張會新，孫 偉，辛海華

(中北大學 a.電子測試技術國家重點實驗室；b.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

遙測視頻圖像采集壓縮系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張會新a，b，孫 偉a，b，辛海華a，b

(中北大學 a.電子測試技術國家重點實驗室；b.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

由于空間遙測圖像的數(shù)據(jù)量大，通信帶寬有限，所以對遙測圖像進行壓縮編碼，節(jié)省傳輸時占用帶寬資源和減少數(shù)據(jù)存儲量，才能將遙測信號更可靠、全面地進行傳輸或是存儲到記錄器中留待分析使用。綜合遙測系統(tǒng)在傳輸圖像時要在盡量小的空間中最大化地采集和傳輸圖像信息的特殊要求，設計采用FPGA+專用視頻解碼芯片ADV7180來實現(xiàn)視頻圖像采集模塊的功能，采用FPGA+專用圖像壓縮芯片ADV212來完成視頻圖像壓縮功能的設計。最終實現(xiàn)了壓縮率約為25倍，壓縮后的數(shù)據(jù)傳輸速率達到40Mbit/s的視頻圖像采集壓縮系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、成本低、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)點。

空間遙測；圖像采集壓縮；ADV7180；ADV212

隨著遙測技術的發(fā)展，遙測數(shù)據(jù)量日益龐大。傳統(tǒng)的圖像壓縮技術已無法滿足對圖像壓縮質量進一步提高的要求。最新出現(xiàn)的圖像壓縮標準JPEG2000不僅能實現(xiàn)對圖像的有效壓縮，同時產(chǎn)生的碼流具有分辨率、信噪比可伸縮、隨機訪問和處理、抗誤碼性強等優(yōu)良特性，能夠很好地滿足遙測圖像“高保真、高壓縮比”的要求。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)包括圖像采集、圖像壓縮、邏輯控制等模塊。圖像采集模塊實現(xiàn)圖像的連續(xù)采集，將CCD攝像頭輸入的PAL制式視頻圖像轉換為標準格式的8bit視頻數(shù)據(jù)然后輸出；圖像壓縮模塊的功能為將接收到的視頻數(shù)據(jù)按JPEG2000標準壓縮；FPGA[1]控制模塊實現(xiàn)各芯片間的時序匹配，以及初始化配置工作模式和工作參數(shù)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖像采集[2]、壓縮模塊的主要功能是對單路模擬圖像數(shù)據(jù)進行實時采集和壓縮。主要設計指標為：1) 圖像采樣精度為8bit；2)對采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)進行壓縮處理且壓縮比至少16∶1；3)圖像的分辨率達到720×576。

2 視頻圖像采集模塊的設計

2.1 輸入接口電路設計

在輸入接口電路設計中，CCD攝像頭以其高靈敏度、很強的抗干擾能力等優(yōu)點成為本設計的首選，CCD攝像頭輸出標準的PAL制式視頻信號后經(jīng)過一個電壓分離網(wǎng)絡進入ADV7180的A/D轉換器，最終經(jīng)其解碼后輸出標準格式的數(shù)字視頻信號，如圖2所示。加電壓分離網(wǎng)絡的目的是為保證輸入的視頻信號在ADV7180的ADC允許范圍內(0～1 V)。

圖2 電壓分離網(wǎng)絡

2.2 視頻圖像采集電路設計

視頻圖像采集模塊[3]設計采用ADI公司的ADV7180視頻采集芯片來完成，它是一款10位、4倍過采樣的視頻圖像解碼器，可以采樣NTSC，PAL和SECAM格式的模擬視頻信號。通過正確配置后芯片自動檢測輸入格式，并將其轉換為符合YCbCr 4∶2∶2協(xié)議標準的8位的數(shù)字視頻信號。ADV7180通過自身提供的一個I2C串行接口和FPGA進行通信，F(xiàn)PGA模擬I2C總線的主端口正確配置ADV7180的內部寄存器值，從而使其正常工作。ADV7180共有6個模擬視頻輸入通道，CVBS、Y/C和YPrPb 3種輸入模式，通過配置控制寄存器INSEL[3：0]的值來選擇輸入模式為CVBS，視頻信號輸入口為AIN2。在正確配置ADV7180內部寄存器值后，ADV7180等待啟動信號并開始接收攝像頭輸出的PAL制式模擬視頻信號，在對其解碼后輸出8位的符合YCbCr 4∶2∶2協(xié)議標準的數(shù)字視頻信號。ADV7180電路連接圖如圖3所示。

