基于小波變換與DSP的實時音頻視頻處理系統

目前，以遠程監(jiān)控、視頻會議、可視電話及移動多媒體通信系統為代表的低比特率通信系統在實際中得到了重要應用。面對龐大的音/視頻數據量，作為語音及圖像處理的壓縮技術便在多媒體通信中顯得極為重要。隨著多媒體通信技術和超大規(guī)模集成電路（vlsi）技術的飛速發(fā)展，這一技術將會在眾多領域得到更為廣泛的應用。

1 音/視頻實時處理系統

低碼率視頻通信的主要技術問題是音/視頻壓縮編碼技術，即用來實現在滿足足夠質量和硬件成本的條件下降低所需的碼率。小波變換充分利用人眼的視覺特性，克服了重構圖像會出現的塊效應、蚊子效應、模糊等現象。由于小波變換技術能充分地利用人眼的視覺特性，因此因而用小波變換視頻編碼將會獲得比現在標準得多的壓縮效果。本文介紹一種基于adv611，ct8021芯片同時結合ti公司的tms320c6201芯片實現音/視頻實時處理系統。在該實時系統中，dsp芯片作為控制核心、一方面要管理adv611，ct8021，存儲器和通信接口，另一方面要對adv611的圖像壓縮效果進行調解，對數據速率實時控制。系統實現方案原理圖如圖1所示。

1.1 系統硬件結構

系統主要功能是實現遠程場景音視頻的采集、數字化、音/視頻的壓縮和解壓、攝像系統云臺方位以及攝像頭的控制、自動開機和關機等功能。其中音視頻數據的打包、解包、攝像系統云臺方位以及攝像鏡頭的控制等功能dsp芯片tms320c6201來完成。遠程場景及音頻壓縮信息通過入網設備在internet上實現遠程實時傳輸。如圖2中，原始制式pal（720×288，50幀/s）的視頻信號經過圖像采集端的視頻a/d轉換成ccir656（8位27mhz）的數據流，再通過adv611進行小波壓縮編碼。同時，原始的音頻信號也經過音頻采集端的a/d轉換為pcm信號，再通過ct8021完成g.723.1壓縮編碼。經過壓縮的音/視頻數據都送入tms320c6201中，并由tms320c6201參照mpeg－2協議完成音/視頻數據的打包；經過打包的數據由tms320c6201送出，這里使用異步通信器件tl16c550b連接tms320c6201和入網設備，這樣做可以簡化dsp的軟件實現提高系統的可靠性和可擴展性。最后打包的音/視頻數據由入網設備發(fā)送到internet上，接收端功能框圖如圖3所示。從遠端接收到壓縮數據后，經過tl16c550b送到dsp中，先在存儲器中緩存，然后根據mpeg－2協議進行解包，分解成獨立的音/視頻數據；然后依據adv611和ct8021的數據申請，將壓縮視頻數據發(fā)送給adv611解壓，將壓縮音頻數據發(fā)送給ct88021解壓。adv611恢復出的圖像數據仍以ccir656的標志格式發(fā)送給視頻d/a轉換為視頻模擬信號，最終由顯示器回放出來，ct8021恢復出的語音數據仍以pcm標準格式發(fā)送給音頻d/a轉換為音頻模擬信號，由揚聲器回放出來。

1.1.1 音頻處理模塊

該模塊的核心芯片ct8021是采用美國dsp group公司生產的全雙工的語音壓縮解壓縮芯片。他可為基于h.320協議的多媒體系統。該芯片實現了itu－tg，723.1所規(guī)定的5.3kb/s和6.3kb/s兩種比特率語音。這兩種比特率是h.263建議所規(guī)定的國際標準語音速率，適用于線路帶寬較小的多媒體通信。該芯片處理速度快，可實現語音的實時處理，其內部結構如圖4所示。

1.1.2 視頻處理模塊

在該設計中，用小波變換進行圖像壓縮是采用硬件實現的，使用了ad公司生產的adv611單片、多功能、全數字的cmos超大規(guī)模集成電路。小波壓縮核采用雙正交（7，9）小波變換。其內部結構如圖5所示。他支持對ccir－656國際數字視頻標準進行高畫質的無損或有損視頻壓縮和解壓縮并支持實施隔行掃描的視頻數據。編碼時，數字視頻從數字視頻接口輸入，經幀抽取和小波變換，送入量化器進行量化。量化后的數據送入熵編碼器，進行游程編碼和霍夫曼編碼，產生最后的壓縮數據流，送入集成于片內的512×32位大小的fifo緩存。當片內的fifo的數據量達到主機的預設值時，adv611發(fā)出中斷，通知主機取走數據。解碼過程與之相反，壓縮數據由主機送入fifo，解碼后產生ccir－656格式的數據視頻數據，從數字視頻接口輸出。

