王 剛， 陳曉曙

（東南大學 移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210096）

實時數(shù)字視頻監(jiān)控是安全防衛(wèi)、交通管理等領域的重要應用技術，目前主要采用MPEG2或H.264數(shù)字視頻編解碼及有線寬帶傳輸技術系統(tǒng)。由于時間、空間諸多因素所限，很多應用場景無法提供有效的有線傳輸網(wǎng)絡支撐，而基于無線技術構建的傳輸網(wǎng)絡具有布設靈活、建設維護經(jīng)濟等特點［1］，成為有效的解決方案。但無線信道帶寬相對較低，傳輸性能不穩(wěn)定，易誤碼且丟包率高，因此要求應用的視頻編碼技術具有碼率低且抗丟包性能高的特點，同時視頻編碼應具有實時性。

1 系統(tǒng)方案設計

目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常所采用的H.264標準相比于早期技術，其編碼效率已經(jīng)大為提高，對于25FPS、704×576分辨率的D1圖像壓縮后可低于3Mb／s碼流，若降低圖像分辨率或幀頻則可進一步降低碼率。但H.264標準采用基于幀間預測和補償?shù)膸g編碼技術［2－3］，若在傳輸中某幀數(shù)據(jù)內發(fā)生錯漏，會導致接收端因缺少與前幀相關的幀間信息而無法正確解碼，出現(xiàn)明顯的視頻中斷，并不適用于易產生包錯漏的無線傳輸網(wǎng)絡。

JPEG2000是聯(lián)合圖像專家組提出的新一代圖像壓縮標準，標準中同時包含了應用于運動圖像壓縮的 Motion－JPEG2000部分［4］。其基本原理是將視頻中的各幀按序分別獨立編碼，解碼時按序恢復即可得到原始的運動圖像視頻［5］。在編碼時其與H.264標準的最大區(qū)別是沒有采用幀間預測和補償技術，而是采用了幀內編碼技術，從而使得包錯漏引起的解碼差錯被控制在當前幀內，即使在傳輸中某一幀出現(xiàn)了極為嚴重的包錯漏，對下一幀的解碼也不會產生任何影響［6］。

JPEG2000標準編碼采用了離散小波變換作為核心算法，可在保持圖像質量下獲得高壓縮比，在高達128的壓縮比時，圖像的PSNR仍然能保持在28左右［7］，即有效實現(xiàn)低碼流速率下的高圖像質量。

另外JPEG2000標準是將數(shù)字視頻各幀分別作為靜止圖像進行編碼，所以可對數(shù)字視頻進行抽幀編碼，以此實現(xiàn)編碼視頻幀頻的改變來進一步降低壓縮后的碼流速率。

JPEG2000標準還有個突出特點是支持漸進傳輸［8］，當選擇壓縮碼流為RLCP（分辨率等級—層次—分量—位置）漸進順序時，碼流中先出現(xiàn)的是低分辨率等級圖像數(shù)據(jù)，當信道傳輸能力低時，可只提取這部分數(shù)據(jù)進行發(fā)送，此時在解碼端恢復得到的是低分辨率格式圖像。由于JPEG2000標準只支持圖像分辨率在長寬維度上同時進行2的冪次方的漸進傳輸，如1／2、1／4等，不支持分辨率的連續(xù)漸進傳輸，以及在長或寬單個維度上的漸進傳輸，如D1格式（分辨率704×576）的視頻無法通過這種漸進傳輸?shù)玫紿ALF D1（分辨率704×288）格式的壓縮碼流。對此，將視頻數(shù)據(jù)流送入編碼模塊之前進行分辨率調整預處理，與JPEG2000編碼模塊的漸進傳輸協(xié)調配合使用，可實現(xiàn)靈活分辨率下漸進傳輸?shù)膶嶋H應用功能。

綜上所述，JPEG2000標準是非常適合于面向無線傳輸?shù)臄?shù)字視頻編碼系統(tǒng)技術設計路線。

2 實現(xiàn)系統(tǒng)設計

系統(tǒng)方案的一個實現(xiàn)系統(tǒng)設計如圖1所示。模擬視頻信號先經(jīng)過視頻解碼器部分轉換為BT.656／601格式的D1分辨率數(shù)字視頻流輸出，由圖像調整控制功能部分完成所需圖像分辨率調整，再送入壓縮編碼部分實現(xiàn)可控幀頻及壓縮比下的JPEG2000實時壓縮編碼。

