摘? 要: 提出了改進的視頻圖像小波" title="小波">小波壓縮算法" title="壓縮算法">壓縮算法，設計了基于高速數字處理芯片DSP-C6201的硬件平臺,并在此平臺上對改進的小波壓縮算法進行編程,實現了智能大廈監控系統" title="監控系統">監控系統不等清晰度視頻圖像壓縮" title="圖像壓縮">圖像壓縮。系統的成功應用證明該系統硬件的高可靠性和軟件壓縮算法的有效性。?
關鍵詞: 智能大廈? 監控系統 ?視頻圖像? 小波壓縮? DSP
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智能大廈是現代建筑與高新信息技術相結合的產物。1984年,美國康奈涅格州哈特福德市建成了世界首座智能大廈,次年日本東京的一座智能大廈相繼建成,從而智能大廈引起了世界各國的關注。當前,我國興建智能大廈的熱潮方興未艾,其中圖像信號處理器的設計至關重要。傳統的以模擬電子技術為核心的監控系統,由于攝像頭傳出的圖像信息量大,直接對圖像進行記錄需要過多的錄像帶,很難實現計算機聯網傳輸、信息共享的需求。采用相關編碼技術對圖像進行壓縮,在系統中實現實時存儲和傳輸是現代智能大廈的迫切要求。但是,圖像壓縮所采用的方法一般比較復雜,運算工作量大,單憑軟件實現圖像壓縮難以滿足實時的要求,一般要借助硬件來提高運算速度以滿足圖像實時壓縮。正是在這種情況下,本文提出了改進的視頻圖像小波壓縮算法,設計了基于高速數字處理芯片DSP-C6201的硬件平臺,并在此平臺上對改進的小波壓縮算法進行編程,實現了智能大廈監控系統不等清晰度視頻圖像壓縮。?
1 圖像壓縮技術[6]?
近年來涌現的諸多圖像壓縮算法中,最具前途的是基于塊分類的分形編碼和基于小波變換" title="小波變換">小波變換的零樹編碼。分形壓縮的理論依據是Barnsley等人提出的迭代函數系統(IFS)理論和拼貼定理。它實質上是把數量最少且匹配最好的多個壓縮仿射變換找出來,取出其參數,如果其參數復雜性低于原圖像,便實現了壓縮。另一個引人注目的壓縮算法是基于小波變換的零樹編碼。圖像經過小波變換后生成的系數數據總量與原圖像的數據量相等,即小波變換本身并不具有壓縮功能,之所以將它用于圖像壓縮,是因為生成的小波系數具有能量集中性、重要系數的群集性、各分量系數之間的相似性和分量系數幅度的衰減性等適合分類壓縮的特性?；谛〔ㄗ儞Q的零樹編碼方案充分有效地利用了小波的頻域分布特點,不會像分形那樣產生明顯的方塊效應,而且易于軟硬件實現,適合多類圖像的壓縮。這一類算法的典型代表是Shapiro提出的嵌入式零樹編碼(EZW)。但是,Shapiro方案一個明顯的缺點是將不同級別的系數在判斷重要系數時給予同等的考慮。本文在Shapiro方案的基礎上提出了基于PSWTC(priority set wavelet tree coding)的改進的小波壓縮方案克服了這一缺點,解決了不同大小、不同級別的小波系數重要性判斷的方法問題。PSWTC結果的PS系數分布有明顯的規律性,級別高的個數少,級別低的個數多,呈金字塔分布,說明PSWTC很好地實現了零樹編碼方案的基本原則。與EZW相比較,PSWTC的計算復雜性要小,占用的存儲空間小,耗費的時間短,容易實現快速壓縮,克服了傳統小波圖像編碼中存在的費時費力的缺點[4][5]。PSWTC算法的具體步驟是:?
(1)低頻系數暫不理會,置所有最高級節點為待分系數,構成待分系數集。?
(2)設置門限,設初始閾值為
表示取整操作符,X是除低頻系數外的全部小波系數。?
(3)根據門限比較法判斷待分系數的重要性輸出Sn,n=1。重要則輸出1,不重要則輸出0。系數重要性由其小波樹集合的重要性決定。?
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(4)按之字形順序把所有重要系數加入優先集(priority,簡稱PS)Xi,i=1，把它們從待移系數中刪除,并按之字形順序填入它們的子女。?
(5)閾值減辦,T=T/2,跳到第3步,逐次形成優先集Xi,i=2、3…，直到閾值達到一個預定的最小門限值或待分系數沒有節點存在為止。?
在此基礎上給出了按小波變換→系數分類→熵編碼順序的圖像壓縮方法。?
2 硬件設計?