圖3 ADV7180電路連接圖

3 視頻圖像壓縮模塊的設計

3.1 壓縮算法的選擇

目前，應用于遙測圖像壓縮[4]主要有4種算法：DCT法、變換碼法、脈沖調制編碼(DPCM)法以及矢量量化(VQ)法。綜合遙測圖像所要求的質量與壓縮速度考慮，小波變換法為比較理想的遙測圖像壓縮方案。采用離散小波變換法的JPEG2000標準是目前最新的靜態(tài)圖像壓縮標準，壓縮速率可達80Mbit/s。

3.2 視頻圖像壓縮電路設計

綜合設計需求，視頻圖像壓縮模塊設計采用技術成熟、高可靠性的ADV212作為圖像數(shù)據(jù)壓縮芯片，它是AD公司推出的一款專用編解碼芯片，可以接收ADV7180輸出的數(shù)據(jù)并按JPEG2000標準進行編碼壓縮工作。通過FPGA正確配置ADV212內部寄存器值可實現(xiàn)多種工作模式的靈活選擇。在本設計中，由于需要實時壓縮，輸入輸出數(shù)據(jù)量很大，設計采用視頻數(shù)據(jù)接口VDATA作為輸入口，使用主機數(shù)據(jù)接口HDATA作為輸出口，這樣可以提高數(shù)據(jù)吞吐率。并且為滿足數(shù)據(jù)源圖像精度要求，VDATA總線寬度選為8位，HDATA總線寬度選為16位。ADV212有EAV/SAV，HVF及原始視頻3種輸入模式，由于ADV7180的輸出數(shù)據(jù)信號需要要獨立的同步信號，ADV212應采用HVF模式作為輸入模式。ADV212的外部電路連接圖如圖4所示。

圖4 ADV212外部電路連接圖

4 關鍵邏輯設計

4.1 FPGA實現(xiàn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸

本設計中利用FPGA實現(xiàn)滿足I2C[5]協(xié)議的通信模塊代替接口器件，降低了設計成本。邏輯設計中采用按時間推移狀態(tài)機的設計理念，分別用5個子狀態(tài)完成各個狀態(tài)(如：起始狀態(tài)、讀狀態(tài)、寫狀態(tài)和停止狀態(tài))的時序功能。核心部分程序狀態(tài)圖如圖5所示。

圖5 I2C程序狀態(tài)圖

4.2 視頻數(shù)據(jù)回放應用程序的設計

ADV212在數(shù)據(jù)壓縮處理過程中都會在數(shù)據(jù)塊前加一特定的數(shù)據(jù)頭，只有把數(shù)據(jù)頭從數(shù)據(jù)中去掉后，才可以用對應的解碼軟件對數(shù)據(jù)進行解碼。為實現(xiàn)壓縮數(shù)據(jù)流的實時播放，設計采用了Microsoft公司設計的ASF文件打包器，對數(shù)據(jù)流進行處理。并用Microsoft 公司提供的Windows Media Format SDK開發(fā)工具實現(xiàn)對ASF文件的生成、編輯和播放。最后通過軟件調用Windows Media player播放器，程序所示：

if(!CreateProcess(NULL，

"c：Program FilesWindows Media Playerwmplayer.exe

http：//127.0.0.1：8080"，

NULL，NULL，F(xiàn)ALSE，0，

NULL，NULL，&si，&pi))

{

AfxMessageBox(_T("Windows Media Player播放器啟動失?。?))；

}

本例程中，通過使用CreateProcess函數(shù)創(chuàng)建了新的進程，在新進程中啟動Windows Media Player。最終播放器根據(jù)函數(shù)中的參數(shù)(http：//127.0.0.1：8080)打開本地端口，獲取本地ASF數(shù)據(jù)文件，最終實現(xiàn)了壓縮數(shù)據(jù)的解碼和播放。

