模糊等特点，在保证 基于s o p c 技术的水下视频压缩编码与传输系统的设计 图像重建质量的前提下，选择具有高压缩比的水下视频图像压缩编码算法，运用 系统级工具s o p cb u i l d e r 、d s pb u i l d e r ，在m a t l a b s i m u l i n k 和q u a r t u s 环境下完 成水下视频图像压缩编码与传输系统的i p 核设计、仿真以及验证实验，并实现 系统的外围接口标准化，以达到利用有限带宽的水声信道，向水面或陆上工作站 实时传输水下视频图像的目的。 1 5 设计创新之处及论文结构安排 1 5 1 设计的创新点 1 ) 选择的视频图像压缩编码算法易于硬件建模、仿真与实现； 2 ) 采用了f p g a + d s p 的设计思路，集成了可编程逻辑器件和数字信号处理 器各自的优势，设计了基于f p g a + d s p 技术的系统硬件平台，设计了 f p g a 和d s p 之间的总线接口逻辑，实现两者间的高速数据传输； 3 1 分析了水下视频压缩编码算法的流程，提出了基于硬件实现的视频压缩 编码方案，并对该方案的可行性作了分析与评估。采用了m a t i a b s i m u l i n k d s pb u i l d e r 的设计开发流程，便于算法级建立模型、仿真与硬件时序仿 真实现。 1 5 2论文结构安排 第二章主要进行了水下视频压缩编码与传输系统的设计方案论证，介绍了设 计的背景，分析了水下视频采集的特点、水声信道的传输特性以及水下视频传输 压缩比，论证了数字信号处理的几种实现方案。 第三章主要介绍了e d a 技术在本设计中的应用，设计工具简介，使用的设 计工具有m a t l a b s i m u l i n k 、q u a r t u s l i 、s o p cb u i l d e r 、d s pb u i l d e r 、m o d e l s i m 、 n i o si ii d e 等，介绍了基于s o p c 技术的软硬件协同设计思想以及本系统的软 硬件设计划分。 第四章主要介绍了系统了硬件平台设计，硬件平台设计包括视频采集模块设 计、f p g a 核心板设计、v g a 显示接口设计、硬盘接口设计、数据传输接口设 计、系统电源设计。介绍了系统硬件设计原则和总体硬件设计方案，介绍了p c b 设计的原则和注意事项，以及f p g a 与d s p 的接口逻辑设计。 第五章主要介绍了水下视频压缩编码的算法选择，视频图像的压缩编码原理 和发展现状，基于小波变换的压缩算法，分析了视频压缩编码算法的具体实现过 程，分三个步骤：图像预处理、图像帧内编码、图像帧间编码。 第六章主要介绍了基于f p g a 的d s p 开发流程、a l t e r ad s pb u i l d e rl i b r a r y ， 4 基于s o p c 技术的水下视频压缩编码与传输系统的设计 提出了基于硬件实现的视频压缩编码方案，介绍了地址发生器的设计，对5 3 提 升小波变换、d p c m 编码以及查找匹配块运算进行建模、仿真以及硬件实现。 第七章对整个设计工作进行了总结与展望，总结了本设计中已取得的研究成 果和下一步的工作要点。 基于s o p c 技术的水下视频压缩编码与传输系统的设计 2 水下视频压缩编码与传输系统的方案论证 2 1 设计应用背景 图2 - 1 水下信息采集系统的整体构想设计 如图2 1 所示，海面以上采用卫星通信、地面射频通信等无线通信方式，海 面以下采用水声无线传感器网络。传感器节点上具有一定长度的缆绳，本身具有 深度自动控制的功能，通过锚固定在海底。节点各自停留在相应的深度，形成一 个三维的监测网络。水声节点采集的数据通过水声信道传输，经过网络路由传送 到海面的监测站或陆地监测站。 