摘? 要： 脫機的視頻編/解碼系統是一種脫離微機平臺的數字化圖像處理和通信系統。圍繞該系統核心DSP部分介紹了一種實現脫機圖像壓縮" title="圖像壓縮">圖像壓縮/解壓縮處理和視頻數據可靠通信的方法。這種設計方法成功地實現了脫機視頻編/解碼系統的實時圖像處理和數據流量的自適應控制。
關鍵詞： DSP? 視頻編/解碼? ADV611芯片
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視頻圖像編/解碼的目的是一方面要將模擬視頻信號轉化為數字信號來傳輸，另一方面由于單純的視頻模/數轉換所得到的圖像數據" title="圖像數據">圖像數據量非常龐大，必須應用圖像壓縮技術減少數據量。視頻圖像編/解碼有兩種實現方式。一種是基于微機平臺的實現方式，圖像數據通過微機軟件或者利用基于微機總線的圖像處理卡進行壓縮編碼" title="壓縮編碼">壓縮編碼，并且可以通過PC網絡進行數據傳輸;另一種拋開了微機平臺，應用DSP為主的微處理器算法對圖像進行壓縮/解壓縮的編/解碼處理。隨著微處理技術的發展，專用圖像壓縮/解壓縮芯片涌現出來，圖像處理算法集成于ASIC之中，簡化了脫機圖像系統的設計和實現。
ADV611芯片是美國ANALOG DEVICES公司生產的一種利用小波算法對視頻圖像進行實時壓縮/解壓縮處理的編/解碼芯片。該芯片不僅集成了視頻編/解碼算法，還提供了數據壓縮效果的實時調節手段，數據輸出速率可以靈活控制。本文介紹一種基于ADV611芯片、同時結合TI的DSP芯片TMS320C542實現的一種脫機視頻編/解碼系統。
在本脫機視頻圖像編/解碼系統中，DSP作為控制核心，一方面要管理ADV611、存儲器、外圍控制單片機和通信接口，另一方面要對ADV611的圖像壓縮效果進行調節，對數據速率實時控制。DSP如何能高效地完成這些控制任務，是本視頻編/解碼系統實現的關鍵。由于TMS320C542具有高速的運算能力和豐富的接口資源，是一種集數據處理和通信功能于一體的高速微處理器，所以本系統的DSP選擇了TMS320C542。
1 系統總體結構
圖1給出了系統總體結構框圖。在圖1中，原始PAL制式(720×288@50幀/秒)的視頻信號經過圖像采集" title="圖像采集">圖像采集端的視頻A/D轉化為CCIR656格式(8位27MHz)的數據流，再通過ADV611.A進行小波壓縮編碼。DSP.A從ADV611.A中讀出圖像數據并且在數據存儲器中緩存，根據通信設備的速率，DSP.A通過通信串行接口將壓縮編碼的圖像數據通過用戶的通信設備發送到圖像回放端。圖像回放端的DSP.B從串行接口接收到數據后，先在存儲器中緩存，然后依據ADV611.B的數據申請，將壓縮視頻數據發送給ADV611.B解壓。ADV611.B恢復出的圖像數據仍以CCIR656的標準格式發送給視頻D/A轉換為視頻模擬信號，最終由監視器回放出來。
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本脫機視頻編/解碼系統設計了在圖像回放遠端的用戶對圖像采集前端的遠程控制功能。在圖像回放端，用戶通過控制器將控制命令發送給單片機B，然后這些命令經過DSP.B和通信設備發送到圖像采集前端的DSP.A。DSP.A將控制命令分為兩類。第一類是圖像亮度、對比度、色飽和度的調節命令和攝像機焦距、云臺運動的調節命令，DSP.A通知單片機A，最后由單片機A控制視頻A/D芯片和攝像機完成命令。另一類命令是調節圖像幀速率和小波圖像處理效果的命令，DSP.A直接設置ADV611.A的相關寄存器實現命令。
2 DSP與視頻小波編/解碼芯片ADV611
在本系統的圖像采集端和圖像回放端中，ADV611都是作為TMS320C542的I/O端口設備連接在DSP芯片的地址數據總線上。通過這個接口，DSP既可以讀寫ADV611的內部控制寄存器" title="控制寄存器">控制寄存器，又可以向ADV611讀寫圖像壓縮數據。ADV611內部的控制寄存器包含三類。第一類用于設置ADV611的工作狀態，這些狀態包括圖像編碼狀態、圖像解碼狀態以及圖像處理制式等等。第二類寄存器能提供每幀圖像的統計信息，它們都是只讀寄存器，提供的統計信息包括亮度的最大值、最小值、總和以及每幀圖像的壓縮數據量等等。最后一類寄存器是數據編碼壓縮的控制寄存器，ADV611內部的FIFO用于控制圖像壓縮數據的讀寫操作，并能給出FIFO全空、部分滿和全滿信號。
包括圖像壓縮數據訪問申請、每幀統計數據準備好和數據流出錯在內的所有ADV611的處理申請信號，共用一個中斷請求發給DSP。圖2給出了以圖像采集端為例的DSP.A響應中斷后的處理流程。DSP.A首先讀取ADV611.A內部的中斷標志寄存器，進一步分析中斷產生原因，再加以處理。因為處理圖像壓縮數據的時間較長，為了防止在圖像數據處理期間ADV611.A新的處理申請被錯過，所以在讀取編碼數據并寫入存儲器之后，DSP.A又讀取了一次ADV611中斷標志寄存器。