??? 模擬視頻信號經高速A/D采樣后轉換成數字視頻信號。數字視頻信號由奇數場信號和偶數場信號兩路信號組成,奇數場信號和偶數場信號按照上述改進的小波壓縮方案進行圖像壓縮。采用TI公司的含多處理單元的C6201定點處理器,該處理器可采用50MHz或100MHz的工作頻率,經內部倍頻后升至200MHz,每秒可完成1.6G次操作。其內部含有具備超長指令字處理能力的CPU和8個功能單元,故而它可在一個時鐘周期內執行8條指令,芯片運算能力顯著提高,再加之其良好的外部RAM接口和16bit的主機接口以及四通道的DMA功能,就使其成為高速運算的首選芯片[2][3],該系統的硬件結構[1]如圖1所示。本系統擬采用三片C6201,一片負責奇場圖像的壓縮和存儲,一片負責偶場圖像的壓縮和存儲,一片主C6201負責一幀壓縮圖像的存儲、判斷和通訊,其工作原理如下:?
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(1)待處理視頻信號首先送入A/D處理模塊。A/D模塊由視頻同步分離電路、直流恢復電路、鎖相環時鐘電路和高速視頻模擬/數字轉換器組成。待處理視頻信號經同步分離電路,分離出行場同步信號和奇偶場信號,將行場同步和奇偶場信號送給CPLD作為時間基準信號。同時,待處理視頻圖像信號經直流恢復電路恢復它的直流分量,再經模數轉換成數字信號。?
(2)轉換后的數字信號先由雙口存儲器緩存。CPLD通過邏輯綜合,為雙口RAM(DPRAM)產生寫入地址和讀寫控制信號,使得A/D變換的數據按照要求存入雙口RAM中。再由2片C6x(Odd-C6x和Even-C6x)分別讀取,奇場信號由Odd-C6x讀取、偶場信號由Even-C6x讀取。雙口RAM 采用16行緩存,2片C6x(Odd-C6x和Even-C6x)每隔16行讀取一次。當雙口RAM存完16行后,CPLD給Odd-C6x或Even-C6x發出中斷信號,則Odd-C6x或Even-C6x 讀取已存的16行數據。?
(3)當Odd-C6x或Even-C6x處理器收到CPLD發出的中斷信號后,立即響應外部中斷并給CPLD一個中斷響應信號,CPLD通過邏輯運算將Odd-C6x或Even-C6x與DPRAM間的緩存器接通,由Odd-C6x或Even-C6x 內部的DMA控制器以DMA方式將相應DPRAM內數據讀入Odd-C6x或Even-C6x并對圖像數據進行壓縮,將壓縮后的結果存入SBSRAM,并將一些壓縮參數傳送給Main-C6x以便進一步分析與處理。整個系統的硬件結構如圖2所示。?
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該硬件系統可以對高分辨率768×576的視頻圖像進行實時采集壓縮,壓縮卡最高數據處理速度是200Mbps。若多個攝像頭同時進行數據采集壓縮,可采用多路壓縮單機并行陣列式結構。在圖像壓縮前,還可根據用戶的要求,對目標進行粗檢測識別,只對感興趣區域進行壓縮,或進行不等壓縮比的壓縮,不僅可提高壓縮比,還能盡可能多地保留感興趣區域的圖像細節。?
用TMS320C6201作為高速信號處理器,采用高效的小波算法對采集到的視頻信號進行數字化壓縮,取得了很好的效果。實驗結果表明,它的壓縮效果較之EZW算法有明顯的改進,恢復圖像的PSNR提高0.22～1.01dB,最大灰度誤差平均小了2個灰階,恢復結果更清楚,失真也更小,而且在大壓縮比的情況下明顯優于SPIHT(SPIHT壓縮方法是EZW的改進,在壓縮速度和圖像恢復質量方面均有所提高,是至今為止恢復圖像峰值信噪比最高的算法之一)。由此研制成的數字監控系統已成功用于某智能大廈。此數字監控系統具有操作簡單、報警及時、回放快速、圖像清晰、壓縮比高等優點。同時系統具有獨立性強、高度保密、多路同時捕獲、預覽時每路均能達到25fps/s的高速度等特性。它提供全天的時間設置,60G的標準硬盤可存儲一周的數據。該系統的研制成功為監控系統的數字化打下了堅實的基礎。?
參考文獻?
1 徐超漢,徐智能.智能大廈樓宇自動化系統設計方法.北京:科學技術文獻出版社,1998.?
2 TMS320C6X User＇s Guide. TI 1998?
3 徐盛，陳健.TMS320C6201信號處理器在圖像處理中的應用.電子技術應用，1999;25(1):70～72?
4 馬波，裘正定.線性系統的穩定性與小波-分形子樹量化編碼的收斂性. 電子學報, 2000；28(4):76～79?
5 夏勇，田捷.一種改進的零樹小波圖像壓縮算法.軟件學報，1999；10(6):628～630?
6 沈勝宏.圖像壓縮技術研究.博士論文，2000?