OV7670和ADV611的圖像采集與壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 引言

隨著圖像傳感器、DSP及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，圖像監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)被人們用于生活、工業(yè)控制、科學(xué)研究等各個領(lǐng)域，因此圖像信息的采集得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)對磁懸浮試驗(yàn)線通信基站系統(tǒng)診斷的需要，設(shè)計(jì)了圖像信息采集及其壓縮傳輸?shù)淖酉到y(tǒng)，將基站的圖像監(jiān)控信息作為整個系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)的一部分實(shí)時(shí)地傳回控制室。鑒于傳輸帶寬有限以及原始圖像數(shù)據(jù)的冗余性，對原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。由于圖像的突變性較大，在控制壓縮率時(shí)采用了PID控制算法。在接收終端對壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理，就可以得到實(shí)時(shí)的監(jiān)控圖像。

1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)作為整個磁懸浮試驗(yàn)線通信基站診斷系統(tǒng)的一部分，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

OV7670采集到的圖像信息經(jīng)過ADV611壓縮處理后，由FPGA通過低電壓差分信號(LVDS)將壓縮后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨蹇ǖ目刂颇K，由控制模塊將包括監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)在內(nèi)的診斷數(shù)據(jù)組幀后傳輸?shù)娇刂浦行摹V7670圖像傳感器是OmniVision公司生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器，其體積小，工作電壓低，內(nèi)部集成了感光矩陣、模擬信號處理器、數(shù)字信號處理器、DSP處理器、寄存器控制接口以及影像處理單元。它主要具有以下特點(diǎn)：

①內(nèi)部有效感光陣列為640×480，最大幀率為30 fps。

②標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口，兼容I2C總線接口。

③支持RawRGB/GRB4：2：2、RGB565/555/444、YUV4：2：2和YCbCr4：2：2等多種輸出格式。

④50/60 Hz自動檢測。

OV7670內(nèi)部提供大量的控制寄存器，通過SCCB總線配置寄存器就可以輸出不同的圖像格式。

圖像壓縮模塊采用的是ADI公司推出的基于小波變換的ADV611圖像解壓縮編碼CMOS芯片，它能夠?qū)Ψ螩CIR-601格式的數(shù)字圖像進(jìn)行從視覺元損壓縮到高達(dá)7500：1壓縮和解壓縮。主要特點(diǎn)如下：

①可編程的控制“質(zhì)量窗”(Quality Box)。

②精確的壓縮比控制。

③單場獨(dú)立壓縮。

④集成DARM接口控制器。

芯片集成無縫視頻和主機(jī)接口，內(nèi)置片內(nèi)SRAM，能以較少的器件實(shí)現(xiàn)適合各種應(yīng)用的系統(tǒng)級解決方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集模塊設(shè)計(jì)

SCCB總線是OmniVision公司推出的串行攝像頭控制總線(Serial Camera Control Bus)，兼容I2C總線接口，最高傳輸速率可達(dá)400 Kb/s，OV7670內(nèi)部寄存器的配置和圖像數(shù)據(jù)的輸入與輸出是通過SCCB總線交換的，SCCB總線的時(shí)序圖如圖2所示。

SCCB總線由片選信號線SCCB_E、時(shí)鐘信號線SIO_C和數(shù)據(jù)信號線SIO_D構(gòu)成。在與主設(shè)備數(shù)據(jù)交換過程中，當(dāng)SIO_C是高電平時(shí)，SCCB_E從高電平向低電平切換時(shí)表示數(shù)據(jù)傳輸開始，SCCB_E線由低電平向高電平切換時(shí)表示數(shù)據(jù)傳輸停止。發(fā)送到SIO_D線上的每個字節(jié)必須為8位，每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制，首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位MSB，每個字節(jié)后必須跟一個響應(yīng)位ACK。SCCB總線的控制功能完全是由SIO_C、SIO_D兩條總線上電平的狀態(tài)以及兩者之間的相互配合實(shí)現(xiàn)的，其過程如圖3所示。

