黃德祥，湯愛(ài)武，徐 升，潘建兵，林仕材，胡愛(ài)民

(深圳航天科技創(chuàng)新研究院，深圳 518057)

0 引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在搶險(xiǎn)救災(zāi)、反恐應(yīng)急、交通巡查與疏導(dǎo)和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。無(wú)人機(jī)采集的實(shí)時(shí)視頻是在上述應(yīng)用領(lǐng)域中尤為重要的信息。圖像的清晰度、實(shí)時(shí)性、高可靠性與連貫性等性能指標(biāo)是影響地面人員進(jìn)行決策的重要因素［1］。JPEG2000由于其壓縮算法的特點(diǎn)，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)視頻壓縮算法(如H264、MPEG4等)在無(wú)線傳輸上的缺陷［2－5］，受到了業(yè)界的關(guān)注。而由于 JPEG2000壓縮算法的復(fù)雜性，使得其解壓運(yùn)算復(fù)雜、計(jì)算量大，對(duì)運(yùn)算設(shè)備要求較高，傳統(tǒng)采用PC進(jìn)行軟件解壓縮或FPGA加專(zhuān)用解碼芯片的應(yīng)用模式很難保證其實(shí)時(shí)性，并且資源占用率高、功耗大、體積笨重和靈活性差［6］，從而限制了JPEG2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)在無(wú)線傳輸領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，因此研究適合于基于JPEG2000的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻圖像解壓系統(tǒng)具有重大的意義。

本文所述解碼系統(tǒng)是手持式一體化測(cè)控站的一部分，無(wú)線鏈路系統(tǒng)在小于0.6 Mb/s的有限帶寬條件下，傳輸一路分辨率為720×576，幀率為25 FPS的JPEG2000視頻壓縮數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要求在保證對(duì)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)控制及遙測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的基礎(chǔ)上，視頻信號(hào)的解碼與回放控制在50 ms以內(nèi)。

基于上述需求，設(shè)計(jì)了一種基于ADV212的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻解壓縮系統(tǒng)，運(yùn)用于無(wú)人機(jī)手持式一體化測(cè)控站當(dāng)中，使得JPEG2000視頻圖像的解壓縮擺脫對(duì)計(jì)算設(shè)備的高要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小型化、輕型化。

1 ADV212

ADV212是 ADI公司推出的一款符合 ISO/IEC15444－1圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的單芯片JPEG2000編解碼芯片，采用小波變換和自適應(yīng)算術(shù)編解碼技術(shù)，具有高可靠性、配置靈活、支持多種視頻格式和功耗低等特點(diǎn)［7］。

ADV212主要包括1個(gè)專(zhuān)門(mén)的小波變換引擎、3個(gè)熵編解碼器、1個(gè)片內(nèi)存儲(chǔ)器和1個(gè)內(nèi)置精簡(jiǎn)指令集(RISC)處理器，如圖1所示。

圖1 ADV212內(nèi)部示意

小波變換引擎基于AD公司的SURF專(zhuān)利技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)6級(jí)小波變換，在解碼模式下，從內(nèi)部存儲(chǔ)器中讀取小波變換系數(shù)，并通過(guò)解碼計(jì)算，得到編碼前的原始數(shù)據(jù)。熵編解碼器用來(lái)對(duì)小波系數(shù)的編碼塊進(jìn)行背景建模和算術(shù)編碼。片內(nèi)存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)小波系數(shù)數(shù)據(jù)和臨時(shí)的代碼塊特征數(shù)據(jù)，以及用于RISC處理器的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。RISC處理器用來(lái)配置、控制和管理其他專(zhuān)用硬件模塊以及分解和產(chǎn)生JPEG2000視頻流。內(nèi)部DMA引擎提供存儲(chǔ)器之間的高帶寬傳輸以及各模塊和存儲(chǔ)器之間的高性能傳輸［8］。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由3部分組成:數(shù)據(jù)預(yù)處理及邏輯控制單元、ADV212解碼單元及視頻輸出接口，如圖2所示。數(shù)據(jù)預(yù)處理及邏輯控制單元通過(guò)以太網(wǎng)口與外部的數(shù)據(jù)接收單元連接，接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，解析通信協(xié)議得到有效的JPEG2000圖像數(shù)據(jù)，送入ADV212解碼單元，并控制ADV212解碼單元。ADV212解碼單元主要完成JPEG2000圖像數(shù)據(jù)的解壓縮工作，輸出 BT.656信號(hào)。視頻輸出接口主要把ADV212解碼輸出的BT.656格式的視頻經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入顯示器，或者直接接入到其他處理器當(dāng)中［9］。

