一种基于DSP的视频图像压缩系统的设计
关键词：
dsp , 视频图像 , 压缩系统
1 引言
图像的数字化表示使得图像信号可以高质量传输，并便于图像的检索、分析、处理和存储。但是数字图像的表示需要大量的数据，必须进行数据压缩。即使采用多种方法对图像数据进行了压缩，其数据量仍然巨大，对传输介质、传输方法和存储介质的要求较高。因此，作为数字图像处理的关键技术之一，对图像压缩编码技术的研究显得尤为有意义。
在嵌入式微处理器中，dsp以其算法密集性着称，特别适合复杂算法处理的应用。而在数字视频图像处理系统中需要用到对图像的实时分析、压缩、解压等大量的处理运算，利用dsp作为其嵌入式平台，可以发挥其性能优势，实时满足图像处理需要。
2 静止图像的国际压缩编码标准jpeg
jpeg(joint photographic experts group)是国际标准化组织(iso)在1991年提出，作为面向连续色调(包括灰色和彩色)静止图像的编码标准。jpeg算法定义了4种运行模式：
①基于dct顺序型模式。按照从左到右、从上到下对图像进行扫描和编码，称为基本系统。
②基于dct递增模式。指对一幅图像按照从粗到细进行编码，适合于传输时间长、用户喜欢图像从粗糙到清晰的应用场合。
③无失真编码模式。可保证重建图像与原始图像完全相同。
④分层编码。以各种分辨率对图像进行编码，按照不同的应用要求，可以获得不同分辨率或不同质量的图像。本系统采用基本系统模式。图1和图2分别是jpeg的编码和解码方框图。
3 硬件系统设计
本系统设计的便携式图像压缩板能直接挂在摄像头的视频输出端，在现场对全电视信号进行采集、变换和编码，再以usb方式将处理后的图像数据传给微型计算机。系统原理框图如图3所示，以ti公司的tms320vc5402数字信号处理器为核心，包括视频采集电路、扩展存储器、扩展输出端口、saa7110控制电路、电平转换电路以及usb电路等。
系统中tms320vc5402为中央处理器：sram为dsp片外扩展数据存储器；eprom为脱机工作时的程序存储器，用于存储系统的引导程序和其他应用程序；帧存储器用于存储采集到的原始图像以及算法处理的中间结果；摄像头及图像a／d部分负责拍摄环境图像并转换为数字信号存入帧存储器；地址译码、图像采集系统控制电路产生本系统各部分的地址译码信号，使之映射到不同的地址区域，并控制图像a／d转换器进行图像采集。
3.1 视频采集电路设计
视频信号的采集电路很多，其基本工作方法可分为两种：独立采集法和处理器采集法。前者采用专用图像采集器件，自动完成图像采集、存储器地址生成以及图像数据的存储和刷新，除了对采集模式进行设定外，处理器不参与采集过程，这种方法的特点是采集过程不占用cpu的时间、实时性好、适合活动图像的采集，但电路较复杂，成本较低。而后者采用普通视频a／d转换器和帧存储器实现图像的采集。整个采集过程在cpu的控制下完成，由cpu启动a／d转换、读取a／d转换数据、将数据存入帧存储器等，其特点是占用cpu的时间、实时性差，不适合视频图像的实时采集，但电路简单、成本低。本系统采用第一种方案，即采集电路由专用图像采集器件saa7110和相应的外接电路等组成。
专用视频图像编解码器saa7110可以提供16位的数据接口，通过i2c接口选择访问和控制saa7110内部不同寄存器的数据。通过此接口，由51单片机设置saa7110的工作状态和图像压缩效果，如图像的总亮度、像素的最大亮度和最小亮度、色调处理等信息，以便为dsp调整压缩效果提供依据。
saa7110有6个模拟信号输入通道，2个8-bit视频cmos模数转换电路，具有完全可编程静态增益和自动增益控制电路，针对pal、ntsc和se-cam提供亮度、色调信号处理，对所有电视信号标准提供水平和垂直方向上的同步侦测，为pal制式提供uv信号延迟线来纠正色调相位误差，在yuv总线上提供768／640抽样，支持4：2：2和4：1：1的yuv输出格式在8-bit分辨率上，用户可编程亮度控制能有效矫正光学偏差，对所有制式要求采用26.8 mhz晶振；同时saa7110提供实时状态信息输出(rtco)，为yuv总线提供亮度色饱和度(bcs)控制。
3.2 usb传输电路设计