监测网络中各个传感器的布局可采用飞机或轮船定点撒播的方式，节点入水 后自动确定入水位置，海底着陆后，自动上升至指定深度，然后开始通信和其他 节点组织成水下监测网络。节点种类分为簇头节点、汇聚节点和传感器节点三种。 水下信息采集系统的作用是进行海洋灾难预报、海洋环境监测、海底信息采 集等。各个传感器节点间的通信是通过无线方式，以海水为传输介质，利用声波 的机械振动以波的形式进行传输信息。 水下视频图像信息采集、压缩编码与传输系统如图2 2 所示，由于水下采光 条件不佳，需要照明灯加强采光度，水下摄像头采得的视频图像信号输入视频主 6 基于s o p c 技术的水下视频压缩编码与传输系统的设计 板，进行视频格式转换、图像预处理、压缩编码，形成压缩后比特流。数据由水 下传至陆上监控通信途径有两种：一是通过无线通讯模块：二是通过水声模块。 图2 2 水下视频采集压缩与传输示意 2 2 系统技术指标分析 2 2 1水下采集视频特点 由于水下的特定环境决定了所采集的视频图像信息具有以下特点n 3 1 ： 幻由于水对光线的散射效应、吸收效应和卷积效应，使水下图像效果很不 理想，水下图像亮度不均匀和细节模糊，而且图像信噪比很低，图像对 比度显著性较差； b ) 照明光由照明灯发出，采用的是会聚光照明。成像光线的强弱分布呈现 比较大的差异，具体分布是以照明光的最强点为中心，径向逐渐减弱， 反映到图像上就是背景灰度不均匀； c ) 照明条件的不良降低了水下图像的质量，水中悬浮着大量的微粒对光线 散射的影响严重，使水下图像中存在由散射引起的散斑噪声，降低了图 像的空间分辨率。 视频图像可看作是由一系列静止的图像组成，它除了具有空间冗余，还具有 较强的时间冗余，因此，对视频压缩倍数要远高于静止图像的压缩倍数。 水下图像具有细节模糊和对比度较低的特点，在利用视频图像对水下目标进 行探测识别时，判断目标的主要依据是水下物体的整体特征。水下视频图像的压 缩编码与一般视频图像压缩要求有所不同，由于对水下目标细节信息要求不高，另 外，考虑到水声信道带宽受限这一特性，因此，要求在保证目标整体特征的情况 下，对水下视频图像进行高压缩比压缩，以便通过水声信道进行传输。 2 2 2水声信道传输特性 水声通信是利用声波作为信息载体在海水中实现数据传播，海水信道是一个 非常复杂的传播信道。它所具有的不利因素有随机起伏、时变多径效应、可用带 宽有限，对水声通信产生非常严重的影响，使得水声通信呈现传输速度慢、载波 基于s o p c 技术的水下视频压缩编码与传输系统的设计 频率低的特点。 声波在水中传播时能量的衰减程度与散射、反射、声吸收及信号的频率等因 素有关，特别是在高频应用和远距离传输中，能量损失十分严重，导致水声通信 系统的可用带宽严重受限。在近距离水下通信传输系统中可以达到1 0 0 k h z 的带 宽范围；在中距离水下通信传输系统中，信道带宽的量级为1 0 k h z ；而对远距 离水下通信传输系统，信道带宽只在几k h z 之内 1 4 o 研究表明，水声信道的传 输特性十分复杂，是一个频率选择性衰落信道。进行水下数据传输时，与母船的 数据通讯的有效带宽被限制在i o k h z 量级上。因此，选择在保证图像重建质量 的前提下，实现高压缩比压缩，以满足传输速率为1 6 k b p s 的指标要求。 2 2 3水下视频传输压缩比分析 对水下灰度视频图像，设定每帧图像的像素为1 7 6 x1 4 4 ，水声信道带宽为 1 6 k b p s ，每秒可传输1 5 帧，计算压缩比为( 1 7 6 x1 4 4 x1 6 1 0 2 4 ) + ( 1 6 k b p s + 1 5 ) = 3 7 1 2 5 ，则需要达到的压缩比应为3 0 0 ：1 一- - 4 0 0 ：l 。 