車載圖像采集設備的壓縮系統設計

引言
目前公安、交通、銀行、緊急救護等行業的車輛很多已經開通了GSP定位服務。車載的GPS系統除了傳送所處位置的坐標信息之外，車輛所處環境的圖像信息，例如運鈔車的周邊圖像、救護傷員的現場圖像、公安巡邏的情況等都需要通過無線信道傳回指控中心。隨著ITS事業的發展，各個路口的交通流監控圖像也需要向交通指揮中心回傳。但是眾所周知，圖像信息具有極為龐大的數據，而移動車輛回傳主要依賴的無線信道，帶寬又特別有限，因此必須對圖像進行大比例壓縮。

車載系統無線傳輸的特點
一般地，GPS定位應用系統通常由若干個車載設備與后方中心的管理控制設備組成，車輛所采集的位置、車況及環境等信息通過無線信道傳送回管理中心。通?？晒孟到y使用的無線傳輸手段有：
專用通信網，包括HF、VHF、
以及微波接力等通信方式；
900MHz或1800MHz的GSM
移動公用通信網；
GPRS通信；
衛星通信；
450MHz或800MHz的集群
通信系統；
這些無線傳輸手段所能提供的通信帶寬大小不一，小的只有3KHz左右，大的可達幾十兆，變動范圍很大。對于普通的車輛來說，現有的應用系統主要是基于GSM網或集群雙工網，它們所能提供的帶寬在數十KHz的量級。

車載圖像采集壓縮系統設計
壓縮系統的要求
針對上述特點，車載圖像采集設備壓縮系統應具有以下特點：
(1) 大比例壓縮：以一個數字化的NTSC電視圖像為例，其數據量約為167Mbps，要將其壓縮200~6000倍左右才能適應傳輸帶寬的情況。
(2) 多比率壓縮：由于無線信道的時變性，一種系統所能提供的有效帶寬可能會發生變化，并且在某些情況下，必須進行傳輸手段切換，由一種無線傳輸方式轉化成另一種無線傳輸方式，相應的可供利用的信道帶寬也會變化。采用多比例的壓縮方式可以靈活地適應信道帶寬的這種變化。
(3) 嵌入式碼流結構：這種碼流結構一方面可以便于管理中心的解碼單元進行順序解碼，先輪廓后細節地重建圖像，以最快的速度從重建圖像中提取出所需的信息；另一方面，可以基于此實現多種壓縮比率。
由于小波圖像壓縮方法具有高壓縮比、重建圖像質量高、多分辨率、嵌入式碼流等特點，因此我們運用小波方法壓縮車載設備采集的圖像。目前有一些應用系統采用計算機來完成車載設備所采集圖像的壓縮處理，體積龐大，性價比低，不引言
目前公安、交通、銀行、緊急救護等行業的車輛很多已經開通了GSP定位服務。車載的GPS系統除了傳送所處位置的坐標信息之外，車輛所處環境的圖像信息，例如運鈔車的周邊圖像、救護傷員的現場圖像、公安巡邏的情況等都需要通過無線信道傳回指控中心。隨著ITS事業的發展，各個路口的交通流監控圖像也需要向交通指揮中心回傳。但是眾所周知，圖像信息具有極為龐大的數據，而移動車輛回傳主要依賴的無線信道，帶寬又特別有限，因此必須對圖像進行大比例壓縮。

車載系統無線傳輸的特點
一般地，GPS定位應用系統通常由若干個車載設備與后方中心的管理控制設備組成，車輛所采集的位置、車況及環境等信息通過無線信道傳送回管理中心。通?？晒孟到y使用的無線傳輸手段有：
專用通信網，包括HF、VHF、
以及微波接力等通信方式；
900MHz或1800MHz的GSM
移動公用通信網；
GPRS通信；
衛星通信；
450MHz或800MHz的集群
通信系統；
這些無線傳輸手段所能提供的通信帶寬大小不一，小的只有3KHz左右，大的可達幾十兆，變動范圍很大。對于普通的車輛來說，現有的應用系統主要是基于GSM網或集群雙工網，它們所能提供的帶寬在數十KHz的量級。

車載圖像采集壓縮系統設計
壓縮系統的要求
針對上述特點，車載圖像采集設備壓縮系統應具有以下特點：
(1) 大比例壓縮：以一個數字化的NTSC電視圖像為例，其數據量約為167Mbps，要將其壓縮200~6000倍左右才能適應傳輸帶寬的情況。
(2) 多比率壓縮：由于無線信道的時變性，一種系統所能提供的有效帶寬可能會發生變化，并且在某些情況下，必須進行傳輸手段切換，由一種無線傳輸方式轉化成另一種無線傳輸方式，相應的可供利用的信道帶寬也會變化。采用多比例的壓縮方式可以靈活地適應信道帶寬的這種變化。
(3) 嵌入式碼流結構：這種碼流結構一方面可以便于管理中心的解碼單元進行順序解碼，先輪廓后細節地重建圖像，以最快的速度從重建圖像中提取出所需的信息；另一方面，可以基于此實現多種壓縮比率。
由于小波圖像壓縮方法具有高壓縮比、重建圖像質量高、多分辨率、嵌入式碼流等特點，因此我們運用小波方法壓縮車載設備采集的圖像。目前有一些應用系統采用計算機來完成車載設備所采集圖像的壓縮處理，體積龐大，性價比低，不適合車輛安裝和應用。基于專用的ASIC小波圖像壓縮芯片進行嵌入式系統設計，從而實現圖像壓縮功能則是一種發展方向。
專用小波圖像壓縮芯片ADV611
ADV611是一種低價、單片、多功能、全數字的CMOS—VLSI器件。ADV611支持對CCIR601數字視頻進行高質量實時壓縮解壓縮，壓縮倍數從視覺無失真感的4：1直至7500：1倍，并能獲得比較好的主觀視覺效果。壓縮的數據率是由輸入的數據率和被選擇的壓縮率決定的，靠與之相連接的片外DSP或主機根據當前場統計特性計算量化步長值，ADV611能獲得近乎穩定的壓縮比特率，片內集成了數字視頻接口，主機接口和在片SRAM等，主要用于有線／無線遠程監控等。
ADV611的基本工作原理：編碼時從它的數字視頻接口接收未壓縮的數字視頻信號，經小波變換和幀抽取、系數量化、游程編碼和Huffman編碼，產生壓縮后的數據流，送入集成于片內的512×32位大小的FIFO緩沖區，一旦FIFO的數據量達到主機在寄存器里的預置值時，ADV611就發出中斷請求信號，從它與主處理器的接口輸出壓縮數據比特流。當解壓縮時，壓縮數據從主處理器接口送入到FIFO里，然后經過與編碼時的逆過程，數字視頻接口輸出標準的數字視頻分量。
車載圖像壓縮系統的結構框圖如圖2。

