车载图像采集设备的压缩系统设计

引言
目前公安、交通、银行、紧急救护等行业的车辆很多已经开通了GSP定位服务。车载的GPS系统除了传送所处位置的坐标信息之外，车辆所处环境的图像信息，例如运钞车的周边图像、救护伤员的现场图像、公安巡逻的情况等都需要通过无线信道传回指控中心。随着ITS事业的发展，各个路口的交通流监控图像也需要向交通指挥中心回传。但是众所周知，图像信息具有极为庞大的数据，而移动车辆回传主要依赖的无线信道，带宽又特别有限，因此必须对图像进行大比例压缩。

车载系统无线传输的特点
一般地，GPS定位应用系统通常由若干个车载设备与后方中心的管理控制设备组成，车辆所采集的位置、车况及环境等信息通过无线信道传送回管理中心。通常可供应用系统使用的无线传输手段有：
专用通信网，包括HF、VHF、
以及微波接力等通信方式；
900MHz或1800MHz的GSM
移动公用通信网；
GPRS通信；
卫星通信；
450MHz或800MHz的集群
通信系统；
这些无线传输手段所能提供的通信带宽大小不一，小的只有3KHz左右，大的可达几十兆，变动范围很大。对于普通的车辆来说，现有的应用系统主要是基于GSM网或集群双工网，它们所能提供的带宽在数十KHz的量级。

车载图像采集压缩系统设计
压缩系统的要求
针对上述特点，车载图像采集设备压缩系统应具有以下特点：
(1) 大比例压缩：以一个数字化的NTSC电视图像为例，其数据量约为167Mbps，要将其压缩200~6000倍左右才能适应传输带宽的情况。
(2) 多比率压缩：由于无线信道的时变性，一种系统所能提供的有效带宽可能会发生变化，并且在某些情况下，必须进行传输手段切换，由一种无线传输方式转化成另一种无线传输方式，相应的可供利用的信道带宽也会变化。采用多比例的压缩方式可以灵活地适应信道带宽的这种变化。
(3) 嵌入式码流结构：这种码流结构一方面可以便于管理中心的解码单元进行顺序解码，先轮廓后细节地重建图像，以最快的速度从重建图像中提取出所需的信息；另一方面，可以基于此实现多种压缩比率。
由于小波图像压缩方法具有高压缩比、重建图像质量高、多分辨率、嵌入式码流等特点，因此我们运用小波方法压缩车载设备采集的图像。目前有一些应用系统采用计算机来完成车载设备所采集图像的压缩处理，体积庞大，性价比低，不引言
目前公安、交通、银行、紧急救护等行业的车辆很多已经开通了GSP定位服务。车载的GPS系统除了传送所处位置的坐标信息之外，车辆所处环境的图像信息，例如运钞车的周边图像、救护伤员的现场图像、公安巡逻的情况等都需要通过无线信道传回指控中心。随着ITS事业的发展，各个路口的交通流监控图像也需要向交通指挥中心回传。但是众所周知，图像信息具有极为庞大的数据，而移动车辆回传主要依赖的无线信道，带宽又特别有限，因此必须对图像进行大比例压缩。

车载系统无线传输的特点
一般地，GPS定位应用系统通常由若干个车载设备与后方中心的管理控制设备组成，车辆所采集的位置、车况及环境等信息通过无线信道传送回管理中心。通常可供应用系统使用的无线传输手段有：
专用通信网，包括HF、VHF、
以及微波接力等通信方式；
900MHz或1800MHz的GSM
移动公用通信网；
GPRS通信；
卫星通信；
450MHz或800MHz的集群
通信系统；
这些无线传输手段所能提供的通信带宽大小不一，小的只有3KHz左右，大的可达几十兆，变动范围很大。对于普通的车辆来说，现有的应用系统主要是基于GSM网或集群双工网，它们所能提供的带宽在数十KHz的量级。

车载图像采集压缩系统设计
压缩系统的要求
针对上述特点，车载图像采集设备压缩系统应具有以下特点：
(1) 大比例压缩：以一个数字化的NTSC电视图像为例，其数据量约为167Mbps，要将其压缩200~6000倍左右才能适应传输带宽的情况。
(2) 多比率压缩：由于无线信道的时变性，一种系统所能提供的有效带宽可能会发生变化，并且在某些情况下，必须进行传输手段切换，由一种无线传输方式转化成另一种无线传输方式，相应的可供利用的信道带宽也会变化。采用多比例的压缩方式可以灵活地适应信道带宽的这种变化。
(3) 嵌入式码流结构：这种码流结构一方面可以便于管理中心的解码单元进行顺序解码，先轮廓后细节地重建图像，以最快的速度从重建图像中提取出所需的信息；另一方面，可以基于此实现多种压缩比率。
由于小波图像压缩方法具有高压缩比、重建图像质量高、多分辨率、嵌入式码流等特点，因此我们运用小波方法压缩车载设备采集的图像。目前有一些应用系统采用计算机来完成车载设备所采集图像的压缩处理，体积庞大，性价比低，不适合车辆安装和应用。基于专用的ASIC小波图像压缩芯片进行嵌入式系统设计，从而实现图像压缩功能则是一种发展方向。
专用小波图像压缩芯片ADV611
ADV611是一种低价、单片、多功能、全数字的CMOS—VLSI器件。ADV611支持对CCIR601数字视频进行高质量实时压缩解压缩，压缩倍数从视觉无失真感的4：1直至7500：1倍，并能获得比较好的主观视觉效果。压缩的数据率是由输入的数据率和被选择的压缩率决定的，靠与之相连接的片外DSP或主机根据当前场统计特性计算量化步长值，ADV611能获得近乎稳定的压缩比特率，片内集成了数字视频接口，主机接口和在片SRAM等，主要用于有线／无线远程监控等。
ADV611的基本工作原理：编码时从它的数字视频接口接收未压缩的数字视频信号，经小波变换和帧抽取、系数量化、游程编码和Huffman编码，产生压缩后的数据流，送入集成于片内的512×32位大小的FIFO缓冲区，一旦FIFO的数据量达到主机在寄存器里的预置值时，ADV611就发出中断请求信号，从它与主处理器的接口输出压缩数据比特流。当解压缩时，压缩数据从主处理器接口送入到FIFO里，然后经过与编码时的逆过程，数字视频接口输出标准的数字视频分量。
车载图像压缩系统的结构框图如图2。