adv611與其前期產品adv601，adv601lc相比，他不僅有更寬的溫度范圍（－25～＋85℃），而且采用硬件減幀技術，可獲得更高的壓縮比（最大可達7 500：1）并且增加一種稱為特性盒控制的功能。該功能允許一幀中某一矩形區(qū)域相對于其他區(qū)域有較低的壓縮比或完全不進行壓縮。對這個主芯片的控制采用ti公司的高速定點dsp芯片tms320c6201。他的內部工作頻率為200mhz，cpu有8個并行的功能單元，每個時鐘周期內可以并行執(zhí)行8條指令，所以用c語言編程時也能完全滿足對adv611控制速度的要求。

視頻解碼兼模/數轉換芯片采用philips公司的視頻芯片saa7111，他可接收復合電視信號及s端子信號輸入，輸出支持yuv422/411，ccir656及rgb565等視頻格式，這里使用yuv422；視頻圖像恢復采用averlagic公司的視頻芯片al250，他支持yuv422與rgb565隔行輸入視頻格式，輸出則為計算機顯示器crt接收的rgb（vga）逐行視頻格式，可方便地利用計算機觀察視頻。這2個芯片都含有控制寄存器，可通過i2c總線控制。

將adv611接收來自saa7111的數字視頻信號進行壓縮，dsp將通過訪問adv611獲得壓縮數據；將adv611設置為解壓縮模式時，dsp將壓縮數據發(fā)給adv611進行解壓縮處理，而saa7111僅為adv611提供時鐘信號。

此外，為提高系統的集成度和靈活性。系統使用了一片altera公司的cpld－epm7128，他將i2c電路、dsp啟動電路、地址譯碼電路、對時鐘信號vclk的二分頻電路、讀寫信號產生電路及編碼解碼切換電路等做在內部。電源芯片為ti公司的tps73hd301，他接收5v電壓，輸出3.3v和2.5v電壓，并提供系統復位脈沖。

1.1.3 i2c總線特殊設計

dsp的擴展能力不強沒有多余的i/o口。無法實現類似單片機的i/o口集電極開路允許總線路“線與”。這時可用三態(tài)門的控制單元（使用d觸發(fā)器），在需要釋放的總線時關閉三態(tài)門即可。

1.1.4 音視頻的復用

本系統復用器的設計是在mpeg－2音/視頻國際標準的第一部分iso/iec13818－1系統層語法規(guī)范的基礎上，采用tms320c6201信號處理器來實現。其中為實現一套節(jié)目音頻/視頻的解碼同步，在碼流中需要插入各種時間標記，系統控制等信息。最后送到網絡適配器得到與傳輸信道相匹配的標準輸出碼流后，送往信道，復用器還提供整個編碼系統的系統時鐘。

2. 系統軟件設計

dsp在主程序中計算采集端adv611圖像壓縮編碼的控制參數。adv611通過控制寄存器提供給用戶3種控制圖像效果和數據流量手段。首先是設置量化系數，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的目的，其次是減幀，adv611可以從50幀/s減到2幀/s。最后是特性盒控制，adv611能夠在722×288的一幀圖像中再設置一個顯示區(qū)，并將該區(qū)之外的圖像衰減，從而利用這種減小有效畫幅尺度的方法壓縮數據。這個顯示區(qū)域大小的設備是通過調節(jié)adv611內部品質框數據實現的。主程序中dsp將依據用戶調節(jié)命令，計算修改adv611中的控制寄存器參數。

本系統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數據傳輸意外中斷，以壓縮端為例，如圖6所示，dsp程序將bsp數據發(fā)送和數據接收控制以及adv611，ct8021的服務請求作為中斷處理，以提高這些任務的響應速度。為了避免通信串口的數據丟失，程序允許bsp發(fā)送中斷和接收終端在adv611和ct8021的服務請求中斷發(fā)生并立即響應。在程序的主循環(huán)部分中，dsp通過一系列的狀態(tài)判斷完成發(fā)送緩沖區(qū)數據寫入、接收緩沖區(qū)數據讀取、圖像壓縮編碼參數計算等任務。

3 結語

本系統選用了先進的小波變換芯片adv611，ct8021和dsp tms320c6201芯片實現實時音頻視頻處理系統。有效地控制保證了音頻視頻的可靠傳輸。通過測試本系統dsp還有很多空閑時間，而且清晰的軟件結果很容易添加進新的功能算法。從而進一步豐富該系統的功能。