usb传输电路的目的是将dsp处理好的图像信息通过usb总线传送给pc进行处理和保存。本系统采用philips公司的isp1581 usb接口电路，该器件符合usb2.0规范，数据传输速率达到480 mb／s。能够满足图像数据传输要求，同时可通过主机向下发送指令和接收数据。isp1581与tms320vc5402的通信通过一个高速的通用并行接口实现。
tms320vc5402外部存储器接口使用16位数据线。isp1581也可配置为16位数据线的通用处理器连接模式，故可直接连接。isp1581只有85个寄存器单元，使用8位地址线，可直接与tms320vc5402地址线的低8位连接，使用cso片选空间。因为isp1581相对tms320vc5402来说是低速设备，所以在应用中使用了ready接口信号。
tms320vc5402具有丰富的i／o口资源，与isp1581的控制信号接口十分方便。在设计中，选择tms320vc5402的gpiof7产生isp1581的复位信号，在需要isp1581复位时，产生一个宽度大于500μs的低电平脉冲。采用gpiof0和gpiof9控制eot和wakeup，执行相应的功能。tms320vc5402和isp1581及pc的接口电路如图4所示。
4 软件系统设计
本系统的主要功能是对监控现场的全电视信号进行实时采样，然后对图像数据进行编码压缩并通过usb总线将图像数据传送给主机。
系统的主程序流程如图5所示，可分为初始化、图像采集、压缩编码和数据传输4个主要模块。
系统上电或复位后，dsp在收到主机的命令之前按缺省模式执行图像采集和编码压缩，收到主机命令后按命令要求执行图像采集和编码压缩；在图像采集和压缩编码过程中，dsp不停地检测总线，以便及时正确地发现主机命令。dsp接收到主机命令后，应尽快发送图像压缩数据，以尽量减少主讥的等待时间。
5 结束语
实践证明：本系统具有成本低、编程灵活和可靠性高等优点。而且压缩板体积小，便于携带安装，能在脱机状态下很好地完成图像压缩；利用tms320vc5402获得了很高的图像处理速度和图像质量；利用usb2.0技术实现了图像数据的高速传输。
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图像的数字化表示使得图像信号可以高质量传输，并便于图像的检索、分析、处理和存储。但是数字图像的表示需要大量的数据，必须进行数据压缩。即使采用多种方法对图像数据进行了压缩，其数据量仍然巨大，对传输介质、传输方法和存储介质的要求较高。因此，作为数字图像处理的关键技术之一，对图像压缩编码技术的研究显得尤为有意义。
在嵌入式微处理器中，dsp以其算法密集性着称，特别适合复杂算法处理的应用。而在数字视频图像处理系统中需要用到对图像的实时分析、压缩、解压等大量的处理运算，利用dsp作为其嵌入式平台，可以发挥其性能优势，实时满足图像处理需要。
2 静止图像的国际压缩编码标准jpeg
jpeg(joint photographic experts group)是国际标准化组织(iso)在1991年提出，作为面向连续色调(包括灰色和彩色)静止图像的编码标准。jpeg算法定义了4种运行模式：
①基于dct顺序型模式。按照从左到右、从上到下对图像进行扫描和编码，称为基本系统。
②基于dct递增模式。指对一幅图像按照从粗到细进行编码，适合于传输时间长、用户喜欢图像从粗糙到清晰的应用场合。
③无失真编码模式。可保证重建图像与原始图像完全相同。
④分层编码。以各种分辨率对图像进行编码，按照不同的应用要求，可以获得不同分辨率或不同质量的图像。本系统采用基本系统模式。图1和图2分别是jpeg的编码和解码方框图。
3 硬件系统设计
本系统设计的便携式图像压缩板能直接挂在摄像头的视频输出端，在现场对全电视信号进行采集、变换和编码，再以usb方式将处理后的图像数据传给微型计算机。系统原理框图如图3所示，以ti公司的tms320vc5402数字信号处理器为核心，包括视频采集电路、扩展存储器、扩展输出端口、saa7110控制电路、电平转换电路以及usb电路等。
系统中tms320vc5402为中央处理器：sram为dsp片外扩展数据存储器；eprom为脱机工作时的程序存储器，用于存储系统的引导程序和其他应用程序；帧存储器用于存储采集到的原始图像以及算法处理的中间结果；摄像头及图像a／d部分负责拍摄环境图像并转换为数字信号存入帧存储器；地址译码、图像采集系统控制电路产生本系统各部分的地址译码信号，使之映射到不同的地址区域，并控制图像a／d转换器进行图像采集。
