小波压缩芯片在视频监控系统中的应用

     随着计算机技术的发展，以“信息采集、监控、处理”为核心的视频监控系统被广泛用于各行各业，而视频图像的采集和压缩是视频监控系统的关键，模拟视频信号转化为数字信号后，数据量十分巨大，无论是存储还是在带宽有限的网络上传输都是不现实的。小波变换作为信号分析方法，具有多尺度、多分辨率分析和时域局部化等优点，能有效应用于视频信号的编码与解码。众所周知，大的压缩比是以损失信息为代价的。因此，为了使视频图像获得较好的主观效果，视频信号压缩方案的选择尤为重要。美国AD公司新推出的基于小波理论实时压缩解压缩芯片ADV611能较好地实行视频信号压缩，用该芯片实现的图像压缩具有压缩可调范围大，压缩质量高等优点。

    本文用ADV611实现了多路实时监控、实时存储，有选择性地回放某一路、某一段时间图像的数字视频监控系统，而且每路都能满足25帧/s的视觉要求，同时用高分辨率的显示墙作为实时监控视频显示部分（分辨率大于700 dpi），从而在图像质量、压缩比、回放速度、监控等方面具有一定的先进性。

    1  ADV611结构特性及工作原理

    1.1  ADV611特性简介
    
    ADV611是一种低价、单片、低功耗、全数字的CMOS超大规模集成电路。工作温度范围是10~70 ℃。该芯片不仅集成了视频编码/解码算法，还提供了数据压缩效果的实时调节手段，数据输出速率可以灵活控制。ADV611能实时地对包括PAL制式（720×288@50场/s）和NTSC制式（720×243@60场/s）在内的视频信号实时进行压缩和解压缩。压缩倍数从视觉无失真感的4∶1到7500∶1， 主要用于闭路电视。

    1.2  ADV611内部结构及功能
    
    ADV611引出了120个引脚，采用LQFP封装。图1是其内部功能方框图。整个芯片由3个接口模块和5个数字信号处理模块组成，它们依次是：
    
    (1)数字视频I/O接口（Digital Video I/O Port），主要用于提供实时非压缩视频接口以支持不同的视频信号格式。
    
    (2)主机I/O接口（Host I/O Port），包括32位数据总线（D0~D31），两位地址线（ADR1，ADR2），片选信号（CS），读信号（RD），写信号（WR），响应信号（ACK）和中断信号（INT）。
    
    (3)外部DRAM控制器（External DRAM Manager），控制外部DRAM的读写与刷新。
    
    (4)小波变换核（Wavelet Kernel），对图像进行小波变换时使用的内部缓冲器。提供小波变换所需要的缓冲区，提供足够大的空间以存储小波变换后的数据。
    
    (5)片内变换缓冲器（On-Chip Transform Buffer），为小波变换核提供一个内部SRAM。
    
    (6)可编程量化器（Programmable Quantizer），用来量化小波系数，量化所需二进制系数可由计算机或外部DSP进行控制。当主机控制量化系数时，主机通过对前一帧图像子带编码数据的统计计算下一帧的量化步长，在下一帧压缩之前，将其写入量化步长寄存器，通过量化步长控制，主机可获得稳定的压缩码流输出。当利用外部DSP计算每一个频带的量化参数“Bin Width”时，这也是一个自适应的实时优化压缩比特率的过程，ADV611的这种自适应量化特性，即使量化导致比特率突变，也可以获得几乎恒定的压缩比特率。
    
    (7)游程编码器（Run Length Coder），用来进行游程编码，查找长字串的零，同时用短的码子代替。
    
    (8)Huffman编码器（Huffman Coder），用来进行Huffman编码，Huffman编码器用3种固定的Huffman编码字表烧制于ADV611的ROM中。

    ADV611共有84个数据寄存器和若干状态、控制字寄存器。其中，数据寄存器是片内FIFO的映射，用于存储经小波变换后的图像压缩数据（编码和解码过程各需要42个），以供自适应量化和熵编码进一步数据压缩。ADV611在片内集成了一些状态和控制字寄存器，它们都是间接寄存器，ADV611对它们进行统一编址，主机不能直接访问间接寄存器。为访问片内FIFO和间接寄存器，ADV611还设置了一组可由主机直接访问的4个32位直接寄存器，由两位地址线来选择。

    中断控制和状态寄存器的高16位是控制位，设置引起ADV611向主机发出中断的条件，低16位是状态位，反映触发当前中断的原因。

    1.3  高清晰度取景框

    ADV611具有高清晰度取景功能，允许一帧中某一矩形区域相对于其它区域有较低的压缩比，或完全不进行压缩。矩形区域的位置和大小以及与背景的对比度由主机通过ADV611的主机接口输入控制字来控制。该功能为用户在不影响压缩比的情况下选取某一感兴趣的区域作高清晰度显示提供了捷径，这也是ADV611特别适用于监控场合的主要原因。

