謝錫海, 張亞囡

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

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基于MPEG—2的圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計*

謝錫海, 張亞囡

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

針對未壓縮的視頻圖像信號的高傳輸碼率，占用存儲空間大進(jìn)行了研究，提出了一種基于MPEG—2的圖像壓縮編碼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的無線傳輸，并輸出傳輸流。通過視頻解碼芯片SAA7114H和編碼芯片SAA6752H構(gòu)成壓縮模塊，分析原始視頻圖像，經(jīng)D1格式采集壓縮后，分別以不同的速率傳輸時，視頻圖像質(zhì)量變化，表明壓縮倍數(shù)越高，圖像質(zhì)量越差；由SAA6752芯片引腳采集數(shù)據(jù)，將采集到的視頻流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制，分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及排列規(guī)律符合傳輸流特性。該設(shè)計方法不僅能保證良好的圖像質(zhì)量，提高視頻圖像壓縮率，且能正確提取傳輸流。

視頻采集； 壓縮編碼； 解碼； 傳輸流

0 引 言

隨著通信數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，促使有線數(shù)字電視不斷推廣與普及，特別是對數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。由于視頻圖像數(shù)據(jù)量較大，在傳輸中這樣高的數(shù)據(jù)傳輸率和存儲所需的巨大容量成為發(fā)展數(shù)字視頻通信的障礙[1]。根據(jù)不同時期和不同的應(yīng)用，MPEG(moving pictures experts group)出臺了一系列壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，其中，基于MPEG—2的視頻圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，能用來支持高的圖像分辨率，且對高速實(shí)時活動圖像予以支持，而在數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的是MPEG—2編碼的傳輸流(TS)碼流[2]。

本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)的視頻采集和壓縮編碼的系統(tǒng),該系統(tǒng)采用飛利浦公司視頻解碼芯片SAA7114采集模擬視頻信號，經(jīng)視頻編碼芯片SAA6752壓縮編碼，通過對芯片引腳配置，采集數(shù)據(jù)流并獲得TS流。

1 MPEG—2壓縮編碼

1.1 MPEG—2系統(tǒng)

廣播級的數(shù)字圖像適合在MPEG—2系統(tǒng)中編碼與傳輸，MPEG—2還提供了多路節(jié)目的復(fù)用方式。另外，MPEG—2在ATM信元的適配上也能夠進(jìn)行兼容[3]。MPEG—2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要由系統(tǒng)層、視頻層和音頻層三部分組成。其中系統(tǒng)層是描述不同的比特流(視頻、音頻、數(shù)據(jù))如何各路復(fù)用和同步，以適應(yīng)于存儲和傳送[4]。MPEG—2系統(tǒng)包括兩種編碼方式TS和節(jié)目流(PS)，兩種編碼方式的區(qū)別在于TS的包長度固定，而PS包的長度是可變的。如果出現(xiàn)某一PS包的同步信息丟失，接收機(jī)就不能確定下一包的同步位置，造成失步和嚴(yán)重的信息丟失。而對于采用固定長度的TS，當(dāng)某一TS包的同步信息傳輸錯誤時，接收機(jī)通過在固定位置測試其它包的同步信息，來恢復(fù)當(dāng)前包信息，有更強(qiáng)的抗干擾能力。MPEG—2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MPEG—2系統(tǒng)圖Fig 1 MPEG—2 system diagram

傳送流由2層構(gòu)成：系統(tǒng)層和壓縮層。系統(tǒng)層分為兩個子層，一個用于多路復(fù)用寬操作(傳送流分組層)，一個用于特定數(shù)據(jù)流操作(打包基本流,PES分組層)[5]。

1.2 MPEG—2視頻壓縮算法原理

同MPEG—1相比MPEG—2圖像編碼做了進(jìn)一步的改善。由于圖像信號的隔行掃描的性質(zhì)，MPEG—2提供了兩種模式，分別為“按幀編碼”與“按場編碼”，它們對運(yùn)動補(bǔ)償和DCT做了進(jìn)一步的擴(kuò)展，從而顯著提高了壓縮編碼的效率。MPEG—2基本編解碼模型如圖2所示,圖中虛線上半部分實(shí)現(xiàn)視頻編碼功能,虛線下半部分實(shí)現(xiàn)視頻解碼功能。

圖2 MPEG—2編解碼模型圖Fig 2 MPEG—2 encoding and decoding model

基于運(yùn)動補(bǔ)償?shù)腄CT是MPEG—2使用的有損壓縮編碼技術(shù)。編碼部分的預(yù)處理包括插入和過濾,并將圖像分割成宏塊。幀間編碼,運(yùn)動估計對宏塊的運(yùn)動進(jìn)行估測和補(bǔ)償來減少視頻圖像的時間冗余;幀內(nèi)編碼,宏塊依次經(jīng)過DCT 、量化和變長編碼后輸出壓縮的視頻數(shù)據(jù)并放入緩存中;用運(yùn)動預(yù)測建立當(dāng)前圖像和已傳圖像的預(yù)測器,兩者差值進(jìn)行DCT，并對DCT系數(shù)進(jìn)行量化和變長編碼;逆量化和IDCT的目的是為完成參考幀的重現(xiàn)。解碼器對變長編碼進(jìn)行解碼、逆量化和逆DCT重構(gòu)幀內(nèi)編碼圖像,后處理插入并過濾結(jié)果圖像以便顯示[6]。在MPGE壓縮編碼中，幀內(nèi)壓縮采用8×8的圖像塊[7]，將64個數(shù)據(jù)作為一個單元，按照順序的先后進(jìn)入編碼器，在一些實(shí)用的方法被成功的實(shí)現(xiàn)之后，選用了一個8×8塊來作為MPEG幀內(nèi)之間的圖像壓縮規(guī)范。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

