摘要：提出了改進的視頻圖像小波壓縮算法，設(shè)計了基于高速數(shù)字處理芯片DSP-C6201的硬件平臺，并在此平臺上對改進的小波壓縮算法進行編程，實現(xiàn)了智能大廈監(jiān)控系統(tǒng)不等清晰度視頻圖像壓縮。系統(tǒng)的成功應用證明該系統(tǒng)硬件的高可靠性和軟件壓縮算法的有效性。

    關(guān)鍵詞：智能大廈 監(jiān)控系統(tǒng) 視頻圖像 小波壓縮 DSP

智能大廈是現(xiàn)代建筑與高新信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。1984年，美國康奈涅格州哈特福德市建成了世界首座智能大廈，次年日本東京的一座智能大廈相繼建成，從而智能大廈引起了世界各國的關(guān)注。當前，我國興建智能大量的熱潮方興未艾，其中圖像信號處理器的設(shè)計至關(guān)重要。傳統(tǒng)的以模擬電子技術(shù)為的監(jiān)控系統(tǒng)，由于攝像頭傳出的圖像信息量大，直接對圖像進行記錄需要過多的錄像帶，很難實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)傳輸、信息共享的需求。采用相關(guān)編碼技術(shù)對圖像進行壓縮，在系統(tǒng)中實現(xiàn)實時存儲和傳輸是現(xiàn)代智能大廈的迫切要求。但是，圖像壓縮所采用的方法一般比較復雜，運算工作量大，單憑軟件實現(xiàn)圖像壓縮難以滿足實時的要求，一般要借助硬件來提高運算速度以滿足圖像實時壓縮。正是在這種情況下，本文提出了改進的視頻圖像小波壓縮算法，設(shè)計了基于高速數(shù)字處理芯片DSP-C6201的硬件平臺，并在此平臺上改進的小波壓縮算法進行編程，實現(xiàn)了智能大廈監(jiān)控系統(tǒng)不等清晰度視頻圖像壓縮。

1 圖像壓縮技術(shù)[6]

近年來涌現(xiàn)的諸多圖像壓縮算法中，有途的是基于塊分類的分形編碼和基于小波變換的零樹編碼。分形壓縮的理論依據(jù)是Barnsley等人提出的迭代函數(shù)系統(tǒng)（IFS）理論和拼貼定理。它實質(zhì)上是把數(shù)量少且匹配的多個壓縮仿射變換找出來，取出其參數(shù)，如果其參數(shù)復雜性低于原圖像，便實現(xiàn)了壓縮。另一個引人注目的壓縮算法是基于小波變換的零樹編碼。圖像經(jīng)過小波變換后生成的系數(shù)數(shù)據(jù)總量與原圖像的數(shù)據(jù)量相等，即小波變換本身并不是有壓縮功能，之所以將它用于圖像壓縮，是因為生成的小波系數(shù)具有能量集中性、重要系數(shù)的群集性、各分量系數(shù)之間的相似性和分量系數(shù)幅度的衰減性等適合分類壓縮的特性?；谏喜ㄗ儞Q的零樹編碼方案充分有效地利用了小波的頻率分布特點，不會像分形那樣產(chǎn)生明顯的方塊效應，而且易于軟硬件實現(xiàn)，適合多類圖像的壓縮。這一類算法的典型代表是Shapiro提出的嵌入式零樹編碼（EZW）。但是，Shapiro方案一個明顯的缺點是將不同級別的系數(shù)在判斷重要系數(shù)時給予同等的考慮。本文在Shapiro方案的基礎(chǔ)上提出了基于PSWTC（priority set wavelet tree coding）的改進的小波壓縮方案克服了這一缺點，解決了不同大小不同級別的小波系數(shù)重要性判斷的方法問題。PSWTC結(jié)果的PS系數(shù)分布有明顯的規(guī)律性，級別高的個數(shù)少，級別低的個數(shù)多，呈金字塔分布，說明PSWTC很好地實現(xiàn)了零樹編碼方案的基本原則。與EZW相比較，PSWTC的計算復雜性要小，占用的存儲空間小，耗費的時間短，容易實現(xiàn)快速壓縮，克服了傳統(tǒng)小波圖像編碼中存在的費時費力的缺點[4][5]。PSWTC算法的具體步驟是：

（1）低頻系數(shù)暫不理會，置所有節(jié)點為待分系數(shù)，構(gòu)成待分系數(shù)集。

（2）設(shè)置門限，設(shè)初始閾值為T=Tmax=2×exp{「log2Max「|X|」」},“「」”表示取整操作符，X是除低頻系數(shù)外的全部小波系數(shù)。

（3）根據(jù)門根比較判斷待分系數(shù)的重要性輸出Sn,n=1。重要則輸出1，不重要則輸出0。系數(shù)重要性由其小波對集合的重要性決定。

（4）按之字形順序把所有重要系數(shù)加入優(yōu)先集（priority，簡稱PS）Xi,i=1，把它們從待移系數(shù)的中刪除，并按之字形順序填入它們的子女。

