智能大廈視頻圖像數(shù)字壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

來源：電子技術(shù)應(yīng)用; 作者：康利軍 楊國盛
摘要：提出了改進(jìn)的視頻圖像小波壓縮算法，設(shè)計(jì)了基于高速數(shù)字處理芯片DSP-C6201的硬件平臺(tái)，并在此平臺(tái)上對改進(jìn)的小波壓縮算法進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了智能大廈監(jiān)控系統(tǒng)不等清晰度視頻圖像壓縮。系統(tǒng)的成功應(yīng)用證明該系統(tǒng)硬件的高可靠性和軟件壓縮算法的有效性。
關(guān)鍵詞：智能大廈 監(jiān)控系統(tǒng) 視頻圖像 小波壓縮 DSP
智能大廈是現(xiàn)代建筑與高新信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。1984年，美國康奈涅格州哈特福德市建成了世界首座智能大廈，次年日本東京的一座智能大廈相繼建成，從而智能大廈引起了世界各國的關(guān)注。當(dāng)前，我國興建智能大量的熱潮方興未艾，其中圖像信號處理器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的以模擬電子技術(shù)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，由于攝像頭傳出的圖像信息量大，直接對圖像進(jìn)行記錄需要過多的錄像帶，很難實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)傳輸、信息共享的需求。采用相關(guān)編碼技術(shù)對圖像進(jìn)行壓縮，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和傳輸是現(xiàn)代智能大廈的迫切要求。但是，圖像壓縮所采用的方法一般比較復(fù)雜，運(yùn)算工作量大，單憑軟件實(shí)現(xiàn)圖像壓縮難以滿足實(shí)時(shí)的要求，一般要借助硬件來提高運(yùn)算速度以滿足圖像實(shí)時(shí)壓縮。正是在這種情況下，本文提出了改進(jìn)的視頻圖像小波壓縮算法，設(shè)計(jì)了基于高速數(shù)字處理芯片DSP-C6201的硬件平臺(tái)，并在此平臺(tái)上改進(jìn)的小波壓縮算法進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了智能大廈監(jiān)控系統(tǒng)不等清晰度視頻圖像壓縮。


1 圖像壓縮技術(shù)[6]
近年來涌現(xiàn)的諸多圖像壓縮算法中，最具有途的是基于塊分類的分形編碼和基于小波變換的零樹編碼。分形壓縮的理論依據(jù)是Barnsley等人提出的迭代函數(shù)系統(tǒng)（IFS）理論和拼貼定理。它實(shí)質(zhì)上是把數(shù)量最少且匹配最好的多個(gè)壓縮仿射變換找出來，取出其參數(shù)，如果其參數(shù)復(fù)雜性低于原圖像，便實(shí)現(xiàn)了壓縮。另一個(gè)引人注目的壓縮算法是基于小波變換的零樹編碼。圖像經(jīng)過小波變換后生成的系數(shù)數(shù)據(jù)總量與原圖像的數(shù)據(jù)量相等，即小波變換本身并不是有壓縮功能，之所以將它用于圖像壓縮，是因?yàn)樯傻男〔ㄏ禂?shù)具有能量集中性、重要系數(shù)的群集性、各分量系數(shù)之間的相似性和分量系數(shù)幅度的衰減性等適合分類壓縮的特性。基于上波變換的零樹編碼方案充分有效地利用了小波的頻率分布特點(diǎn)，不會(huì)像分形那樣產(chǎn)生明顯的方塊效應(yīng)，而且易于軟硬件實(shí)現(xiàn)，適合多類圖像的壓縮。這一類算法的典型代表是Shapiro提出的嵌入式零樹編碼（EZW）。但是，Shapiro方案一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是將不同級別的系數(shù)在判斷重要系數(shù)時(shí)給予同等的考慮。本文在Shapiro方案的基礎(chǔ)上提出了基于PSWTC（priority set wavelet tree coding）的改進(jìn)的小波壓縮方案克服了這一缺點(diǎn)，解決了不同大小不同級別的小波系數(shù)重要性判斷的方法問題。PSWTC結(jié)果的PS系數(shù)分布有明顯的規(guī)律性，級別高的個(gè)數(shù)少，級別低的個(gè)數(shù)多，呈金字塔分布，說明PSWTC很好地實(shí)現(xiàn)了零樹編碼方案的基本原則。與EZW相比較，PSWTC的計(jì)算復(fù)雜性要小，占用的存儲(chǔ)空間小，耗費(fèi)的時(shí)間短，容易實(shí)現(xiàn)快速壓縮，克服了傳統(tǒng)小波圖像編碼中存在的費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)[4][5]。PSWTC算法的具體步驟是：
（1）低頻系數(shù)暫不理會(huì)，置所有最高級節(jié)點(diǎn)為待分系數(shù)，構(gòu)成待分系數(shù)集。
（2）設(shè)置門限，設(shè)初始閾值為T=Tmax=2×exp{「log2Max「|X|」」},“「」”表示取整操作符，X是除低頻系數(shù)外的全部小波系數(shù)。
（3）根據(jù)門根比較判斷待分系數(shù)的重要性輸出Sn,n=1。重要?jiǎng)t輸出1，不重要?jiǎng)t輸出0。系數(shù)重要性由其小波對集合的重要性決定。


（4）按之字形順序把所有重要系數(shù)加入優(yōu)先集（priority，簡稱PS）Xi,i=1，把它們從待移系數(shù)的中刪除，并按之字形順序填入它們的子女。
（5）閾值減辦，T=T/2，跳到第3步，逐次形成優(yōu)先集Xi,i=2、3…，直到閾值達(dá)到一個(gè)預(yù)定的最小門限值或待分系數(shù)沒有節(jié)點(diǎn)存在為止。
在此基礎(chǔ)上給出了按小波變換→系數(shù)分類→熵編碼順序的圖像壓縮方法。
2 硬件設(shè)計(jì)
模擬視頻信號經(jīng)高速A/D采樣后轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號。數(shù)字視頻信號由奇數(shù)場信號和偶數(shù)場信號兩路信號組成，奇數(shù)場信號和偶數(shù)場信號按照上述改進(jìn)的小波壓縮方案進(jìn)行圖像壓縮。采用TI公司的含多處理單元的C6201定點(diǎn)處理器，該處理器可采用50MHz或100MHz的工作頻率，經(jīng)內(nèi)部倍頻后升至200MHz，每秒可完成1.6G次操作。其內(nèi)部含有具備超長指令字處理能力的CPU和8個(gè)功能單元，故而它可在個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行8條指令，芯片運(yùn)算能力顯著提高，再加之其良好的外部RAM接口和16bit的主機(jī)接口以及四通道的DMA功能，就使