系統(tǒng)由以下幾部分組成：

1)視頻輸入部分:視頻輸入端有兩路模擬輸入口，一路稱之為CVBS信號，亮度和色度信號一同傳輸；另外一路為Y/C信號，色度信號和亮度信號分開傳輸[8]。用Philips公司的SAA7114[9]實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的功能。

2)MPEG—2編碼部分:由SAA6752HS和64M SDRAM組成。在SAA6752HS中存在著多個數(shù)據(jù)處理的模塊，且每一個處理器與控制模塊是彼此獨(dú)立的，因此,模塊與模塊之間的數(shù)據(jù)信息大部分是經(jīng)過FIFO存儲器或者是外部SDRAM的傳送來完成的。芯片SAA6752HS能夠形成打包的基本流，且這種基本流能根據(jù)不同的應(yīng)用而劃分為不同的格式。

3)控制部分:Atmega16是壓縮編碼系統(tǒng)的控制核心，主要用到單片機(jī)的兩線串行接口TWI,只需兩根線，分別是時鐘SCL和數(shù)據(jù)SDA ，連接SAA7114和SAA6752的SCL及SDA管腳。

SAA7114主要是用來捕捉和縮放視頻圖像，通過向VGA控制器的圖像端口提供數(shù)字視頻流，經(jīng)VGA的幀緩沖器顯示，或者用于捕獲系統(tǒng)內(nèi)存[9]。

SAA7114的輸入在這里所采用的是CVBS(自動增益)fromAI24及Y(自動增益)from AI12 +C(增益與Y的增益相適應(yīng))from AI22。

SAA7114的輸出過程：原始圖像的數(shù)據(jù)先通過A/D變換，再進(jìn)行解碼所得到的數(shù)字視頻信息從SAA7114的I端口輸出，當(dāng)對SAA7114的寄存器A[93H[4:0]]及寄存器B[C3H[4:0]]的參數(shù)進(jìn)行不同的配置時，它可以提供不同的數(shù)據(jù)輸出格式。擴(kuò)展端口能把其它電路的數(shù)據(jù)流傳送到圖像端口。

EMPRESS SAA6752芯片可產(chǎn)生打包的ES流，可以根據(jù)不同的應(yīng)用對碼流進(jìn)行設(shè)定，一種是對應(yīng)于 DVD格式的 PES 流，其碼率可變的；另一種是對應(yīng)于 TS 的 PES 流，其碼率是恒定的[10]。

2.2 主要芯片連接

SAA7114和SAA6752HS作為I2C從設(shè)備與Atmega16相連，見圖3所示。

圖3 SAA7114與SAA6752接口Fig 3 SAA7114 and SAA6752 interface

在具體設(shè)計環(huán)境下，輸入信號是PAL制的。對于PAL制，場頻是50 Hz。采樣頻率fs=625×25×N=15 625×N=13.5 MHz，N=864。其中，N為每一掃描行上的采樣數(shù)目。

SAA6752的VCLKI與ICLK管腳連接為系統(tǒng)提供27 MHz的時鐘信號。PAL制式掃描后的圖像幀率為25 fps,一幀分2場，對所有的制式來說每一行有效樣本數(shù)均為720個。本文中采用4︰2︰2的彩色圖像的采樣格式，在這種格式下，Y信號采樣頻率13.5 MHZ，而Cb與Cr則采用 6.75 MHz的采樣頻率。信號輸出是從圖像輸出端口I端連續(xù)8 bit模式輸出，帶有時序參考碼字(ICODE=1)，視頻信號的數(shù)據(jù)格式為4︰2︰2格式。

2.3 系統(tǒng)軟件控制

本文實(shí)現(xiàn)了以飛利浦芯片SAA7114和SAA6752為核心的視頻編解碼子系統(tǒng)。攝像頭采集視頻圖像，軟件開發(fā)環(huán)境程序是Visual C++6.0，通過SAA7114數(shù)字化后得到符合ITU601規(guī)范的數(shù)字信息，再由SAA6752對其進(jìn)行編碼處理，得到TS碼流。對SAA7114和SAA6752內(nèi)部參數(shù)配置是通過微處理器ATmega16進(jìn)行控制[9]?？偭鞒虉D如圖4所示。