对水下彩色视频图像，设定每帧图像的像素为1 7 6 x1 4 4 1 水声信道带宽为 1 6 k b p s ，每秒可传输1 0 帧，计算压缩比为( 1 7 6 * 1 4 4 3 2 + 1 0 2 4 ) ( 1 6 k b p s + l o ) = 4 9 5 ，则需要达到的压缩比应为4 0 0 ：l - 一5 0 0 ：1 。 2 3 数字信号处理实现方案论证 为了满足数字信号处理技术领域中的各种需求，以及顺应d s p 市场的发展， d s p 应用系统的实现方式和目标器件的品种类型、结构特点以及开发技术本身都 经历着不断的改善。对于不同的应用领域、适用范围和指标要求，d s p 作为数字 信号算法的实现方案有多种，可以选用不同的解决方案和d s p 系统的实现器件。 可选的目标器件有如下4 类n 朝： 数字信号处理器( d s p ) 专用集成电路a s i c s 专用标准电路模块a s s p s 现场可编程逻辑门阵列f p g a 处理器在硬件结构上的不断改进，并没有摆脱传统c p u 的工作模式。尽管 拥有多个硬件乘加器，使用了环形叠代的方法进行乘法操作，并且许多d s p 处 理器还有使用多乘法器的并行指令，用于加速算术运算，然而由于其较低的数据 处理速率，顺序工作方式以及缺乏实时工作的性能，使其至今仍只适合于低端的 数字信号处理。传统的d s p 开发者通常选用d s p 处理器来构成d s p 应用系统。 d s p 处理器的优势主要是：具有很好的灵活性和通用性，有适用于各种d s p 算 基于s o p c 技术的水下视频压缩编码与传输系统的设计 法实现的通用的硬件结构。除了选用d s p 处理器以及应用程序加载工作方式外， 与普通的单片机应用系统非常相似，只需要将调试好的机器码放在程序r o m 中， 就能使系统正常工作。因此，通过这种硬件结构，能对实现各种数据处理的程序 进行有效的执行。 a s s p 和a s i c 是专门针对完成某种d s p 算法的集成器件，因此在工作速度、 性能指标、可靠性和应用成本上优于d s p 处理器。如卷积相关器i m s a l 0 0 、复 乘加器组p d s p l 6 11 6 、f f t 处理器a 4 11 0 2 、变频信号解调器h s p 5 0 2 1 4 、求模 相角器p d s p l 6 3 3 0 等。其优秀的工作性能主要是因为特定的算法全部由a s s p 和a s i c 中的硬件电路完成。a s s p 是半定制集成电路，在许多d s p 算法的实现 方面都优于d s p 处理器，但在功能重构，以及应用性修正方面缺乏必要的灵活 性；a s i c 虽然有一定的可定制性，但其开发周期长，因此应用风险和开发成本 过高，正在逐渐失去它的实用性。 现代大容量现场可编程逻辑门阵列f p g a 以其相关的开发技术在可重配置 的d s p 应用领域，以及数据的纯硬件处理方面，有着独特的优势。f p g a 面对 传统的d s p 处理器难以克服的技术瓶颈，已经有了突破性的应用进展。在各种 d s p 应用场合，f p g a 具有全硬件的用户可定制性以及重配置性，即可根据项目 需要随时通过改变f p g a 中构成d s p 系统的硬件结构来改变系统的技术指标、 通信方式、编解码方式、硬件加密算法等。 系统设计中的硬件结构可变性称为可定制性；系统设计完成后，成为产品后 仍能随开发者甚至用户的要求随时进行硬件结构重构的，称为可重配置性。基于 f p g a 实现的d s p 系统，具有完全的硬件结构可定制性，包括总线结构的可定 制性、存储器的可定制性，硬件加速器模块的数量与结构的可定制性以及大量的 m a c ( 乘加器) 模块的可选性。相比之下，传统的数字信号处理( d s p ) 的解决方案 的存在的问题有h 6 j ： 1 )由于系统完全基于特定的