ADV611芯片在视频图像压缩/解压缩中的应用

摘要:文章介绍了一种高压缩率(可达7500:1)的专用视频图像压缩/解压缩芯片ADV611的功能特点、工作原理、
主要性能等,并介绍了该芯片在视频图像压缩和解压中的应用。

关键词:图像压缩/解压;视频信号;ADV611芯片

0引言

数字图像的表示需要大量的数据,给存储和传输带来很大的压力,因此数据图像压缩是必不可少的。随着微处理技术的发展,专用的图像压缩/解压缩A2SIC芯片不断出现。AD公司首家推出基于小波变换的实时视频压缩/解压缩芯片ADV6XX系列,本文就ADV611的结构功能、原理、性能及应用等问题进行阐述。

1ADV611简介

ADV611是AD公司推出的新一代基于小波理论的视频压缩/解压缩芯片,是一种低价、单片、多功能、全数字的CMOS2VLSI器件。支持对CCIR2611数字视频进行高画质实时压缩解压缩,它具有精确的压缩比特率控制,能实时地对包括PAL和NTSC在内的视频信号进行压缩和解压缩。ADV611在压缩时,其视频信号的奇偶场是单独进行的,主要应用于闭路电视系统。它的压缩比可以从4:1到7500:1,在不同的应用场合下,可根据不同的图像质量要求选择不同的压缩倍数,并能获得比较好的主观评价效果。主要应用于视频压缩传输、视频信号采集系统、远程闭路监控系统等。

1.1ADV611结构功能
ADV611为实现强大的压缩功能,具有120个引脚,采用LQFP封装,内部功能方框图如图1所示。整个芯片由8个功能模块组成,其中3个是接口模块,另5个是数字信号处理模块。接口模块包括数字视频

图1ADV611内部结构功能模块图

输入I/O接口(Digital Video I/OPort)、主机I/O接口(Host I/OPort)和外部DRAM存储管理器(External DRAM Manager);5个数字信号处理模块是小波核(Wavelet Kernel)、片内变换缓冲器(On2ChipTransformBuffer)、可编程量化器(Programmable Quantizer)、游程编码器(Run Length Coder)和哈夫曼编码器(HuffmanCoder)。其中,量化所需二进制宽度由计算机或DSP完成,熵编码包括游程编码和霍夫曼编码。主机接口可为16位或32位,带有512×32Bit缓存FIFO。各部分功能如下:

1)小波变换核:是整个芯片的核心部分,主要完成二维小波变换。该模块内含一个工作于图像水平方向及垂直方向的滤波器组,这些滤波器使用了一些有效的小波基函数。基于小波变换的压缩方法的优点是无须将图像分解成子块,这样就可以消除在高压缩比下出现的方块效应。对图像进行小波变换时使用内部缓冲器,避免使用较为昂贵的高速外存。

2)自适应量化器:用来量化小波系数,量化系数可以由外部的DSP进行控制,这个模块的作用是根据人的视觉特性对滤波后的图像进行量化。通常,人眼在同一层精确度上对低频分量比对高频分量敏感。因此,滤波时,对高频信息所进行的量化幅度应该大些,而对低频信息的量化幅度要小一些。

3)熵编码模块:包含了两种类型的熵编码器以获得无失真的游程编码和哈夫曼编码。游程编码器主要用来查找长字串的零,同时用短的码字代替;哈夫曼编码器理论上可以产生所有最常用的码字序列表。ADV611中使用了3种固定的哈夫曼编码字表,而没有产生码字表。

4)缓冲器:提供小波变换核所需要的变换缓冲区,并用来提供足够大的空间以存储小波变换后的数据。

5)数字视频I/O口:主要用于提供非实时压缩视频接口,以支持不同的视频信号格式。

6)DRAM管理器:用于控制外部DRAM的读写及更新。

7)I/O主机接口及FIFO:用于ADV611和主机间传送控制和状态信息,以及压缩的视频数据。

1.2ADV611的基本工作原理
由图1可知,视频数据经过ADV611时有两条路径:一条为编码路径,另一条为解码路径,如图2所示。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、系数量化、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缓冲区。一旦FIFO的数据量达到主机在寄存器里预置的值时,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。解压缩时,压缩数据从主处理器接口送入到FIFO里,然后经过与编码时的相逆过程,数字视频接口输出标准的数字视频分量。ADV611共有84个数据寄存器和一系列的状态、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压缩图像数据(编码和解码过程各需要42个),以供自适应量化和熵编码进行进一步数据压缩,实现实时视频信号压缩。状态和控制字寄存器是间接寄存器,ADV611对它们进行统一编址,通过主机接口访问片内四个32位直接寄存器进行读写操作。

