智能大厦视频图像数字压缩系统设计

摘要：提出了改进的视频图像小波压缩算法，设计了基于高速数字处理芯片DSP-C6201的硬件平台，并在此平台上对改进的小波压缩算法进行编程，实现了智能大厦监控系统不等清晰度视频图像压缩。系统的成功应用证明该系统硬件的高可靠性和软件压缩算法的有效性。 关键词：智能大厦 监控系统 视频图像 小波压缩 DSP 智能大厦是现代建筑与高新信息技术相结合的产物。1984年，美国康奈涅格州哈特福德市建成了世界首座智能大厦，次年日本东京的一座智能大厦相继建成，从而智能大厦引起了世界各国的关注。当前，我国兴建智能大量的热潮方兴未艾，其中图像信号处理器的设计至关重要。传统的以模拟电子技术为核心的监控系统，由于摄像头传出的图像信息量大，直接对图像进行记录需要过多的录像带，很难实现计算机联网传输、信息共享的需求。采用相关编码技术对图像进行压缩，在系统中实现实时存储和传输是现代智能大厦的迫切要求。但是，图像压缩所采用的方法一般比较复杂，运算工作量大，单凭软件实现图像压缩难以满足实时的要求，一般要借助硬件来提高运算速度以满足图像实时压缩。正是在这种情况下，本文提出了改进的视频图像小波压缩算法，设计了基于高速数字处理芯片DSP-C6201的硬件平台，并在此平台上改进的小波压缩算法进行编程，实现了智能大厦监控系统不等清晰度视频图像压缩。 1 图像压缩技术[6] 近年来涌现的诸多图像压缩算法中，最具有途的是基于块分类的分形编码和基于小波变换的零树编码。分形压缩的理论依据是Barnsley等人提出的迭代函数系统（IFS）理论和拼贴定理。它实质上是把数量最少且匹配最好的多个压缩仿射变换找出来，取出其参数，如果其参数复杂性低于原图像，便实现了压缩。另一个引人注目的压缩算法是基于小波变换的零树编码。图像经过小波变换后生成的系数数据总量与原图像的数据量相等，即小波变换本身并不是有压缩功能，之所以将它用于图像压缩，是因为生成的小波系数具有能量集中性、重要系数的群集性、各分量系数之间的相似性和分量系数幅度的衰减性等适合分类压缩的特性。基于上波变换的零树编码方案充分有效地利用了小波的频率分布特点，不会像分形那样产生明显的方块效应，而且易于软硬件实现，适合多类图像的压缩。这一类算法的典型代表是Shapiro提出的嵌入式零树编码（EZW）。但是，Shapiro方案一个明显的缺点是将不同级别的系数在判断重要系数时给予同等的考虑。本文在Shapiro方案的基础上提出了基于PSWTC（priority set wavelet tree coding）的改进的小波压缩方案克服了这一缺点，解决了不同大小不同级别的小波系数重要性判断的方法问题。PSWTC结果的PS系数分布有明显的规律性，级别高的个数少，级别低的个数多，呈金字塔分布，说明PSWTC很好地实现了零树编码方案的基本原则。与EZW相比较，PSWTC的计算复杂性要小，占用的存储空间小，耗费的时间短，容易实现快速压缩，克服了传统小波图像编码中存在的费时费力的缺点[4][5]。PSWTC算法的具体步骤是： （1）低频系数暂不理会，置所有最高级节点为待分系数，构成待分系数集。 （2）设置门限，设初始阈值为T=Tmax=2%26;#215;exp{「log2Max「|X|」」},“「」”表示取整操作符，X是除低频系数外的全部小波系数。 （3）根据门根比较判断待分系数的重要性输出Sn,n=1。重要则输出1，不重要则输出0。系数重要性由其小波对集合的重要性决定。 （4）按之字形顺序把所有重要系数加入优先集（priority，简称PS）Xi,i=1，把它们从待移系数的中删除，并按之字形顺序填入它们的子女。 （5）阈值减办，T=T/2，跳到第3步，逐次形成优先集Xi,i=2、3…，直到阈值达到一个预定的最小门限值或待分系数没有节点存在为止。 在此基础上给出了按小波变换→系数分类→熵编码顺序的图像压缩方法。 