OV7670支持兩種地址格式：從設(shè)備地址ID—Ad—dress，包括讀地址和寫地址，其中地址的高7位用來選中從設(shè)備，最低位是讀寫控制位(R/W)，低電平表示發(fā)送數(shù)據(jù)，高電平表示讀數(shù)據(jù);內(nèi)部寄存器地址Sub—Address，用于執(zhí)行對寄存器單元進(jìn)行操作，支持地址單元連續(xù)的多字節(jié)順序讀寫操作。對OV7670的寄存器的寫操作由三部分構(gòu)成，先寫設(shè)備地址，再寫寄存器地址，最后向指定寄存器寫數(shù)據(jù)，即ID-Address+SUB-Address+W-Data。OV7670的設(shè)備地址為0x42，最后一位用來判斷讀寫，即讀的時(shí)候?yàn)?x43。依次發(fā)送ID-Address+SUB-Ad-dress+W-Data。讀操作時(shí)，需要先發(fā)送從設(shè)備地址和寄存器地址，然后再次發(fā)送從設(shè)備地址，讀取指定寄存器的數(shù)據(jù)，即{ID-Address+SUB-Address}+{ID-Address+R-Data)。在系統(tǒng)中，使用Verilog語言實(shí)現(xiàn)SCCB總線協(xié)議，Modelsim中的仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在SIOC為高，SIOD拉低時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸開始，SIOD線在SIOC線上的時(shí)鐘的作用下，開始傳輸數(shù)據(jù)。由圖4可知，第一個傳輸?shù)淖止?jié)位為0x42(01000010)，即OV7670的設(shè)備地址，緊接著是一個從設(shè)備響應(yīng)信號ACK。

2.2 圖像壓縮模塊設(shè)計(jì)

ADV611主要由質(zhì)量窗控制模塊、小波濾波器組、游程編碼和Huffman編碼、I/O接口以及DRAM控制器組成。壓縮編碼時(shí)，從它的數(shù)字視頻接口接收原始的OV76708位的數(shù)字圖像信號，經(jīng)幀抽取和小波變換后得到一系列不同尺度、不同方向的42個塊信號(Mallat Block)，再經(jīng)過游程編碼和哈夫曼編碼獲得壓縮數(shù)據(jù)，送入集成于片內(nèi)的512×32位大小的FIFO緩沖區(qū)，一旦FIFO的數(shù)據(jù)量達(dá)到主機(jī)在寄存器里的預(yù)設(shè)值時(shí)，ADV611就發(fā)出中斷請求信號，從它與主處理器的接口輸出壓縮數(shù)據(jù)比特流，解碼時(shí)是相反的過程。ADV611內(nèi)部原理框圖如圖5所示。

當(dāng)圖像從一幅簡單的圖像切換到含有豐富高頻細(xì)節(jié)的復(fù)雜圖像時(shí)，圖像壓縮后比特率就會發(fā)生很大的變化。為了獲得恒定的壓縮碼率，ADV611在圖像壓縮方面采用了自適應(yīng)的量化方案。一般情況下，人眼對圖像的高頻部分的敏感度沒有對低頻部分的敏感度高，所以ADV611對通過小波變換后得到的42個Block，根據(jù)每個Block對圖像的重要性不同，采取不同的量化帶寬/量化系數(shù)BW(解碼是為RBW)，即對不同的寄存器自適應(yīng)地輸入適當(dāng)?shù)牧炕禂?shù)，然后經(jīng)過編碼壓縮得到比較恒定的碼流。對于每一場圖像，ADV611都要單獨(dú)地計(jì)算其量化系數(shù)，但由于前后兩場圖像的相關(guān)性較大，ADV611是將前一場圖像的統(tǒng)計(jì)信息傳送到與之相連的FPGA來計(jì)算本場圖像的量化系數(shù)。ADV611輸出的前一場圖像的統(tǒng)計(jì)信息包括：

①各個Mallat子塊數(shù)據(jù)的平方和;

②Y、Cb、Cr各個分量的和;

③Y、Cb、Cr各個分量的最大值和最小值;

④前一場圖像壓縮后的數(shù)據(jù)大小。

ADV611計(jì)算量化系數(shù)的流程如圖6所示。

其中R0，R1為傳輸信道所允許的最小和最大比特率，壓縮比例Sk為每個Block的量化系數(shù)，最小值為0，最大值為1，BW(bn)為每個Block的量化系數(shù)。在計(jì)算Sk時(shí)，采用了PID控制算法：

Sk=Err×Kp+Err_int×Ki+Err_dir×Kd (1)

式中，Err為系統(tǒng)實(shí)際輸出與目標(biāo)輸出的偏差;Kp是比例系數(shù)，成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號;Ki是積分系數(shù)，用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度;Kd為微分系數(shù)，反映偏差信號的變化速率。PID控制將系統(tǒng)偏差通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。由式(1)可以得到每個Block的壓縮比例Sk，根據(jù)壓縮系數(shù)通過公式(2)和(3)就可以計(jì)算每個Block的量化系數(shù)：

結(jié)語

本文介紹了基于OV7670和ADV611對磁懸浮試驗(yàn)線通信基站的實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對SCCB總線協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和圖像壓縮算法進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，解壓后圖像的失真度與壓縮比成負(fù)相關(guān)，這是由于圖像壓縮時(shí)對圖像進(jìn)行幀抽取和量化系數(shù)的截?cái)嗨鶐淼摹?/p>