圖1 實現(xiàn)系統(tǒng)設計方案

2.1 圖像調整控制部分

該部分設計采用TMS320DM6437（以下簡稱DM6437）實現(xiàn)，其是TI公司基于達芬奇技術DM643x系列DSP中的一款，CPU核心為TI的C64x＋，相比于C64x核，增加了適合流媒體處理的指令，提升了DSP在流媒體方面的處理能力［9］。針對視頻應用，DM6437片上集成了1個視頻處理子系統(tǒng)，包括1個視頻處理前端VPFE（Video Processing Front End，簡稱 VPFE）和1個視頻處理后端VPBE（Video Processing Back End，簡稱VPBE）。

DM6437在視頻處理前端中集成了1個尺寸調整（Resizer）硬件單元，通過寄存器配置即可完成輸入視頻數(shù)據(jù)在長、寬維度上從1／4倍到4倍的分辨率縮放，且可在2個維度上分別單獨進行，因此可直接實現(xiàn)分辨率從D1格式到HALF D1、CIF、QIF等格式的調整。由于Resizer單元要求工作在實時變換的on－the－fly模式時，必須與外部采用標準BT.601格式的16－bit YCbCr 422接口相連，故系統(tǒng)選擇了具有此接口的ADV7189視頻編碼器芯片支持設計。

DM6437的視頻處理后端支持多種數(shù)字視頻輸出格式，可以根據(jù)需要采用對應接口與后續(xù)視頻處理芯片相連，具有極強的靈活性。本系統(tǒng)中采用了8－bit YCbCr 422的輸出接口模式將經(jīng)過分辨率調整的數(shù)字視頻碼流送入JPEG2000壓縮芯片ADV212。

另外，DM6437作為本系統(tǒng)的控制核心，除了具有前述的視頻分辨率調整功能以外，還負責系統(tǒng)其他功能的調度，包括對于ADV212芯片固件加載的管理、壓縮后碼流的打包傳輸?shù)取?/p>

2.2 壓縮編碼部分

該部分設計采用的是ADI公司推出的ADV212，視頻和靜止圖像JPEG2000實時編解碼單片解決方案，其內部結構示意圖如圖2所示，主要由視頻像素接口、小波變換引擎、熵編解碼器、嵌入式處理器、存儲器系統(tǒng)和內部DMA引擎等組成［10］。內嵌的32位RISC處理器是整個芯片的控制者，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)存儲器，只需在芯片開始工作前將設定好的固件程序導入，即可按照設計者的設置開始工作；芯片集成的基于ADI專利的空間高效遞歸濾波小波技術（SURF）的小波核，可以支持高達6層分解的9／7和5／3小波變換，并且內部還提供了3個專用的硬件熵編碼器；DMA引擎則為芯片內部存儲器之間、內部存儲器和各個功能模塊之間提供高速傳輸數(shù)據(jù)能力；視頻像素接口支持包括PAL、NTSC在內的多種標準數(shù)字視頻數(shù)據(jù)格式和用戶自定義視頻數(shù)據(jù)格式。單片ADV212即可完成不高于D1分辨率格式數(shù)字視頻碼流的實時壓縮。

圖2 ADV212內部結構示意圖

由于本系統(tǒng)中進入ADV212的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)在DM6437中完成了分辨率的調整，已不是標準格式的數(shù)字視頻，所以ADV212的視頻像素接口必須配置為對應的用戶自定義視頻數(shù)據(jù)格式與DM6437的VPBE通信。接口采用具有獨立行、場同步信號的8－bit YCbCr 422模式，如圖1所示。以DM6437中實現(xiàn)D1至HALF D1分辨率的調整為例，其VPBE輸出的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)格式為864×156＠50Hz，其中有效像素的數(shù)據(jù)為704×144＠50Hz，像素數(shù)據(jù)時鐘頻率VCLK為13.5MHz，對應的時序如圖3所示，在ADV212中只需相應配置視頻數(shù)據(jù)格式寄存器組即可實現(xiàn)與VPBE的無縫連接。