5 測試結果及分析

5.1 測試結果

系統(tǒng)設計完成后，進行了數(shù)據(jù)傳輸與圖像壓縮功能測試，輸入信號由能夠輸出PAL制式720×576的模擬攝像頭提供。從ADV212讀出的原始數(shù)據(jù)如圖6所示，從圖中可以看出，該數(shù)據(jù)有完整的ADV212 數(shù)據(jù)頭和JPEG2000標準數(shù)據(jù)頭。以上數(shù)據(jù)經(jīng)ASF文件打包器生成.ASF文件后在Windows Media player播放器播放效果如圖7所示。

5.2 結論

ADV7180的接收的視頻信號為PAL制式，其像素為720×576，根據(jù)幀格式可計算出每一幀圖像大小為810kbyte。而且根據(jù)PAL制式25f/s(幀/秒)的圖像輸出速度可得ADV7180輸出數(shù)據(jù)比特率約為810kbyte/f×25f/s×8bit/byte = 158.2 Mbit/s。由于比特率較大，如果不做數(shù)據(jù)壓縮處理將需要很大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和存儲容量。本設計中對經(jīng)ADV212壓縮后的視頻數(shù)據(jù)分析，計算出每幀圖像大約為31.7kbyte，壓縮率約為810kbyte∶31.7kbyte≈ 25∶1，滿足了設計要求。同樣計算得，數(shù)據(jù)傳輸比特率約為31.7kbyte/f×25f/s×8bit/byte= 6.2 Mbit/s。壓縮后的視頻數(shù)據(jù)傳輸速率可達40Mbit/s。

圖6 JPEG2000壓縮數(shù)據(jù)(截圖)

圖7 Windows media play播放視頻數(shù)據(jù)(截圖)

[1]盧明．基于DSP和FPGA的圖像采集與處理系統(tǒng)設計[D]．西安：西安電子科技大學，2006．

[2]賀永波．基于USB2.0的高速圖像采集系統(tǒng)設計[D].武漢：華中科技大學，2006．

[3]李成，賀洋.基于FPGA的圖像采集模塊的設計[J]．電子設計工程，2009(3)：34-35.

[4]劉永征，劉學斌，胡炳棵，等.基于ADV212的JPEG2000靜態(tài)圖像壓縮系統(tǒng)設計[J].電子器件，2009(3)：505-506．

[5]何立民.I2C總線應用系統(tǒng)設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1995．

張會新(1980— )，講師，主研測試計量技術及儀器；

孫 偉(1990— )，碩士生，主研儀器儀表工程；

辛海華(1972— )，高級工程師，主研測試計量技術及儀器。

責任編輯：閆雯雯

Design and Implementation of Telemetry Video Capture and Compression System

ZHANG Huixina，b，SUN Weia，b，XIN Haihuaa，b

(a.NationalKeyLaboratoryForElectronicMeasurementTechnology；b.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement，MinistryofEducation，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China)

Due to the large data flow of the space telemetry images and the limited communication bandwidth，the images are compressing coded to save bandwidth resources and the amount of data storage in the process of transmission which can transmit the telemetry signal more reliably and fully or record it for the post-analysis.Considering the special requirements of acquisition and transmission of the image information at the telemetry system to maximize the transmission of images in a minimum space，the functional modules by using FPGA and dedicated video decoder chip ADV7180are designed to perform video acquisition.Also，the FPGA and dedicated image compression chip ADV212 is used to design the video compression system.Ultimately，the video capture and compression system with compression rate about 25times and data transfer rate of 40Mbit/s is achieved.The system has advantages of small size，low cost，high reliability and short development cycle etc.

space telemetry； video capture and compression； ADV7180； ADV212

【本文獻信息】張會新，孫偉，辛海華.遙測視頻圖像采集壓縮系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電視技術,2015，39(3).

國家自然科學基金項目(61335008)

TP391

A

10.16280/j.videoe.2015.03.010

2014-05-27