3.1 视频采集电路设计
视频信号的采集电路很多，其基本工作方法可分为两种：独立采集法和处理器采集法。前者采用专用图像采集器件，自动完成图像采集、存储器地址生成以及图像数据的存储和刷新，除了对采集模式进行设定外，处理器不参与采集过程，这种方法的特点是采集过程不占用cpu的时间、实时性好、适合活动图像的采集，但电路较复杂，成本较低。而后者采用普通视频a／d转换器和帧存储器实现图像的采集。整个采集过程在cpu的控制下完成，由cpu启动a／d转换、读取a／d转换数据、将数据存入帧存储器等，其特点是占用cpu的时间、实时性差，不适合视频图像的实时采集，但电路简单、成本低。本系统采用第一种方案，即采集电路由专用图像采集器件saa7110和相应的外接电路等组成。
专用视频图像编解码器saa7110可以提供16位的数据接口，通过i2c接口选择访问和控制saa7110内部不同寄存器的数据。通过此接口，由51单片机设置saa7110的工作状态和图像压缩效果，如图像的总亮度、像素的最大亮度和最小亮度、色调处理等信息，以便为dsp调整压缩效果提供依据。
saa7110有6个模拟信号输入通道，2个8-bit视频cmos模数转换电路，具有完全可编程静态增益和自动增益控制电路，针对pal、ntsc和se-cam提供亮度、色调信号处理，对所有电视信号标准提供水平和垂直方向上的同步侦测，为pal制式提供uv信号延迟线来纠正色调相位误差，在yuv总线上提供768／640抽样，支持4：2：2和4：1：1的yuv输出格式在8-bit分辨率上，用户可编程亮度控制能有效矫正光学偏差，对所有制式要求采用26.8 mhz晶振；同时saa7110提供实时状态信息输出(rtco)，为yuv总线提供亮度色饱和度(bcs)控制。
3.2 usb传输电路设计
usb传输电路的目的是将dsp处理好的图像信息通过usb总线传送给pc进行处理和保存。本系统采用philips公司的isp1581 usb接口电路，该器件符合usb2.0规范，数据传输速率达到480 mb／s。能够满足图像数据传输要求，同时可通过主机向下发送指令和接收数据。isp1581与tms320vc5402的通信通过一个高速的通用并行接口实现。
tms320vc5402外部存储器接口使用16位数据线。isp1581也可配置为16位数据线的通用处理器连接模式，故可直接连接。isp1581只有85个寄存器单元，使用8位地址线，可直接与tms320vc5402地址线的低8位连接，使用cso片选空间。因为isp1581相对tms320vc5402来说是低速设备，所以在应用中使用了ready接口信号。
tms320vc5402具有丰富的i／o口资源，与isp1581的控制信号接口十分方便。在设计中，选择tms320vc5402的gpiof7产生isp1581的复位信号，在需要isp1581复位时，产生一个宽度大于500μs的低电平脉冲。采用gpiof0和gpiof9控制eot和wakeup，执行相应的功能。tms320vc5402和isp1581及pc的接口电路如图4所示。
4 软件系统设计
本系统的主要功能是对监控现场的全电视信号进行实时采样，然后对图像数据进行编码压缩并通过usb总线将图像数据传送给主机。
系统的主程序流程如图5所示，可分为初始化、图像采集、压缩编码和数据传输4个主要模块。
系统上电或复位后，dsp在收到主机的命令之前按缺省模式执行图像采集和编码压缩，收到主机命令后按命令要求执行图像采集和编码压缩；在图像采集和压缩编码过程中，dsp不停地检测总线，以便及时正确地发现主机命令。dsp接收到主机命令后，应尽快发送图像压缩数据，以尽量减少主讥的等待时间。
5 结束语
实践证明：本系统具有成本低、编程灵活和可靠性高等优点。而且压缩板体积小，便于携带安装，能在脱机状态下很好地完成图像压缩；利用tms320vc5402获得了很高的图像处理速度和图像质量；利用usb2.0技术实现了图像数据的高速传输。
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