圖1 ADV611功能方框圖

圖2　 圖像壓縮系統框圖

圖像壓縮系統的設計說明
A/D的功能是將模擬攝像機獲取的原始圖像進行模數變換，然后將其轉化成CCIR656的數字分量視頻信號方式，送入圖像壓縮核進行壓縮處理。本系統中，A/D芯片采用飛利浦公司生產的SAA7111芯片來完成此功能。SAAA7111用8比特/分量的量化精度來表示采樣信號，YCrCb的采樣比率為4:2:2。
ADV611將數字格式的視頻圖像進行壓縮，其壓縮結果經FIFO接口送給DSP，其壓縮比和量化因子由DSP控制，參數初始化由DSP完成。
DSP采用ADSP~2185芯片，其數據口線的D8~D23位與ADV611的DATA線相連，由于DATA口線共有32位，所以其高16位[31~16]與低16位[15:0]通過復用口線的方式與DSP相連。PF4與BE0-BE1，PF5與BE2-BE3相連，作為DSP和ADV611之間傳輸字或字節的選擇口線。FL[1~0]與ADR[1~0]相連，作為間接地址口線。
DSP在圖像壓縮系統中所起的主要作用有：(1)計算ADV611芯片進行量化所需的量化因子，其結果反饋給ADV611進行自適應量化；(2)計算小波圖像分解最小亮度塊的像素平方和，判斷當前場景的變化情況，以指導ADV611進行有效的硬件減幀顯示。
ADV611具有硬件減幀功能，由模式控制器2的[8:4]位來設置完成，共有32個設置值。此狀態為全零則不丟棄，為1則丟棄1/2場，為2則丟棄2/3場，以此類推，最多可達丟棄32場中的31場，即只傳送1場。在某些視頻監控的場合，在相當長的時間內，圖像可能都沒有什么動態的變化，或者變化極小，這樣就可以結合采集圖像場景變化情況的判斷，對圖像的顯示進行調整，在圖像變化不是很頻繁的場合，啟用ADV611的硬件減幀功能提高圖像序列壓縮比。
本系統利用小波5級分解所產生的最小亮度塊值進行場景變化情況的判斷，這種最小亮度塊的尺寸很?。簩τ?40×240大小的NTSC制式圖像，其最小亮度塊的尺寸為20×15；對于768×288大小的PAL制式圖像，其最小亮度塊的尺寸為24×18。通過比較兩個亮度塊值的相對變化是否超過一個固定門限T，就可以檢測出前后兩場的圖像發生動態變化與否。由于是基于圖像的最小分解塊進行比較，因此其計算復雜度小，執行時間短。

車載系統的構成和工作過程
車載系統的構成如圖3所示。采用專用的無線調制解調器來完成信道編碼與調制功能，圖像壓縮系統與MODEM的連接是通過ADSP2185的串行口進行通信的，信道機的類型可以是UP450集群系統、GSM手機或者超短波電臺。
要傳輸所采集的圖像信息時，車輛通信設備首先建立起與管理中心的無線通信線路；原始圖像通過系統的攝像設備獲取，然后進入圖像壓縮系統進行壓縮處理：首先經過SAA7111芯片完成視頻格式的解碼操作，將復合視頻信號轉化為CCIR656格式的數字分量視頻信號，由ADV611進行圖像的小波變換、抽取、濾波、量化和熵編碼，產生的壓縮數據結果進入內部的FIFO緩沖區暫存；當FIFO數據量達到DSP對FIFO空間的預置值時，ADV611通過管腳向DSP發出中斷請求，DSP響應中斷后從FIFO中讀取壓縮數據流，并通過其串口送入通信系統中的調制終端，經過信道編碼和放大后，送入信道機發射。

結語
基于ADV611的車載圖像采集設備能將圖像壓縮比在4:1到7500:1的比率之間進行調整，對于一個167Mbps的NTSC圖像來講，相當于傳輸率從44MBps到22KBps。這樣一來所能適應的無線傳輸手段就相當多，其圖像壓縮系統的具體壓縮比變動范圍可以根據系統需求而靈活配置。

參考文獻
1 馬大瑋，鳳光華．基于MCU和SCA的多工數據廣播系統，2001年國際嵌入式系統學術會議文集.
2 Closed Circuit TV Digital Video Codec ADV611/ADV612, Analog Devices Company, 1999.

基金項目：本文得到重慶市應用基礎項目2002*7257資助