基于JPEG2000的視頻壓縮技術(shù)研究

李 波，何 亮

(成都大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

傳統(tǒng)的靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)(如GIF、JPEG等圖像格式)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、數(shù)據(jù)庫、多媒體、因特網(wǎng)及移動通信網(wǎng)等領(lǐng)域時(shí)，主觀質(zhì)量下降明顯，已經(jīng)難以滿足某些方面的需求［1］.新一代圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000，以其優(yōu)良的壓縮特性，適應(yīng)于多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域，但由于其算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、耗時(shí)較長，其推廣和 應(yīng) 用 受 到 一 定 影 響［2－7］.對 此，本 研 究 在JPEG2000 圖像壓縮技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，基于ADV212 設(shè)計(jì)了一種圖像壓縮編碼系統(tǒng).

1 JPEG2000 編碼原理

JPEG2000 生成的壓縮碼流同時(shí)具有分辨率可分級性和質(zhì)量可分級性，支持圖像的漸進(jìn)傳輸，且具有較好的抗誤碼性能，JPEG2000 對每幀視頻均采用JPEG2000 編碼.

JPEG2000 壓縮過程如圖1 所示，如果是多顏色分量的輸入圖像，則首先進(jìn)行顏色分量間去相關(guān)變換，然后將圖像/圖像成分分割成大小相等(邊緣除外)、相互不重疊的矩形圖像片(Tile)［8］，在進(jìn)行DWT 變換前要進(jìn)行直流電平位移操作，去除圖像的直流分量.JPEG2000 的DWT 變換中，浮點(diǎn)數(shù)9/7 濾波器主要用于高壓縮率有損壓縮，短整數(shù)5/3 濾波器用于實(shí)現(xiàn)可逆的無損壓縮［3］.對小波變換產(chǎn)生的系數(shù)進(jìn)行量化，小波子帶b 的每一個(gè)變換系數(shù)通過式(1)進(jìn)行標(biāo)量量化，

圖1 JPEG2000 原理框圖

其中，△b 為量化步長，量化會使系數(shù)的精度降低.若采用整數(shù)5/3 小波變換進(jìn)行無損壓縮，量化步長為1.

量化后的系數(shù)被分割成碼塊(Code-blocks)進(jìn)行第一層編碼(Tierl)，主要包括產(chǎn)生上下文(Context)和待壓縮的位數(shù)據(jù)(Decision)，以及用二進(jìn)制算術(shù)編碼器MQ-Coder 進(jìn)行算術(shù)編碼.產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流又進(jìn)入第二層編碼(Tier2)，主要用于進(jìn)行率失真優(yōu)化和使用Tag Tree 對壓縮碼流進(jìn)行打包.碼率控制模塊則用于對編碼過程產(chǎn)生預(yù)期碼率.

2 視頻采集壓縮的實(shí)現(xiàn)

視頻采集壓縮系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示.視頻輸入和壓縮芯片分別使用了ADI 公司的ADV212以及FPGA-5CEFA7F27I7N 芯片，壓縮后的數(shù)據(jù)通過TMS320DM368 傳輸?shù)奖镜赜?jì)算機(jī)解碼播放.

圖2 視頻采集壓縮硬件原理圖

2.1 視頻輸入模塊

系統(tǒng)上電或復(fù)位之后，F(xiàn)PGA 通過Camera link接口獲得高清視頻輸入.FPGA 為了解決視頻輸入與輸出的速率匹配問題［5］，通過外部DDR 存儲器緩存1 幀視頻來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸.FPGA 緩存1 幀完整的數(shù)據(jù)后，通過BT656 接口，傳輸?shù)紸DV212 數(shù)字編碼芯片壓縮，接口使用8 bits 并行數(shù)據(jù)線，54M像素時(shí)鐘，內(nèi)嵌同步方式.

2.2 視頻壓縮模塊

ADV212 是針對視頻和高帶寬圖像壓縮應(yīng)用的一款JPEG2000 編解碼芯片，它提供了一個(gè)基于空間高效濾波SURF(Spatial Ultra-eltleient Recursive Filtering)技術(shù)的專用小波變換器，支持多達(dá)6 級的9/7 和5/3 小波變換.在3 分量4∶ 2∶ 2 隔行模式，能夠處理的圖像，片(Tile)寬度最大為2 048 像素.工作于可逆模式時(shí)，它的處理速率達(dá)到40 Mb/s，不可逆模式下可達(dá)65 Mb/s.