圖2 JPEG2000解碼系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本解碼系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)一體化測(cè)控站的主要功能子系統(tǒng)，從系統(tǒng)的功能性、易維護(hù)性及系統(tǒng)的功耗、體積等方面考慮，采用 32位處理器結(jié)合ADV212的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從上述手持式一體化測(cè)控站要完成的各種功能的要求，并考慮到性能、溫度、功耗及兼容性等方面的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)邏輯控制單元選擇Freescale公司的i.MX6Quad芯片。這是一款基于ARM Cortex－A9核心的性能強(qiáng)大的低功耗32位4核處理器，主頻高達(dá)1.2 GHz，內(nèi)置 1 MB 的 L2 cache，支持浮點(diǎn)運(yùn)算。i.MX6Quad芯片可直接與DDR SDRAM連接，內(nèi)置功能強(qiáng)大的圖像及視頻處理引擎，內(nèi)置多種接口，如ENET以太網(wǎng)接口和SPI接口等，在滿足實(shí)時(shí)控制無(wú)人機(jī)及處理遙測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)與ADV212的無(wú)縫連接。

由于無(wú)人機(jī)下傳的視頻為720×576的JPEG2000視頻圖像，所以本系統(tǒng)采用一片ADV212解壓縮器件，輸出的YCbCr數(shù)據(jù)采取4∶2∶2的格式。為了盡可能地降低功耗，依據(jù)ADV212輸出BT.656標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，外接27 MHz的有源晶振，輸入到ADV212的 MCLK引腳，以供 ADV212內(nèi)部的JPEG2000處理時(shí)鐘及內(nèi)嵌的MCU時(shí)鐘使用。

C57/BL6小鼠成瘤率為100%。小鼠皮下接種LLC細(xì)胞后d10，皮下移植瘤直徑長(zhǎng)至約6 mm，質(zhì)硬，活動(dòng)度差，腫瘤呈膨脹性生長(zhǎng)，呈類(lèi)球形。

系統(tǒng)要求將視頻直接顯示在屏幕上，故需要將ADV212輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以直接顯示在LCD面板上。TW8816是一款高集成度的LCD顯示接口芯片，其內(nèi)置8位的MCU及CCFL/LED控制器，支持CVBS、S－Video、YPbPr和RGB等模擬信號(hào)以及24位 RGB、8/16/24位 YCbCr數(shù)字信號(hào)［9］。

如圖3所示，i.MX6Quad通過(guò)以太網(wǎng)接口與外部無(wú)線接收單元連接，通過(guò)擴(kuò)展的16位總線與ADV212連接。i.MX6Quad完成通信協(xié)議的解析、圖像數(shù)據(jù)的組幀及存儲(chǔ)等任務(wù)，并通過(guò)16位HOST總線讀寫(xiě)ADV212內(nèi)部的相關(guān)寄存器的方式來(lái)完成ADV212初始化、代碼裝載、參數(shù)配置以及傳遞壓縮和解壓縮數(shù)據(jù)。

