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[導(dǎo)讀]圖像的數(shù)字化表示使得圖像信號可以高質(zhì)量傳輸,并便于圖像的檢索、分析、處理和存儲。但是數(shù)字圖像的表示需要大量的數(shù)據(jù),必須進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。即使采用多種方法對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮,其數(shù)據(jù)量仍然巨大。

1 引言
圖像的數(shù)字化表示使得圖像信號可以高質(zhì)量傳輸,并便于圖像的檢索、分析、處理和存儲。但是數(shù)字圖像的表示需要大量的數(shù)據(jù),必須進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。即使采用多種方法對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮,其數(shù)據(jù)量仍然巨大,對傳輸介質(zhì)、傳輸方法和存儲介質(zhì)的要求較高。因此,作為數(shù)字圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)之一,對圖像壓縮編碼技術(shù)的研究顯得尤為有意義。

在嵌入式微處理器中,DSP以其算法密集性著稱,特別適合復(fù)雜算法處理的應(yīng)用。而在數(shù)字視頻圖像處理系統(tǒng)中需要用到對圖像的實時分析、壓縮、解壓等大量的處理運算,利用DSP作為其嵌入式平臺,可以發(fā)揮其性能優(yōu)勢,實時滿足圖像處理需要。

2 靜止圖像的國際壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG

JPEG(Joint Photographic Experts Group)是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在1991年提出,作為面向連續(xù)色調(diào)(包括灰色和彩色)靜止圖像的編碼標(biāo)準(zhǔn)。JPEG算法定義了4種運行模式:

①基于DCT順序型模式。按照從左到右、從上到下對圖像進(jìn)行掃描和編碼,稱為基本系統(tǒng)。
②基于DCT遞增模式。指對一幅圖像按照從粗到細(xì)進(jìn)行編碼,適合于傳輸時間長、用戶喜歡圖像從粗糙到清晰的應(yīng)用場合。
③無失真編碼模式??杀WC重建圖像與原始圖像完全相同。
④分層編碼。以各種分辨率對圖像進(jìn)行編碼,按照不同的應(yīng)用要求,可以獲得不同分辨率或不同質(zhì)量的圖像。本系統(tǒng)采用基本系統(tǒng)模式。圖1和圖2分別是JPEG的編碼和解碼方框圖。


3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的便攜式圖像壓縮板能直接掛在攝像頭的視頻輸出端,在現(xiàn)場對全電視信號進(jìn)行采集、變換和編碼,再以USB方式將處理后的圖像數(shù)據(jù)傳給微型計算機。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示,以TI公司的TMS320VC5402數(shù)字信號處理器為核心,包括視頻采集電路、擴展存儲器、擴展輸出端口、SAA7110控制電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及USB電路等。


系統(tǒng)中TMS320VC5402為中央處理器:SRAM為DSP片外擴展數(shù)據(jù)存儲器;EPROM為脫機工作時的程序存儲器,用于存儲系統(tǒng)的引導(dǎo)程序和其他應(yīng)用程序;幀存儲器用于存儲采集到的原始圖像以及算法處理的中間結(jié)果;攝像頭及圖像A/D部分負(fù)責(zé)拍攝環(huán)境圖像并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存入幀存儲器;地址譯碼、圖像采集系統(tǒng)控制電路產(chǎn)生本系統(tǒng)各部分的地址譯碼信號,使之映射到不同的地址區(qū)域,并控制圖像A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行圖像采集。

3.1 視頻采集電路設(shè)計

視頻信號的采集電路很多,其基本工作方法可分為兩種:獨立采集法和處理器采集法。前者采用專用圖像采集器件,自動完成圖像采集、存儲器地址生成以及圖像數(shù)據(jù)的存儲和刷新,除了對采集模式進(jìn)行設(shè)定外,處理器不參與采集過程,這種方法的特點是采集過程不占用CPU的時間、實時性好、適合活動圖像的采集,但電路較復(fù)雜,成本較低。而后者采用普通視頻A/D轉(zhuǎn)換器和幀存儲器實現(xiàn)圖像的采集。整個采集過程在CPU的控制下完成,由CPU啟動A/D轉(zhuǎn)換、讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)存入幀存儲器等,其特點是占用CPU的時間、實時性差,不適合視頻圖像的實時采集,但電路簡單、成本低。本系統(tǒng)采用第一種方案,即采集電路由專用圖像采集器件SAA7110和相應(yīng)的外接電路等組成。
專用視頻圖像編解碼器SAA7110可以提供16位的數(shù)據(jù)接口,通過I2C接口選擇訪問和控制SAA7110內(nèi)部不同寄存器的數(shù)據(jù)。通過此接口,由51單片機設(shè)置SAA7110的工作狀態(tài)和圖像壓縮效果,如圖像的總亮度、像素的最大亮度和最小亮度、色調(diào)處理等信息,以便為DSP調(diào)整壓縮效果提供依據(jù)。