    1.4  硬件实现小波变换

    ADV611的小波变换模块采用硬件编码方式实现了基于Morlet小波的双正交小波基（7，9）的小波变换和逆变换，每场独立进行子带编码，通过滤波将一帧视频分成42个可分离的频带，然后再进行压缩，色度分量占总频带的2/3即28个频带，亮度分量占剩下的14个频带。ADV611片内集成了一片SRAM，用作变换时的高速数据缓存，保证视频信号能实时处理。

[NextPage]    1.5  工作原理

    ADV611编码时从它的数字视频接口接收未压缩的数字视频信号，经小波变换和帧抽取、送入量化器进行系数量化、再经游程编码和Huffman 编码，产生压缩后的数据流，送入集成于片内的512×32位大小的FIFO缓存区，一旦FIFO的数据量达到主机在寄存器里的预置值时，ADV611就发出中断请求信号，从它与主处理器的接口输出压缩数据比特流。 解码过程与之相反，压缩数据由主机送入FIFO，解码后产生标准的视频分量从数据视频接口输出。

    2  用ADV611实现多路视频监控系统的方法

    该系统采用ADV611芯片，配以相应的外围电路，包括多路视频信号实时采集、监视、存储，回放部分通道信号的电路（可选择性地回放某一路信号，最多同时回放4路信号）。实现了由一台计算机控制、存储多路数字视频信号的功能（目前最多可达16路），考虑到客户的不同要求，我们设计了2种设计方案，一种是在1块印制电路板上实现2路视频信号实时采集、存储、回放的功能，系统结构图如图3所示。另一种是在1块印制电路板上实现4路视频信号实时采集、存储、回放的功能，系统结构图省略。这两种方案都是用高分辨率显示墙作为实时监控视频显示部分。

    2.1  监控系统的工作原理

    ADV611支持PHILIS公司的SAA系列视频芯片，只要附加1片SAA7111就可实现复合视频信号的数字化，将摄像机输入的PAL制式模拟视频信号转换成符合CCIR656建议的ADV611支持的数字视频信号，该信号送入YUV分离电路进行亮度和色度信号分离，送入亮度控制和色度对比度控制电路，经亮度色度处理后的YUV信号输入到压缩解压缩核心单元实现小波变换，压缩后的数据缓存到ADV611中的数据缓存区，主机通过PCI接口单元（S5933）取走数据，S5933完成PCI总线到用户逻辑的桥接器功能。
 
　　2.2  各模块实现的功能

    PCI模块包括PCI总线和S5933的接口，S5933是PCI总线专用控制芯片，用它的FIFO通道和PASS-THRU通道进行数据传输理论上都可以达到PCI总线的峰值速率，使利用ADV611实现多路视频信号的实时监控、存储成为可能。

     VIDIO1和VIDIO2模块包括ADV611和SAA7111的接口，这部分主要实现A/D 转换，并将转换后ADV611支持的数字视频信号经ADV611压缩后再经S5933存储在主机里。

    PLD模块在整个系统调试中起着举足轻重的作用，它实现S5933和ADV611的时序配合，PLD模块由MAX7128A组成。

    DECODE模块实现将主机中的压缩数据经ADV611解压后再经PCI接口单元S5933送至主机，在显示屏上回放视频信号。

    FIFO模块由74F244组成，CPU&RAM模块用来调试和初始化作用。

    在初次使用ADV611开发视频监控系统时，为调试方便，设计了这个方案，现在随着开发成功，对该系统改进及完善正在进行中。

    3  显示部分设计
    
    现在一般视频监控系统采用在一个显示屏上分割成多个画面，当画面分割9个画面以上时，因单路画面太小，影响人眼视觉分辨率，大大降低了“监控”效果，对此，本系统采用若干小电视屏组合成一个显示墙的设计，电视屏可根据用户需要监控的场所、路数等要求自由组合，达到最佳监控效果，这样不但实时监控的路数不受限制，而且每一个画面都有高达700 dpi以上的分辨率，使监控图像非常清晰，显示墙相对系统有一定独立性，体现了模块化设计的思想。

[NextPage]    3.1  尺寸制订

    显象管外型尺寸为105 mm×80 mm，偏转线圈外经为50 mm，印制板安装在偏转线圈后，印制板面积为103 mm×120 mm。

    3.2  电源电路

    每一个显示器都有自己供电系统可独立工作，每个组件都选择开关电源，这是因为开关电源可以节能，不足之处是开关电源会产生高频干扰，解决会有些难度，但比电源变压器产生的干扰容易解决，在实验中，将冷地和热地远距离分开，并选择新型的OTP224集成块，功率达70 W。

    3.3  扫描电路

    选用KA2133集成电路，该集成电路除行输出外还包含了其它扫描电路的全部功能。另外，偏转线圈行输出变压器接在行输出管发射极回路，效率高且比传统的电视机线路行电流减少10%，线路简单，省去了升压线路。

    4  结语

    以上提供了用ADV611实现实时监控的方法，这种方法的优点是用硬件将小波理论用于视频信号实时压缩，压缩质量好，且压缩比可根据用户的要求任意选择。系统可扩展性较好，可广泛用于银行、公安、证券、监狱、煤矿等领域。