ADV212的編碼壓縮比控制是通過其內部的RCTYPE、RCVAL和LTARGET 3個寄存器的配置參數(shù)組合來完成的。同時ADV212提供了STALLPAR寄存器用來控制壓縮時所跳過的視頻幀數(shù)，即實現(xiàn)改變壓縮視頻幀頻的功能，并且上述的壓縮比及幀頻控制可在配置寄存器完成后即時生效，無須重新加載固件，從而保證了視頻編碼的連續(xù)性和實時性。

圖3 HALF D1分辨率視頻數(shù)據(jù)時序圖

2.3 碼流輸出通信接口

考慮到數(shù)字視頻應用的普遍性，以及實現(xiàn)系統(tǒng)在基于IEEE802.11的無線MESH多跳傳輸網(wǎng)應用需要，通過在DM6437外圍擴展1片以太網(wǎng)控制芯片DM9000的系統(tǒng)設計，充分利用DM6437自帶的10／100M的以太MAC通信功能接口，結合TI提供的以太網(wǎng)NDK開發(fā)包，有效支持實現(xiàn)JPEG2000壓縮碼流通過以太網(wǎng)絡以IP技術方式與各類無線傳輸系統(tǒng)或有線通信網(wǎng)絡互聯(lián)開發(fā)。

3 系統(tǒng)應用測試

應用場景為道路交通視頻監(jiān)控，支撐系統(tǒng)應用的傳輸網(wǎng)絡為基于IEEE802.11的無線MESH多跳傳輸網(wǎng)，如圖4所示，網(wǎng)絡共由5個無線MESH路由器節(jié)點構成線狀拓撲網(wǎng)絡，沿道路一側布設，每2個節(jié)點間距約為2km，所設計開發(fā)實時視頻壓縮系統(tǒng)位于首節(jié)點，基于PC的解碼服務器位于末節(jié)點。經(jīng)實際測試，經(jīng)過4跳之后的首末2個節(jié)點端到端有效傳輸速率在2Mb／s以上，丟包率大約為8%。因為該網(wǎng)絡還要負擔其他道路交通信息業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸，所以要求壓縮后的視頻碼流速率不超過1Mb／s。

圖4 外場測試網(wǎng)絡示意圖

對于D1格式、25FPS的視頻流，若按YCbCr 4∶2∶2格式進行8bit量化，其數(shù)據(jù)量為704×576×2×8×25＝162.2Mb／s，考慮到壓縮后的視覺效果，選擇壓縮比為100∶1，則壓縮碼流速率降為1.622Mb／s，此時仍不滿足小于1Mb／s的要求。因此，在ADV212編碼時配置為跳場數(shù)等于1，也即實現(xiàn)了幀頻縮減1／2，由此碼流速率減為0.8Mb／s。圖5所示為D1格式視頻原圖與經(jīng)100∶1壓縮編碼后在解碼端的恢復圖像?？梢钥吹脚c原圖相比，畫面細節(jié)沒有損失太多，并且在解碼播放的過程中，沒有出現(xiàn)畫面中斷情況，JPEG2000編碼有效對抗了無線傳輸?shù)膩G包。

圖6所示為CIF格式視頻原圖和經(jīng)50∶1壓縮編碼后在解碼端的恢復圖像。

圖5 D1格式視頻壓縮前后比較

圖6 CIF格式視頻壓縮前后比較

在希望保持25FPS幀頻以保證視頻流暢度，同時壓縮比不作進一步降低以保證視覺效果時，可以選擇降低視頻的分辨率，如從D1格式降為CIF格式，此時數(shù)據(jù)量為352×288×2×8×5＝40.55Mb／s，只需將壓縮比選擇為50∶1，即可將壓縮后的碼流速率降至0.8Mb／s左右。

4 結束語

本文給出的實時視頻壓縮系統(tǒng)，由于采用基于幀內編碼技術的JPEG2000標準視頻壓縮方案，避免了H.264等編碼標準由于傳輸丟包帶來幀間數(shù)據(jù)相關性丟失所引起的解碼中斷問題，同時輸入視頻數(shù)據(jù)的分辨率格式、幀頻、壓縮比能夠實時靈活調整，從而可以有效降低壓縮碼流的速率，在面向無線傳輸?shù)臄?shù)字視頻通信領域具有廣泛的實際應用價值。

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