图1 ADV611功能方框图

图2　 图像压缩系统框图

图像压缩系统的设计说明
A/D的功能是将模拟摄像机获取的原始图像进行模数变换，然后将其转化成CCIR656的数字分量视频信号方式，送入图像压缩核进行压缩处理。本系统中，A/D芯片采用飞利浦公司生产的SAA7111芯片来完成此功能。SAAA7111用8比特/分量的量化精度来表示采样信号，YCrCb的采样比率为4:2:2。
ADV611将数字格式的视频图像进行压缩，其压缩结果经FIFO接口送给DSP，其压缩比和量化因子由DSP控制，参数初始化由DSP完成。
DSP采用ADSP~2185芯片，其数据口线的D8~D23位与ADV611的DATA线相连，由于DATA口线共有32位，所以其高16位[31~16]与低16位[15:0]通过复用口线的方式与DSP相连。PF4与BE0-BE1，PF5与BE2-BE3相连，作为DSP和ADV611之间传输字或字节的选择口线。FL[1~0]与ADR[1~0]相连，作为间接地址口线。
DSP在图像压缩系统中所起的主要作用有：(1)计算ADV611芯片进行量化所需的量化因子，其结果反馈给ADV611进行自适应量化；(2)计算小波图像分解最小亮度块的像素平方和，判断当前场景的变化情况，以指导ADV611进行有效的硬件减帧显示。
ADV611具有硬件减帧功能，由模式控制器2的[8:4]位来设置完成，共有32个设置值。此状态为全零则不丢弃，为1则丢弃1/2场，为2则丢弃2/3场，以此类推，最多可达丢弃32场中的31场，即只传送1场。在某些视频监控的场合，在相当长的时间内，图像可能都没有什么动态的变化，或者变化极小，这样就可以结合采集图像场景变化情况的判断，对图像的显示进行调整，在图像变化不是很频繁的场合，启用ADV611的硬件减帧功能提高图像序列压缩比。
本系统利用小波5级分解所产生的最小亮度块值进行场景变化情况的判断，这种最小亮度块的尺寸很小：对于640×240大小的NTSC制式图像，其最小亮度块的尺寸为20×15；对于768×288大小的PAL制式图像，其最小亮度块的尺寸为24×18。通过比较两个亮度块值的相对变化是否超过一个固定门限T，就可以检测出前后两场的图像发生动态变化与否。由于是基于图像的最小分解块进行比较，因此其计算复杂度小，执行时间短。

车载系统的构成和工作过程
车载系统的构成如图3所示。采用专用的无线调制解调器来完成信道编码与调制功能，图像压缩系统与MODEM的连接是通过ADSP2185的串行口进行通信的，信道机的类型可以是UP450集群系统、GSM手机或者超短波电台。
要传输所采集的图像信息时，车辆通信设备首先建立起与管理中心的无线通信线路；原始图像通过系统的摄像设备获取，然后进入图像压缩系统进行压缩处理：首先经过SAA7111芯片完成视频格式的解码操作，将复合视频信号转化为CCIR656格式的数字分量视频信号，由ADV611进行图像的小波变换、抽取、滤波、量化和熵编码，产生的压缩数据结果进入内部的FIFO缓冲区暂存；当FIFO数据量达到DSP对FIFO空间的预置值时，ADV611通过管脚向DSP发出中断请求，DSP响应中断后从FIFO中读取压缩数据流，并通过其串口送入通信系统中的调制终端，经过信道编码和放大后，送入信道机发射。

结语
基于ADV611的车载图像采集设备能将图像压缩比在4:1到7500:1的比率之间进行调整，对于一个167Mbps的NTSC图像来讲，相当于传输率从44MBps到22KBps。这样一来所能适应的无线传输手段就相当多，其图像压缩系统的具体压缩比变动范围可以根据系统需求而灵活配置。

参考文献
1 马大玮，凤光华．基于MCU和SCA的多工数据广播系统，2001年国际嵌入式系统学术会议文集.
2 Closed Circuit TV Digital Video Codec ADV611/ADV612, Analog Devices Company, 1999.

基金项目：本文得到重庆市应用基础项目2002*7257资助