數(shù)字視頻編解碼芯片ADV611的原理與應用

關鍵詞： ADV611 , 編解碼 , 數(shù)字視頻

1 引言

人類步入網(wǎng)絡時代以來，就一直期待著實時傳輸視頻圖像信號，而它所面臨的主要問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。由于視頻圖像信號的空間冗余度和時間冗余度很大，可以方便而有效地進行數(shù)據(jù)壓縮，因此圖像壓縮技術已成為多媒體時代最熱門的技術之一，它已廣泛地應用在電視會議、可視電話、遠程監(jiān)控等遠程圖像傳輸系統(tǒng)中。

隨著微處理技術的發(fā)展，專用的圖像壓縮/解壓縮ASIC芯片不斷出現(xiàn)。以前，圖像壓縮技術主要是基于DCT分塊變換編碼，這種方法的弊病是無法得到高壓縮率，如果提高了壓縮率，圖像質(zhì)量就會大大降低。小波變換是80年代中期興起的一種圖像壓縮新技術，是對整幅圖像進行變換，充分利用了圖像整體相關性并消除了DCT編碼帶來的方塊效應。小波級數(shù)可以在不同分辨率下逼近某一函數(shù)，實現(xiàn)多分辨率分解，獲得很高的壓縮比，已被廣泛應用在視頻圖像壓縮領域。ANALOG公司首家推出基于小波變換的實時視頻壓縮解壓縮芯片ADV6××系列，其最新芯片是ADV611/612，其中，ADV611主要應用于室溫下，而ADV612適用于工業(yè)領域，但它們的工作原理是一致的。本文就ADV611的原理和應用等問題進行闡述。

2 ADV611簡介

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、單片、多功能、全數(shù)字的CMOS-VLSI器件。ADV611支持對CCIR-611數(shù)字視頻進行高畫質(zhì)實時壓縮解壓縮，壓縮倍數(shù)從視覺無失真感到7500倍，并能獲得比較好的主觀評價效果。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或主機根據(jù)當前場統(tǒng)計特性計算量化步長值。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、主機接口和在片SRAM等，主要應用于閉路電視等。

ADV611的基本工作原理：編碼時從它的數(shù)字視頻接口接收未壓縮的數(shù)字視頻信號，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)量達到主機在寄存器里的預置值時，ADV611就發(fā)出中斷請求信號，從它與主處理器的接口輸出壓縮數(shù)據(jù)比特流。當解壓縮時，壓縮數(shù)據(jù)從主處理器接口送入到FIFO里，然后經(jīng)過與編碼時的逆過程，數(shù)字視頻接口輸出標準的數(shù)字視頻分量。

ADV611共有84個數(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 ，用于存儲經(jīng)小波變換后的圖像壓縮數(shù)據(jù)（編碼和解碼過程各需要42個），以供自適應量化和熵編碼進行進一步數(shù)據(jù)壓縮，實現(xiàn)實時視頻信號壓縮。狀態(tài)和控制字寄存器是間接寄存器，ADV611對它們進行統(tǒng)一編址，通過主機接口訪問片內(nèi)四個32位直接寄存器進行讀寫操作。

2.2 功能方框圖  

ADV611為實現(xiàn)強大的壓縮功能，引出了120個引腳，采用LQFP封裝。圖1是其內(nèi)部功能方框圖。  

如圖1所示，整個芯片由8個功能模塊組成，其中3個是接口模塊，另5個是數(shù)字信號處理模塊。接口模塊包括數(shù)字視頻輸入I/O接口（Digital Video I/O Port）、主機 I/O接口(Host I/O Port)和外部DRAM存儲管理器（External DRAM Manager）；5個數(shù)字信號處理模塊是小波核（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編解碼方案的實現(xiàn)

作為一種通用的VLSI芯片，ADV611在設計時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既可以與微型機直接連接，也可以工作在脫機條件下。ADV611的一個典型應用如圖2所示。

3.1 在微機系統(tǒng)中的應用

ADV611的許多優(yōu)越性能能夠在計算機應用系統(tǒng)中得到實現(xiàn)，如圖3所示，只要附加一片 SAA7111就可實現(xiàn)復合視頻信號的數(shù)字化、壓縮和存儲。ADV611與主機的接口有：32位數(shù)據(jù)總線（D0～D31）、兩位地址線（ADR0、 ADR1）、片選信號/CS（通過譯碼器實現(xiàn)）、讀寫信號（/RD、/WR）以及具體主機跟ADV611之間的握手信號。

3.2 在脫機狀態(tài)下的應用

視頻圖像編解碼除了可以通過微機平臺實現(xiàn)外，還可以運用以DSP為主的微處理器控制對圖像的壓縮解壓縮。ADV611本身已集成了圖像編解碼的算法，利用高速DSP對圖像壓縮的效果進行實時調(diào)節(jié)，控制數(shù)據(jù)速率和圖像數(shù)據(jù)的傳輸，可以方便地設計一種脫機圖像系統(tǒng)，如圖4所示。通過主機接口DSP對ADV611進行控制和BW量值計算。

  

4 結束語

如上所述，ADV611要實現(xiàn)7500：1的視頻壓縮比，其理論依據(jù)是小波變換。為了獲得最大的壓縮效率 ，就必須要充分掌握小波濾波器的結構和性能。此外，ADV611具有ADV601所沒有的功能——區(qū)域高清晰度框的控制，可以對傳輸圖像進行重點截取，進一步提高壓縮率。在通常閉路電視或監(jiān)控系統(tǒng)的應用中，往往并不要求視頻圖像的連續(xù)顯示，因此可以對幀速率進行壓縮，如可把幀速率降到一秒一場，這在大多數(shù)場合是允許的。下面以A/D變換后速率為167Mbit/s的NTSC數(shù)字視頻信號為例，說明進行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%

·背景對比度衰減18dB