ADV212 芯片共有16 個(gè)直接寄存器、28 個(gè)可設(shè)置間接寄存器141.對ADV212 寄存器訪問是通過ADDR［3∶ 0］、HDATA［31∶ 0］、CS、RD、WE 和ACK管腳實(shí)現(xiàn)，間接寄存器起始地址為0xffff0000.在特定模式如用戶自定義模式下，需要通過IADDR、IDATA 寄存器訪問設(shè)置間接寄存器.ADV212 的初始化流程為:①初始化直接寄存器(0x00-0x0F)，設(shè)PLLLO，PLLHI 和總線寬度為16 bits;②軟件重新啟動，將0x8A 寫到啟動直接寄存器;③通過HDATA總線上載(Upload)ADV212 固件，大小為32 Kbytes［間接地址(0x00050000)］;④配置固件參數(shù)，間接地址(0x00057F00-0x00057FFF);⑤再次初始化直接寄存器(0x00-0x0F)，設(shè)PLLLO，PLLHI 和總線寬度(Bus size)為16 bit;⑥軟件重啟(Reboot)設(shè)PLLLO，PLLHI 和總線寬度(Bus size)16 bits，將0x8D 寫到啟動直接寄存器;⑦使能ADV212 中斷并檢查應(yīng)用ID寫0x0400 到外部中斷使能直接寄存器(EIRQIE register)(直接地址為0x05 的軟件中斷0 位)來使能軟件中斷;通過讀軟件標(biāo)識直接寄存器(SWFLG register，其地址為0x07)來檢查應(yīng)用ID 的正確性;⑧ADV212將如下值寫到軟件標(biāo)識寄存器(SWFLG register):編碼等于0xFF82;通過讀取看這些值是否正確來判斷固件是否;⑨正確導(dǎo)入ADV212;⑩清ADV212 中斷;寫0xFFFF 到外部中斷標(biāo)識直接寄存器(EIRQFLG register，地址為0x06)來清除所有的中斷標(biāo)識.

通過設(shè)置合適的中斷使能位來使能外部中斷使能寄存器(IRQ IE register)，例如0x0002.系統(tǒng)的固件程序ADV212.sea 從ADI 公司網(wǎng)站下載獲得［7］，在本系統(tǒng)中通過USB 接口下載到ADV212 的間接存儲器中，其地址段為0x00050000 ～0x0005EFF，數(shù)據(jù)寬度32 bit.采用C 語言的ADV212 程序編碼流程如圖3.

圖3 ADV212 程序編碼流程

2.3 碼流加密及發(fā)送分模塊

碼流加密及發(fā)送分模式由數(shù)字信號處理器DSP(lTI 公司TMS320DM368 型DSP)和SDARM 組成，主要完成對ADV212 輸出的標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000 碼流加密、存儲、發(fā)送等操作.其硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示.

圖4 壓縮流存儲及發(fā)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ADV212 編碼后產(chǎn)生的JPEG2000 格式碼流首先送入DSP 進(jìn)行算法加密，加密算法可以同接收端預(yù)先約定好［2］.加密操作是必要的.對于碼流的安全發(fā)送具有重要意義.加密后的碼流存入圖4 所示的SDRAM 中等待接收“傳輸”指令.TMS320DM368 型DSP 具有強(qiáng)大的掛接外設(shè)能力.本系統(tǒng)總共配備了512 Mbytes 的SDRAM，可以存儲多幀圖像的碼流.

使用多線程及雙隊(duì)列緩存技術(shù)處理數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送.接收線程查詢空隊(duì)列，當(dāng)空隊(duì)列有buffer時(shí)，從EMIF 接口接收壓縮數(shù)據(jù)并存放在buffer 中，當(dāng)接收完一幀新的壓縮數(shù)據(jù)，將該buffer 加入滿隊(duì)列中.發(fā)送任務(wù)查詢滿隊(duì)列，將滿隊(duì)列中的壓縮數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)組播方式發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收后解碼播放顯示.

2.4 記錄格式與載體

1)ADV212 壓縮碼流格式.

圖5 壓縮數(shù)據(jù)格式

ADV212 壓縮數(shù)據(jù)組織形式如圖5 所示，其中ADV212 數(shù)據(jù)頭包含以下信息:場標(biāo)記(Field identification);場數(shù);文件格式;視頻格式;數(shù)據(jù)頭版本信息(Header version);壓縮數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù);屬性數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù).

2)JPEG2000 數(shù)據(jù)頭包含整幅圖像主文件頭和圖像塊對應(yīng)的頭標(biāo)記(Head makers).

SOC，碼流開始 0xFF4F;EOC，碼流結(jié)尾OxFFD9;COD，編碼方式0xFF52;PLM，包長度，整幅圖像的數(shù)據(jù)頭0xFF57;PTL，包長度，每個(gè)圖像塊的頭0xFF58;PPM，打包數(shù)據(jù)的頭，整幅圖像的數(shù)據(jù)頭0xFF60;PPT，打包數(shù)據(jù)的頭，每個(gè)圖像塊的頭OxFF61;包數(shù)據(jù)(Packet data)即打包的數(shù)據(jù)流;碼流結(jié)尾(EOC)，每個(gè)碼塊由0x00 來填補(bǔ)，以達(dá)到32 bits 長的隊(duì)列.

3 實(shí) 驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中，對比了2 種不同碼率下的效果.1.22 Mbps 碼率(28.3∶ 1 壓縮比)(見圖6)，283 K 碼率(128∶ 1 壓縮比)(見圖7).

圖6 壓縮圖(1.22 M)

圖7 壓縮圖(283 K)

通過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，基于JPEG2000 的壓縮算法在128 K 碼率下圖像清晰、流暢、延遲小，具有良好的低比特率壓縮性能，視覺失真很小，壓縮率比較高.

測試驗(yàn)證了本硬件系統(tǒng)的可用性和正確性.

4 結(jié) 論

本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)能對高分辨力圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮的系統(tǒng).該系統(tǒng)結(jié)合DSP 的高度靈活性以及ADV212 的高效壓縮特性，滿足了系統(tǒng)高效靈活編碼、碼率控制等一系列復(fù)雜要求，很好解決了圖像質(zhì)量與實(shí)時(shí)性之間的矛盾.

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