數(shù)字視頻編解碼芯片ADV611的原理與應(yīng)用

施俊強(qiáng) 黃盛璋 林杰清
廈門(mén)大學(xué)電子工程系通信教研室 (廈門(mén) 361005)
北京星河康帝思科技開(kāi)發(fā)有限公司 (北京 100015)

1 引言

人類(lèi)步入網(wǎng)絡(luò)時(shí)代以來(lái)，就一直期待著實(shí)時(shí)傳輸視頻圖像信號(hào)，而它所面臨的主要問(wèn)題是既要保證傳輸圖像質(zhì)量，又要盡可能少地占用有限的信道資源。由于視頻圖像信號(hào)的空間冗余度和時(shí)間冗余度很大，可以方便而有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，因此圖像壓縮技術(shù)已成為多媒體時(shí)代熱門(mén)的技術(shù)之一，它已廣泛地應(yīng)用在電視會(huì)議、可視電話、遠(yuǎn)程監(jiān)控等遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)中。

隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，專(zhuān)用的圖像壓縮/解壓縮ASIC芯片不斷出現(xiàn)。以前，圖像壓縮技術(shù)主要是基于DCT分塊變換編碼，這種方法的弊病是無(wú)法得到高壓縮率，如果提高了壓縮率，圖像質(zhì)量就會(huì)大大降低。小波變換是80年代中期興起的一種圖像壓縮新技術(shù)，是對(duì)整幅圖像進(jìn)行變換，充分利用了圖像整體相關(guān)性并消除了DCT編碼帶來(lái)的方塊效應(yīng)。小波級(jí)數(shù)可以在不同分辨率下逼近某一函數(shù)，實(shí)現(xiàn)多分辨率分解，獲得很高的壓縮比，已被廣泛應(yīng)用在視頻圖像壓縮領(lǐng)域。ANALOG公司推出基于小波變換的實(shí)時(shí)視頻壓縮解壓縮芯片ADV6××系列，其芯片是ADV611/612，其中，ADV611主要應(yīng)用于室溫下，而ADV612適用于工業(yè)領(lǐng)域，但它們的工作原理是一致的。本文就ADV611的原理和應(yīng)用等問(wèn)題進(jìn)行闡述。2 ADV611簡(jiǎn)介

2.1 工作原理

ADV611是AD公司推出的新一代基于小波理論的視頻壓縮解壓縮芯片，是一種低價(jià)、單片、多功能、全數(shù)字的CMOS-VLSI器件。ADV611支持對(duì)CCIR-611數(shù)字視頻進(jìn)行高畫(huà)質(zhì)實(shí)時(shí)壓縮解壓縮，壓縮倍數(shù)從視覺(jué)無(wú)失真感到7500倍，并能獲得比較好的主觀評(píng)價(jià)效果。壓縮的數(shù)據(jù)率是由輸入的數(shù)據(jù)率和被選擇的壓縮率決定的，靠與之相連接的片外DSP或主機(jī)根據(jù)當(dāng)前場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特性計(jì)算量化步長(zhǎng)值。ADV611能獲得近乎穩(wěn)定的壓縮比特率，片內(nèi)集成了數(shù)字視頻接口、主機(jī)接口和在片SRAM等，主要應(yīng)用于閉路電視等。

ADV611的基本工作原理：編碼時(shí)從它的數(shù)字視頻接口接收未壓縮的數(shù)字視頻信號(hào)，經(jīng)小波變換和幀抽取、系數(shù)量化、游程編碼和Huffman編碼，產(chǎn)生壓縮后的數(shù)據(jù)流，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)置值時(shí)，ADV611就發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，從它與主處理器的接口輸出壓縮數(shù)據(jù)比特流。當(dāng)解壓縮時(shí)，壓縮數(shù)據(jù)從主處理器接口送入到FIFO里，然后經(jīng)過(guò)與編碼時(shí)的逆過(guò)程，數(shù)字視頻接口輸出標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻分量。