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DSP.A在主程序中計算采集端ADV611.A圖像壓縮編碼效果的控制參數。ADV611通過控制寄存器提供給用戶三種控制圖像效果和數據流量手段。第一種是設置量化系數，即通過改變小波分解后各個不同頻帶數據的量化權重，達到數據壓縮目的。第二種壓縮手段是減幀，ADV611可以從50幀/秒減到2幀/秒。最后一種壓縮手段是品質框控制，ADV611能夠在720×288的一幀圖像中再設置一個顯示區，并將該區之外的圖像衰減，從而利用這種減小有效畫幅尺寸的方法壓縮數據。這個顯示區域大小的設定是通過調節ADV611內部品質框數據實現的。主程序中DSP.A將依據用戶的調節命令，計算修改ADV611.A中的控制寄存器參數。
3 DSP與單片機
系統對視頻A/D、D/A、攝像機和用戶控制器的控制管理都是慢速的。DSP作為高速的微處理器，不適合浪費大量的指令周期去處理這些慢速控制。而且TMS320C542也不具有靈活的控制I/O端口。所以本系統選擇了單片機來輔助TMS320C542完成低速控制。
TMS320C542提供了一個主控接口HPI[1]，通過該接口簡便地實現了DSP與單片機的數據通信。例如，在圖像回放端，當單片機B有了用戶控制命令時，它通過HPI將命令數據填入DSP.B的指定數據區，再發出HPI中斷申請來請求DSP.B處理。這個過程不會影響DSP.B正在執行的程序任務。而當圖像采集端的DSP.A有控制命令要傳給單片機A時，它先將命令代碼數據寫入DSP內部的指定數據區，然后通過HPI接口的某一輸出信號引發單片機A的中斷，申請單片機A去處理。在單片機A的中斷中，單片機A通過HPI讀取DSP指定數據區中的命令數據，而后執行相應的命令操作。
4 DSP與存儲器和通信接口
本系統的串行通信接口是利用TMS320C542的緩沖串口BSP[1]加上輔助的接口驅動電路實現的。DSP在設定發送緩沖區和接收緩沖區后，BSP可以自動發送和接收緩沖區中的數據，這樣就提高了DSP的處理效率。由于本系統要適應用戶所選擇的通信設備的傳輸速率，基于BSP的系統串行通信接口工作在被動方式。
為了保證圖像數據在傳輸中不會發生數據讀空和數據阻塞，系統采用了乒乓緩沖和環形緩沖技術。以圖像采集端的數據發送為例，圖像壓縮編碼數據的發送緩沖采用了圖3的結構。如圖3所示，兩個發送緩沖區1和2在選擇機制C和D控制下構成了乒乓緩沖結構。當機制D選擇了一個發送緩沖區，并通過BSP串行接口自動發送數據時，選擇機制C就準備另一個發送緩沖區中的數據。在設計中，發送緩沖區的寫入速度大于用戶最高通信速度，也就是說大于緩沖區的讀出速度，所以這個乒乓緩沖首先避免了通信接口中可能的數據發送讀空問題。
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幀圖像緩沖區1、2和3實際構成的是環形存儲結構，即在正常情況下選擇機制A將來自ADV611的壓縮圖像數據以一幀為單位，按照1-2-3-1循環的順序不斷填入緩沖區中。同樣，機制B按照1-2-3-1讀取緩沖區中的數據。原則上，幀圖像緩沖區中數據的讀取指針要落后寫入指針一個緩沖區，比如當一幀圖像數據經過機制B發送出去時，如果機制A正在寫入緩沖區3，則新一幀發送數據的讀取將從緩沖區2開始。該策略進一步保證了發送不會讀空。但是如果通信速率下降、讀取指針處于緩沖區2而數據寫入已經更新了緩沖區3和1兩幀圖像時，機制A將把新的一幀數據重新填入緩沖區1，而不是緩沖區2，從而避免數據阻塞沖突。第二次寫入同一緩沖區和第二次讀出同一緩沖區的事件分別標志著圖像壓縮數據流量大于通信速率和圖像壓縮數據流量小于通信速率，DSP將依據這個事實動態調節圖像壓縮比，平衡圖像壓縮數據流量和通信速率。
當然采用緩沖技術保證圖像數據傳輸的可靠性是以犧牲圖像的實時性為代價的。
5 系統中DSP的總體軟件結構
本脫機視頻編/解碼系統DSP控制程序的設計關鍵是如何高效地協調完成各類控制任務，避免由于任務進程安排不當而引起的圖像數據傳輸意外中斷。以圖像采集端為例，如圖4所示，DSP程序將BSP數據發送和數據接收控制以及ADV611的服務請求作為中斷處理，以提高這些任務的響應速度。特別地，為了避免通信串口的數據丟失，程序允許BSP發送中斷和接收中斷在ADV611的服務請求中斷中發生并立即響應。在程序的主循環部分中，DSP通過一系列的狀態判斷完成發送緩沖區數據寫入、接收緩沖區數據讀取、圖像壓縮編碼參數計算和對單片機的命令發送的任務。
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本文闡述的DSP設計方法，作為脫機視頻編/解碼系統的核心，在實際的應用中實現了實時系統的有效控制，保證了圖像數據的可靠傳輸，并完成了用戶的遠端調控功能。通過實測，本設計使DSP還具有很多空閑時間，而且清晰的軟件結構很容易添加進新的功能算法，例如動目標檢測報警和動目標跟蹤算法，從而進一步豐富該系統的功能。
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參考文獻
1 Texas Instruments.TMS320C54x DSP CPU and Peripherals Ref. Vol.1，Texas Instruments Inc.，1996
2 Texas Instruments. TMS320C54x DSP Application Guide?Ref. Vol.4，Texas Instruments Inc.，1996
3 蘇光大.微機圖像處理系統(上冊). 北京:清華大學出版社，1998