基于DSP的機載視頻圖像實時壓縮與處理系統

由于受到無線傳輸帶寬的限制， 無人機對地面目標偵察獲得的高分辨率視頻圖像必須經過有效壓縮才能實時傳輸給地面接收處理系統。現有的視頻壓縮標準有H.261、H. 262、H . 263 及MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 等。

　　其中MPEG-4 由于采用基于對象的壓縮編碼方法， 較之以往各標準的基于幀的壓縮編碼方法， 其時間和空間冗余更低， 在保持解碼質量的同時提高了壓縮率。MPEG-4 還具有更好的交互性能及更強的抗誤碼性能 , 較之以往的壓縮標準， 更適合無線信道的傳輸。

　　視頻壓縮算法比較復雜， 加之無人機有效載荷的重量和體積限制， 難以實現對機載視頻圖像的實時壓縮編碼，通常只能低分辨率圖像實時壓縮。本文基于TI 公司最新推出的媒體處理器TMS320DM642 設計并實現了機載圖像實時壓縮編碼與處理系統， 實現了對最高分辨率為D1分辨率機載視頻圖像的分辨率和壓縮比可調的MPEG-4實時壓縮處理及恒定碼流的輸出。

　　1 設計要求

　　整個壓縮處理系統完成對機載高分辨率攝像機輸出的PA L 制式模擬視頻信號進行實時采集、壓縮與傳輸。

　　為了便于地面接收處理系統實時地分析圖像， 須將無人機拍攝圖像的時間及空間位置等附加信息和壓縮圖像數據實時地打包。MPEG-4 為不等長壓縮編碼， 為便于無線傳輸， 需將MPEG-4 數據包流進行編幀， 形成256 KB/ s的恒定基帶碼流， 實時傳輸給無線信道子系統供調制發射。系統還需根據控制命令動態地改變圖像的分辨率及壓縮比。

　　2 系統硬件設計

　　2. 1 TMS320DM642 芯片的特點

　　DM642 屬于TMS320C64x 系列DSPs。Veloci T I 結構使C6000 DSPs 在視頻和圖像處理中得到廣泛應用。

　　CPU 的VLIW 結構由多個并行運行的執行單元組成， 這些單元在單個周期內可執行多種指令。并行是C6000 獲得高性能的關鍵。C64x 在C6000 的基礎上有一些重要的改進。除了有更高的時鐘頻率外， C64x 從以前的VelociTI 結構擴展到Veloci TI. 2 結構， 包含了許多新的指令，增加了額外的數據通道， 寄存器的數量也增加了一倍。這些擴展使得CPU 可以在一個時鐘周期內處理更多的數據， 從而獲得更高的運算性能。

　　DM642 芯片集成了各種片內外設， 使得開發視頻和圖像領域的應用更為方便。它帶有3 個可配置的視頻端口， 提供與視頻輸入、視頻輸出以及碼流輸入的無縫接口。

　　這些視頻端口支持許多格式的視頻輸入/ 輸出。利用DM642 開發視頻編碼器， 其視頻輸入部分只需要一塊視頻采集芯片即可， 如AD 公司的A DV7181, 無需外加邏輯控制電路和FIFO 緩存， 使硬件系統更為簡單和穩定。

　　DM642 集成的64 位的無縫外部存儲器接口（ EMIF） , 能夠實現與外部同步和異步存儲器或外設的無縫連接。

　　DM642 的其他外設包括： 10 Mbps/ 100 Mbps 的以太網口（ EMAC） 、多通道音頻串口（McASP） 、主機接口（ HPI） 、多通道緩沖串口（ McBSP） 以及PCI 接口等。

　　2. 2 系統硬件組成

　　機載圖像實時壓縮與處理系統以TMS320DM642 高性能通用DSP 芯片為核心， 由視頻輸入采集模塊、圖像壓縮處理模塊、外部存儲模塊及傳輸控制接口模塊組成。其硬件系統框圖如圖1 所示。

圖1 機載視頻圖像實時壓縮處理系統硬件框圖

　　圖像采集模塊對輸入模擬視頻信號進行同步捕獲、采集和視頻解碼。視頻解碼器輸出的數據格式為YUV4: 2:2。視頻解碼數據通過DMA 通道向DM642 VPORT 通道緩沖單元發送數據， 當采集完一幀數據時產生DMA 中斷。圖像壓縮處理模塊根據接收到的控制命令將視頻解碼數據進行實時壓縮數理后緩存到存儲模塊中。存儲模塊采用32 MB 64 位的SDRAM, 實現程序和數據的存儲。

　　傳輸控制接口模塊將緩存在SDRAM 中的待傳輸碼流以256 KB/ s 的恒定速率8 位并行傳輸至輸出端口， 并接收地面發送的控制命令。該模塊由FIFO 芯片和CPLD 組成， FIFO 半空時向DSP 發送中斷信號。