圖3 硬件原理

解碼工作時(shí)，i.MX6Quad通過(guò) HOST接口把JPEG2000數(shù)據(jù)寫(xiě)入 ADV212的 CODE FIFO中，ADV212內(nèi)嵌的RISC處理器把JPEG2000數(shù)據(jù)從CODE FIFO搬動(dòng)到內(nèi)部的RAM，待一幀JPEG2000圖像數(shù)據(jù)接收完成后，數(shù)據(jù)被送入熵編解碼器，還原小波系數(shù)數(shù)據(jù)，而后經(jīng)過(guò)小波變換引擎，最后形成YUV圖像數(shù)據(jù)放在PIXEL接口中，圖像數(shù)據(jù)格式配置成BT.656格式，送入TW8816芯片中，視頻數(shù)據(jù)最終在 LCD 面板上輸出［10，11］。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

解碼系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 解碼軟件流程

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，解碼系統(tǒng)采用16位HDATA輸入、VDATA輸出模式。ADV212內(nèi)部有直接寄存器、間接寄存器、存放固件及其參數(shù)的內(nèi)存區(qū)域。在對(duì)ADV212的操作過(guò)程中，會(huì)對(duì)內(nèi)部直接或者間接寄存器進(jìn)行訪問(wèn)。對(duì)直接寄存器的訪問(wèn)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)總線直接訪問(wèn)對(duì)應(yīng)的直接寄存器即可。而對(duì)間接寄存器的訪問(wèn)相對(duì)復(fù)雜，需要先將間接寄存器的地址分高低16位寫(xiě)入STAGE和IADDR寄存器當(dāng)中，再訪問(wèn)IDATA寄存器，其流程如圖5所示。

圖5 ADV212讀/寫(xiě)間接寄存器流程

i.MX6Quad操作ADV212的內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)ADV212的初始化、固件下載、碼流下載和開(kāi)始/結(jié)束解碼等操作，其操作流程如圖6所示。

圖6 ADV212初始化、固件下載和解碼流程

ADV212的初始化工作始于硬件復(fù)位，通過(guò)i.MX6Quad的GPIO，向ADV212的復(fù)位腳發(fā)送一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)即可完成硬件復(fù)位工作，在全程正常工作過(guò)程中，需保持ADV212的復(fù)位腳為高電平。將PLL_HI與PLL_LO兩個(gè)直接寄存器分別設(shè)置為0x0008與0x0004來(lái)設(shè)置ADV212內(nèi)部PLL時(shí)鐘為27 MHz，并且設(shè)置完這2個(gè)寄存器之后，在后續(xù)初始化操作進(jìn)行之前，必須有至少20 μs的延遲，否則會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。接著設(shè)置BOOT寄存器為0x008A，設(shè)定為非主機(jī)模式。設(shè)置MMODE寄存器為0x05，設(shè)定間接寄存器訪問(wèn)模式為16位及地址自增寬度為16位模式。最后設(shè)置BUSMODE寄存器為0x05，設(shè)定內(nèi)部總線寬度為16位。

ADV212的固件有編碼用和解碼用2種。下載解碼固件時(shí)將STAGE寄存器設(shè)置為0x0005，IADDR寄存器設(shè)置為0x0000，然后將固件按順序?qū)懭隝DATA寄存器中即可，ADV212內(nèi)部會(huì)自動(dòng)將IDATA寄存器的數(shù)據(jù)搬運(yùn)到內(nèi)部的RAM當(dāng)中。將全部固件數(shù)據(jù)寫(xiě)入IDATA之后，需要設(shè)置BOOT寄存器發(fā)起一個(gè)軟復(fù)位操作，然后重新設(shè)置MMODE和BUSMODE寄存器。接著需要設(shè)置固件的運(yùn)行參數(shù)，將STAGE和IADDR寄存器分別設(shè)置為0x0005和0x7F00，依次往IDATA寄存器寫(xiě)入從偏移量0x00～0x0B的參數(shù)設(shè)置值。接著設(shè)置EIRQIE寄存器為0x0400，以使能0號(hào)軟件中斷。在設(shè)置完固件參數(shù)之后需要對(duì)下載的固件進(jìn)行校驗(yàn)，以檢驗(yàn)是否正確，校驗(yàn)是通過(guò)讀取應(yīng)用程序ID來(lái)進(jìn)行，查詢EIRQFLG寄存器，查看0號(hào)軟件中斷是否發(fā)生，如果0號(hào)軟件中斷發(fā)生，則讀取SWFLG寄存器的值，與解碼應(yīng)用程序ID(0xffa2)進(jìn)行比較，如果兩者一致，則說(shuō)明固件及固件參數(shù)已經(jīng)正確下載及設(shè)置，否則需要重新進(jìn)行初始化及固件下載等操作［12］。