ADV611共有84個(gè)數(shù)據(jù)寄存器和一系列的狀態(tài)、控制字寄存器。其中，數(shù)據(jù)寄存器是片內(nèi)FIFO的映射 ，用于存儲(chǔ)經(jīng)小波變換后的圖像壓縮數(shù)據(jù)（編碼和解碼過(guò)程各需要42個(gè)），以供自適應(yīng)量化和熵編碼進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)壓縮，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻信號(hào)壓縮。狀態(tài)和控制字寄存器是間接寄存器，ADV611對(duì)它們進(jìn)行統(tǒng)一編址，通過(guò)主機(jī)接口訪問(wèn)片內(nèi)四個(gè)32位直接寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。2.2 功能方框圖

ADV611為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的壓縮功能，引出了120個(gè)引腳，采用LQFP封裝。圖1是其內(nèi)部功能方框圖。

如圖1所示，整個(gè)芯片由8個(gè)功能模塊組成，其中3個(gè)是接口模塊，另5個(gè)是數(shù)字信號(hào)處理模塊。接口模塊包括數(shù)字視頻輸入I/O接口（Digital Video I/O Port）、主機(jī) I/O接口(Host I/O Port)和外部DRAM存儲(chǔ)管理器（External DRAM Manager）；5個(gè)數(shù)字信號(hào)處理模塊是小波核（Wavelet Kernel）、片內(nèi)變換緩沖器（On-Chip Transform Buffer）、可編程量化器（Programmable Quantizer）、游程編碼器（Run Length Coder）和Huffman編碼器（Huffman Coder）。

3 ADV611編解碼方案的實(shí)現(xiàn)

作為一種通用的VLSI芯片，ADV611在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到兼容性和使用的方便性。支持PHILIPS公司生產(chǎn)的SAA系列視頻芯片、BROOKTREE公司的BT系列以及Raytheon等公司的視頻芯片。ADV611既可以與微型機(jī)直接連接，也可以工作在脫機(jī)條件下。ADV611的一個(gè)典型應(yīng)用如圖2所示。

3.1 在微機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

ADV611的許多優(yōu)越性能能夠在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，只要附加一片SAA7111就可實(shí)現(xiàn)復(fù)合視頻信號(hào)的數(shù)字化、壓縮和存儲(chǔ)。ADV611與主機(jī)的接口有：32位數(shù)據(jù)總線（D0～D31）、兩位地址線（ADR0、ADR1）、片選信號(hào)/CS（通過(guò)譯碼器實(shí)現(xiàn)）、讀寫(xiě)信號(hào)（/RD、/WR）以及具體主機(jī)跟ADV611之間的握手信號(hào)。

3.2 在脫機(jī)狀態(tài)下的應(yīng)用

視頻圖像編解碼除了可以通過(guò)微機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)外，還可以運(yùn)用以DSP為主的微處理器控制對(duì)圖像的壓縮解壓縮。ADV611本身已集成了圖像編解碼的算法，利用高速DSP對(duì)圖像壓縮的效果進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，控制數(shù)據(jù)速率和圖像數(shù)據(jù)的傳輸，可以方便地設(shè)計(jì)一種脫機(jī)圖像系統(tǒng)，如圖4所示。通過(guò)主機(jī)接口DSP對(duì)ADV611進(jìn)行控制和BW量值計(jì)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

如上所述，ADV611要實(shí)現(xiàn)7500：1的視頻壓縮比，其理論依據(jù)是小波變換。為了獲得的壓縮效率 ，就必須要充分掌握小波濾波器的結(jié)構(gòu)和性能。此外，ADV611具有ADV601所沒(méi)有的功能——區(qū)域高清晰度框的控制，可以對(duì)傳輸圖像進(jìn)行重點(diǎn)截取，進(jìn)一步提高壓縮率。在通常閉路電視或監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用中，往往并不要求視頻圖像的連續(xù)顯示，因此可以對(duì)幀速率進(jìn)行壓縮，如可把幀速率降到一秒一場(chǎng)，這在大多數(shù)場(chǎng)合是允許的。下面以A/D變換后速率為167Mbit/s的NTSC數(shù)字視頻信號(hào)為例，說(shuō)明進(jìn)行ADV611硬件壓縮到速率為25kbit/s的壓縮方法： ·圖像的小波變換、自適應(yīng)量化和Huffman編碼壓縮到250：1 ·幀速率壓縮到1 frame/s

·區(qū)域高清晰度框的尺寸小于整幅圖像的1%

·背景對(duì)比度衰減18dB