SAA7110有6個模擬信號輸入通道,2個8-bit視頻CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,具有完全可編程靜態(tài)增益和自動增益控制電路,針對PAL、NTSC和SE-CAM提供亮度、色調(diào)信號處理,對所有電視信號標(biāo)準(zhǔn)提供水平和垂直方向上的同步偵測,為PAL制式提供UV信號延遲線來糾正色調(diào)相位誤差,在YUV總線上提供768/640抽樣,支持4:2:2和4:1:1的YUV輸出格式在8-bit分辨率上,用戶可編程亮度控制能有效矯正光學(xué)偏差,對所有制式要求采用26.8 MHz晶振;同時SAA7110提供實時狀態(tài)信息輸出(RTCO),為YUV總線提供亮度色飽和度(BCS)控制。

3.2 USB傳輸電路設(shè)計

USB傳輸電路的目的是將DSP處理好的圖像信息通過USB總線傳送給PC進(jìn)行處理和保存。本系統(tǒng)采用Philips公司的ISP1581 USB接口電路,該器件符合USB2.0規(guī)范,數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到480 Mb/s。能夠滿足圖像數(shù)據(jù)傳輸要求,同時可通過主機向下發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)。ISP1581與TMS320VC5402的通信通過一個高速的通用并行接口實現(xiàn)。

TMS320VC5402外部存儲器接口使用16位數(shù)據(jù)線。ISP1581也可配置為16位數(shù)據(jù)線的通用處理器連接模式,故可直接連接。ISP1581只有85個寄存器單元,使用8位地址線,可直接與TMS320VC5402地址線的低8位連接,使用CSO片選空間。因為ISP1581相對TMS320VC5402來說是低速設(shè)備,所以在應(yīng)用中使用了READY接口信號。

TMS320VC5402具有豐富的I/O口資源,與ISP1581的控制信號接口十分方便。在設(shè)計中,選擇TMS320VC5402的GPIOF7產(chǎn)生ISP1581的復(fù)位信號,在需要ISP1581復(fù)位時,產(chǎn)生一個寬度大于500μs的低電平脈沖。采用GPIOF0和GPIOF9控制EOT和WAKEUP,執(zhí)行相應(yīng)的功能。TMS320VC5402和ISP1581及PC的接口電路如圖4所示。


4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的主要功能是對監(jiān)控現(xiàn)場的全電視信號進(jìn)行實時采樣,然后對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮并通過USB總線將圖像數(shù)據(jù)傳送給主機。
系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示,可分為初始化、圖像采集、壓縮編碼和數(shù)據(jù)傳輸4個主要模塊。


系統(tǒng)上電或復(fù)位后,DSP在收到主機的命令之前按缺省模式執(zhí)行圖像采集和編碼壓縮,收到主機命令后按命令要求執(zhí)行圖像采集和編碼壓縮;在圖像采集和壓縮編碼過程中,DSP不停地檢測總線,以便及時正確地發(fā)現(xiàn)主機命令。DSP接收到主機命令后,應(yīng)盡快發(fā)送圖像壓縮數(shù)據(jù),以盡量減少主譏的等待時間。

5 結(jié)束語

實踐證明:本系統(tǒng)具有成本低、編程靈活和可靠性高等優(yōu)點。而且壓縮板體積小,便于攜帶安裝,能在脫機狀態(tài)下很好地完成圖像壓縮;利用TMS320VC5402獲得了很高的圖像處理速度和圖像質(zhì)量;利用USB2.0技術(shù)實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸。

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