ADV212的解碼工作，首先需要設(shè)置EIRQFLG寄存器，清除所有中斷標(biāo)志。然后按順序往CODE寄存器中寫(xiě)入JPEG2000數(shù)據(jù)。因?yàn)樵诔跏蓟霸O(shè)置解碼參數(shù)時(shí)已經(jīng)設(shè)置了模式，所以只需不斷地往CODE寄存器寫(xiě)入 JPEG2000數(shù)據(jù)，ADV212的VDATA接口會(huì)輸出BT.656的信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)的JPEG2000解碼系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于自主研發(fā)的一體化手持測(cè)控站中。在模擬測(cè)試中，運(yùn)用自制的測(cè)試設(shè)備，通過(guò)往本解碼系統(tǒng)輸入壓縮的JPEG2000圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算不同復(fù)雜度的完整壓縮圖像輸入到LCD顯示屏上顯示圖像的時(shí)間差，多次測(cè)試結(jié)果表明，視頻的延遲時(shí)間為40～48 ms。在實(shí)際使用中，視頻圖像延遲時(shí)間120～150 ms，由于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中圖像采集設(shè)備的延遲以及無(wú)線圖傳的發(fā)射端和接收端對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理造成的延遲為80～100 ms，由此可以得出本解碼系統(tǒng)的視頻延遲時(shí)間在50 ms以內(nèi)。

通過(guò)測(cè)量解碼系統(tǒng)的輸入電壓與電流，計(jì)算各個(gè)單元的功耗，數(shù)據(jù)預(yù)處理及邏輯控制單元的平均功耗為0.6 W，SDRAM存儲(chǔ)器單元功耗為0.4 W，ADV212解碼單元功耗為0.1 W，其他約為 0.2 W，總計(jì)1.3 W。

在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，采用了FPGA結(jié)合ADV212的方式及軟件解碼等另外2種方式進(jìn)行對(duì)比。軟件解碼方式采用開(kāi)源的Kakadu軟件，硬件平臺(tái)采用主頻為2.67 GHZ的酷睿i5 CPU，內(nèi)存為4 GB的主流硬件配置。實(shí)驗(yàn)中采用了Altera公司的EP3C55－F484C8。測(cè)試結(jié)果如表1所示。由于FPGA的邏輯單元及用戶IO不同，會(huì)導(dǎo)致資源占用率有較大的不同，故表1未給出其CPU及內(nèi)存的資源占用率。

表1 不同解碼方法測(cè)試對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

基于i.MX6Quad與 ADV212的解碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了JPEG2000視頻圖像的實(shí)時(shí)解壓，系統(tǒng)資源占用率低，且實(shí)時(shí)性較好，能夠解決傳統(tǒng)JPEG2000解壓縮方式中存在的可靠性差、體積大、功耗高和軟件復(fù)雜等缺陷。該解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠很好地應(yīng)用于微小型無(wú)人機(jī)的測(cè)控站系統(tǒng)當(dāng)中，以簡(jiǎn)化無(wú)人機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)，使無(wú)人機(jī)的操控更加簡(jiǎn)單方便，最終將使得無(wú)人機(jī)更加普及。 ■

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