圖4 總程序流程圖Fig 4 Flow chart of total program

3 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

系統(tǒng)采用的芯片大都是表面貼裝元器件，外部主要是電阻器、電容器、電感器、晶振。通常情況下，能夠通過示波器顯示的波形來判斷設(shè)計系統(tǒng)是否正常工作，另外對IDQ,I—PORT,IGPH,IGPV,ICLK等引腳利用邏輯分析儀觀察詳細(xì)的輸出數(shù)據(jù)流[11]。

原始視頻圖像占內(nèi)存為108 M，圖5所示為攝像機(jī)采集原始視頻圖像截取的圖片；圖6(a)是在以D1格式采集壓縮后并以2 M的速率進(jìn)行傳輸?shù)囊曨l上截取的圖像；圖6(b)是以D1格式采集壓縮后并以3 M的速率進(jìn)行傳輸?shù)囊曨l上截取的圖像。圖6(a)與圖5相比，視頻壓縮倍數(shù)為54，圖6(b)與圖5 相比較，壓縮倍數(shù)為36。圖6(a)和圖6(b)對比可知，以3 M碼率進(jìn)行視頻傳輸?shù)膱D像質(zhì)量要高于2 M碼率的視頻圖像，由此可知，壓縮倍數(shù)越高，圖像質(zhì)量越差。

圖5 原始視頻圖像Fig 5 Original video image

圖6 2M和3M碼率截取圖像Fig 6 2M and 3M code rate captured image

通過對SAA6752的CLKOUT和PDO0引腳觀察TS的時鐘及波形，數(shù)據(jù)輸出接口選用并行8主/從輸出接口，時鐘信號為6.75 MHz,如圖7。

8路輸出數(shù)據(jù)構(gòu)成一個字節(jié)，將生成的TS流波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成二進(jìn)制視頻文件存儲，通過Flex HEX軟件打開經(jīng)壓縮采集后的視頻文件，顯示傳輸流數(shù)據(jù)信息。

圖7 截取視頻的TS數(shù)據(jù)Fig 7 TS data of captured video

從圖中數(shù)據(jù)看出，相鄰47開頭數(shù)據(jù)段之間有187個數(shù)據(jù)，且連續(xù)3個包的開頭字節(jié)均為47，可得采集的數(shù)據(jù)流為所需的傳輸流。

TS流的基本單位為TS包，一個TS包以固定同步字節(jié)0x47開頭，用于檢測碼流是否同步。一個包的長度一般情況下固定為188字節(jié)，有些情況是204字節(jié)，204字節(jié)的格式僅僅是在188字節(jié)的后面加上16字節(jié)的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)數(shù)據(jù),其他格式一樣,多用于高清節(jié)目中。若包長不夠188字節(jié)，則用0xFF來填充。TS包是由包頭、自適應(yīng)區(qū)和負(fù)載組成，包頭包含了PID(包的ID值，決定TS包中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型)、是否存在調(diào)整字段、是否存在負(fù)載等重要信息。調(diào)整字段會包含系統(tǒng)時間信息(PCR)，而有效負(fù)載可為PES包或節(jié)目詳細(xì)信息(PSI)[12]。TS的包頭具有同步、包識別、檢錯和加密功能。

4 結(jié) 論

在保證圖像質(zhì)量的前提下，利用基于MPEG—2的壓縮編碼方法對視頻圖像進(jìn)行壓縮，壓縮倍數(shù)可達(dá)到54。結(jié)果表明:壓縮率越高，圖像質(zhì)量越差。該過程的核心是對SAA7114H和SAA6752H飛利浦芯片參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)以D1格式進(jìn)行采集壓縮視頻圖像，并能正確獲取TS，不但省去視頻編碼的軟件研發(fā)過程，且保證了視頻圖像的壓縮效果，達(dá)到預(yù)期研究目的。視頻由圖像組成，在一些情況下，需要采集某段時間的一幅靜止圖像或某一幀代表該段視頻信息存儲，進(jìn)一步減小存儲空間，因此,可在此基礎(chǔ)上為后續(xù)研究分析TS結(jié)構(gòu)并進(jìn)行幀圖像提取作為下一步的研究內(nèi)容。

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張亞囡,通訊作者,E—mai: zhangyananxy@163.com。

Design of image compression system based on MPEG—2*

XIE Xi-hai, ZHANGYa-nan

(School of Communication and Information Engineering,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710121,China)

Aiming at problem of large storage space occupied by high transmission code rate of uncompressed video image signal,a video compression coding system based on MPEG-2 is proposed,realize wireless transmission of digital images, and output transport stream.By video decoder chip SAA7114H and encoding chip SAA6752H constitute compression module,analyze original video image,video is captured and compressed by D1 format,respectively,video image quality changes while being transmitting,at different transmission rates,indicating that the higher the compression ratio is,the worse the image quality is;collect data by pins of SAA6752 chip,the captured video stream data is converted to hexadecimal,analyze data structure and arrangement law with the transport stream characteristics.The design method can not only ensure good image quality,increase video compression ratios,but also can extract transport stream correctly.

video capture； compression coding； decoding； transport stream

2015—11—17

陜西省科技攻關(guān)資助項目(2014K05—20)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0089—04

TN 919.8

A

1000—9787(2016)10—0089—04

謝錫海(1967-)，男，陜西漢中人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事信號與信息處理方向的研究。