2 硬件设计 模拟视频信号经高速A/D采样后转换成数字视频信号。数字视频信号由奇数场信号和偶数场信号两路信号组成，奇数场信号和偶数场信号按照上述改进的小波压缩方案进行图像压缩。采用TI公司的含多处理单元的C6201定点处理器，该处理器可采用50MHz或100MHz的工作频率，经内部倍频后升至200MHz，每秒可完成1.6G次操作。其内部含有具备超长指令字处理能力的CPU和8个功能单元，故而它可在个时钟周期内执行8条指令，芯片运算能力显著提高，再加之其良好的外部RAM接口和16bit的主机接口以及四通道的DMA功能，就使其成为高速运算的首选芯片[2][3]，该系统的硬件结构[1]如图1所示。本系统拟采用三片C6201，一片负责奇场图像的压缩和存储，一片负责偶场图像的压缩和存储，一片主C6201负责一帧压缩图像的存储、判断和通讯，其工作原理如下： （1）待处理视频信号首先送入A/D处理模块。A/D模块由视频同步分离电路、直流恢复电路、锁相环时钟电路和高速视频模拟/数字转换器组成。待处理视频信号经同步分离电路，分离出行场同步信号和奇偶场信号，将行场同步和奇偶现场信号送给CPLD作为时间基准信号。同时，待处理视频图像信号经直流恢复电路恢复它的直流分量，再经模数转换成数字信号。 （2）转换后的数字信号先由双口存储器缓存。CPLD通过逻辑综合，为双口RAM（DPRAM）产生写入地址和读写控制信号，使得A/D变换的数据按照要求存入以口RAM中。再由2片C6x(Odd-C6x和Even-C6x)分别读取，奇场信号由Odd-C6x读取、偶场信号由Even-C6x读取。双口RAM采用16行缓存，2片C6x（Odd-C6x和Even-C6x）每隔16行读取一次。当双口RAM存完16行后，CPLD给Odd-C6x或Even-C6x发出中断信号，则Odd-C6x或Even-C6x读取已存的16行数据。 （3）当Odd-C6x或Even-C6x处理器收到CPLD发出的中断信号后，立即响应外部中断并给CPLD一个中断响应信号，CPLD通过逻辑运算将Odd-C6x或Even-C6x与DPRAM间的缓存器接通，由Odd-C6x或Even-C6x内部的DMA控制器以DMA方式将相应DPRAM内数据读入Odd-C6x或Enen-C6x并对图像数据进行压缩，将压缩后的结果存入SBSRAM，并将一些压缩参数传送给Main-C6x以便进一步分析与片。整个系统的硬件结构如图2所示。 该硬件系统可以对高分辨率768%26;#215;576的视频图像进行实时采集压缩，压缩卡最高数据处理速度是200Mbps。若多个摄像头同时进行数据采集压缩，可采用多路压缩单机并行阵列式结构。在图像压缩前，还可根据用户的要求，对目标进行粗检测识别，只对感兴趣区域进行压缩，或进行不等压缩比的压缩，不仅可提高压缩比，还能尽可能多地保留感兴趣区域的图像细节。 用TMS320C6201作为高速信号处理器，采用高效的小波算法对采集到的视频信号进行数字化压缩，取得了很好的效果。实验结果表明，它的压缩效果较之EZW算法有明显的改进，恢复图像的PSNR提高0.22～1.01dB，最大灰度误差平均小了2个灰阶，恢复结果更清楚，失真也更小，而且在大压缩比的情况下明显优于SPIHT（SPIHT压缩方法是EZW的改进，在压缩速度和图像恢复质量方面均有所提高，是至今为止恢复图像峰值信噪比最高的算法之一）。由此研制成的数字监控系统已成功用于某智能大厦。此数字监控系统具有操作简单、报警及时、回放快速、图像清晰、压缩比高等优点。同时系统具有独立性强、高度保密、压缩比高等优点。同时系统具有独立性强、高度保密、多路同时捕获、预览时每路均能达到25fps/s的高速度等特性。它提供全天的时间设置，60G的标准硬盘可存储一周的数据。该系统的研制成功为监控系统的数字化打下了坚实的基础。