（5）閾值減辦，T=T/2，跳到第3步，逐次形成優(yōu)先集Xi,i=2、3…，直到閾值達到一個預定的門限值或待分系數(shù)沒有節(jié)點存在為止。

在此基礎(chǔ)上給出了按小波變換→系數(shù)分類→熵編碼順序的圖像壓縮方法。

2 硬件設(shè)計

模擬視頻信號經(jīng)高速A/D采樣后轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號。數(shù)字視頻信號由奇數(shù)場信號和偶數(shù)場信號兩路信號組成，奇數(shù)場信號和偶數(shù)場信號按照上述改進的小波壓縮方案進行圖像壓縮。采用TI公司的含多處理單元的C6201定點處理器，該處理器可采用50MHz或100MHz的工作頻率，經(jīng)內(nèi)部倍頻后升至200MHz，每秒可完成1.6G次操作。其內(nèi)部含有具備超長指令字處理能力的CPU和8個功能單元，故而它可在個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行8條指令，芯片運算能力顯著提高，再加之其良好的外部RAM接口和16bit的主機接口以及四通道的DMA功能，就使其成為高速運算的芯片[2][3]，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)[1]如圖1所示。本系統(tǒng)擬采用三片C6201，一片負責奇場圖像的壓縮和存儲，一片負責偶場圖像的壓縮和存儲，一片主C6201負責一幀壓縮圖像的存儲、判斷和通訊，其工作原理如下：

（1）待處理視頻信號首先送入A/D處理模塊。A/D模塊由視頻同步分離電路、直流恢復電路、鎖相環(huán)時鐘電路和高速視頻模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成。待處理視頻信號經(jīng)同步分離電路，分離出行場同步信號和奇偶場信號，將行場同步和奇偶現(xiàn)場信號送給CPLD作為時間基準信號。同時，待處理視頻圖像信號經(jīng)直流恢復電路恢復它的直流分量，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

（2）轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號先由雙口存儲器緩存。CPLD通過邏輯綜合，為雙口RAM（DPRAM）產(chǎn)生寫入地址和讀寫控制信號，使得A/D變換的數(shù)據(jù)按照要求存入以口RAM中。再由2片C6x(Odd-C6x和Even-C6x)分別讀取，奇場信號由Odd-C6x讀取、偶場信號由Even-C6x讀取。雙口RAM采用16行緩存，2片C6x（Odd-C6x和Even-C6x）每隔16行讀取。當雙口RAM存完16行后，CPLD給Odd-C6x或Even-C6x發(fā)出中斷信號，則Odd-C6x或Even-C6x讀取已存的16行數(shù)據(jù)。
    （3）當Odd-C6x或Even-C6x處理器收到CPLD發(fā)出的中斷信號后，立即響應外部中斷并給CPLD一個中斷響應信號，CPLD通過邏輯運算將Odd-C6x或Even-C6x與DPRAM間的緩存器接通，由Odd-C6x或Even-C6x內(nèi)部的DMA控制器以DMA方式將相應DPRAM內(nèi)數(shù)據(jù)讀入Odd-C6x或Enen-C6x并對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮，將壓縮后的結(jié)果存入SBSRAM，并將一些壓縮參數(shù)傳送給Main-C6x以便進一步分析與片。整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    該硬件系統(tǒng)可以對高分辨率768×576的視頻圖像進行實時采集壓縮，壓縮卡數(shù)據(jù)處理速度是200Mbps。若多個攝像頭同時進行數(shù)據(jù)采集壓縮，可采用多路壓縮單機并行陣列式結(jié)構(gòu)。在圖像壓縮前，還可根據(jù)用戶的要求，對目標進行粗檢測識別，只對感興趣區(qū)域進行壓縮，或進行不等壓縮比的壓縮，不僅可提高壓縮比，還能盡可能多地保留感興趣區(qū)域的圖像細節(jié)。

用TMS320C6201作為高速信號處理器，采用高效的小波算法對采集到的視頻信號進行數(shù)字化壓縮，取得了很好的效果。實驗結(jié)果表明，它的壓縮效果較之EZW算法有明顯的改進，恢復圖像的PSNR提高0.22～1.01dB，灰度誤差平均小了2個灰階，恢復結(jié)果更清楚，失真也更小，而且在大壓縮比的情況下明顯優(yōu)于SPIHT（SPIHT壓縮方法是EZW的改進，在壓縮速度和圖像恢復質(zhì)量方面均有所提高，是至今為止恢復圖像峰值信噪比的算法之一）。由此研制成的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)已成功用于某智能大廈。此數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)具有操作簡單、報警及時、回放快速、圖像清晰、壓縮比高等優(yōu)點。同時系統(tǒng)具有獨立性強、高度保密、壓縮比高等優(yōu)點。同時系統(tǒng)具有獨立性強、高度保密、多路同時捕獲、預覽時每路均能達到25fps/s的高速度等特性。它提供全天的時間設(shè)置，60G的標準硬盤可存儲一周的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的研制成功為監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化打下了堅實的基礎(chǔ)。