图2ADV611的编码、解码通道

1.3 ADV611的主要性能

ADV611具有以下主要性能:
1)准确的压缩位率控制,压缩的数据率由输入数据率和选择的压缩率决定;
2)高清晰度取景框功能,允许一帧中某一矩形区域相对于其他区域(我们称之为背景)有较低的压缩比,或完全不进行压缩;
3)硬件编码实现小波变换;
4)支持电影质量数字视频的国际标准CCIR-656,最大可用场图像尺寸为720×288(PAL50f/s)和720×243(NTSC60f/s);
5)16/32位主机接口,带512个32位FIFO。

2 ADV611在视频编码和解码中的应用

视频解码器的作用是将输入的模拟视频信号变成标准的数字视频信号(ITU-RGB-656),便于系统处理,同时产生27MHz的系统时钟,使整个系统的数字部分能在统一的时钟下工作。视频编码器的作用与之相反,是将数字视频信号变换成能在所有的广播电视系统中播出的模拟视频信号。采用ADV611芯片,配以相应的外围电路,很容易实现数字视频信号的编码和解码操作。并且这种电路不需要使用价格昂贵的SRAM缓冲区或VRAM帧存,而采用普通廉价的外部DRAM存储器即可。另外,ADV611专用于远程监控和闭路电视等领域,能很好的兼容现有的各种流行视频标准。

2.1ADV611在视频压缩电路设计中的应用
ADV611和SAA7113视频解码器连接可以实现视频图像的压缩,连接图如图3所示。SAA7113是Philips公司推出的基于微处理器可编程的视频输入处理芯片(VIP),通过简单的I2C总线与微处理器相连,接口简单,内部有两路模拟处理通道,能实现视频选择、抗混叠滤波、模/数转换、自动箝位、自动增益控制、时钟产生、多制式解码及亮度、对比度、饱和度控制。可产生多种不同的图像数据输出格式。

由摄像头或摄像机拍摄的模拟视频信号,经SAA7113转换为数字信号,通过ADV611进行小波变换、自适应量化、编码输出压缩视频数据流,此压缩数据流经ADSP-2189M存储或由其串口进入到传输系统。在此系统中,ADSP-2189M通过I2C总线对SAA7113进行初始化和功能控制编程,通过其主机接口对ADV611进行初始化、内部寄存器编程,另外,它还根据从ADV611统计值寄存器中读取的值进行BW(BinWidth)和1/BW的计算,并将计算结果写入到ADV611相应的寄存器中。

图3SAA7113和ADV611的连接图

2.2ADV611在视频解压电路设计中的应用
为了完成视频压缩后的视频信号显示,可以利用ADV611和视频解码芯片ADV7175实现。ADV7175是Analog公司的可以将数字视频转换为标准的模拟基带电视信号的视频制式合成芯片,它支持5V或3V操作,仅需要一个27MHz的晶振输入,并具有80dB的信噪比。支持从ITU-RBT601/656的YCrCb格式到PAL/NTSC格式的视频编码。视频输入支持8位和16位CCIR-656以4:2:2格式的并行输入(ITU-R和CCIR在文档中可以互换使用),可以直接与ADV611实现无缝连接,连接图如图4所示。

图4ADV7175和ADV611的连接图

压缩的数字视频数据流通过ADV611熵编码、自适应量化、小波逆变换解压输出8位CCIR-656以4:2:2格式的视频数据,该视频数据符合ADV7175视频输入数据的要求,可以直接输入到ADV7175视频输入接口,通过ADV7175进行视频解码转换为标准的模拟视频信号(PAL/NTSC格式)。接口接在显示器上,能显示输出模拟视频图像。这里主处理器也可用ADSP-2189M,ADSP-2189M通过I2C总线对ADV7175进行初始化和功能控制编程,通过其主机接口对ADV611进行初始化、内部寄存器编程来协调整个系统的工作。

3结论

本文介绍了用ADV611实现视频图像压缩/解压缩处理的应用。由于ADV611以小波变换为内核压缩方法,无须将图像分解成子块就可以消除在高压缩比下出现的方块效应,具有很高的视觉无失真压缩比和精确的压缩比控制。这种应用对模拟视频信号处理造成了很大的冲击,向数字化迈进了很大的一步,目前主要集中应用在视频压缩传输系统。随着数字化的发展,将广泛地应用于视频信号采集系统、远程闭路监控系统、视频承载设备、图像和视频档案系统、高质量的视频会议系统等领域。