基于JPEG2000的視頻壓縮技術研究

李 波，何 亮

(成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

傳統的靜態圖像壓縮標準技術(如GIF、JPEG等圖像格式)應用于醫學成像、數據庫、多媒體、因特網及移動通信網等領域時，主觀質量下降明顯，已經難以滿足某些方面的需求［1］.新一代圖像壓縮標準JPEG2000，以其優良的壓縮特性，適應于多個相關領域，但由于其算法實現復雜、耗時較長，其推廣和 應 用 受 到 一 定 影 響［2－7］.對 此，本 研 究 在JPEG2000 圖像壓縮技術研究的基礎上，基于ADV212 設計了一種圖像壓縮編碼系統.

1 JPEG2000 編碼原理

JPEG2000 生成的壓縮碼流同時具有分辨率可分級性和質量可分級性，支持圖像的漸進傳輸，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，則首先進行顏色分量間去相關變換，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］，在進行DWT 變換前要進行直流電平位移操作，去除圖像的直流分量.JPEG2000 的DWT 變換中，浮點數9/7 濾波器主要用于高壓縮率有損壓縮，短整數5/3 濾波器用于實現可逆的無損壓縮［3］.對小波變換產生的系數進行量化，小波子帶b 的每一個變換系數通過式(1)進行標量量化，

圖1 JPEG2000 原理框圖

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

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

2 視頻采集壓縮的實現

視頻采集壓縮系統的硬件結構如圖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，壓縮后的數據通過TMS320DM368 傳輸到本地計算機解碼播放.

圖2 視頻采集壓縮硬件原理圖

2.1 視頻輸入模塊

系統上電或復位之后，FPGA 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 幀視頻來實現數據高速傳輸.FPGA 緩存1 幀完整的數據后，通過BT656 接口，傳輸到ADV212 數字編碼芯片壓縮，接口使用8 bits 并行數據線，54M像素時鐘，內嵌同步方式.

2.2 視頻壓縮模塊

ADV212 是針對視頻和高帶寬圖像壓縮應用的一款JPEG2000 編解碼芯片，它提供了一個基于空間高效濾波SURF(Spatial Ultra-eltleient Recursive Filtering)技術的專用小波變換器，支持多達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，它的處理速率達到40 Mb/s，不可逆模式下可達65 Mb/s.

ADV212 芯片共有16 個直接寄存器、28 個可設置間接寄存器141.對ADV212 寄存器訪問是通過ADDR［3∶ 0］、HDATA［31∶ 0］、CS、RD、WE 和ACK管腳實現，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，間接地址(0x00057F00-0x00057FFF);⑤再次初始化直接寄存器(0x00-0x0F)，設PLLLO，PLLHI 和總線寬度(Bus size)為16 bit;⑥軟件重啟(Reboot)設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;通過讀軟件標識直接寄存器(SWFLG register，其地址為0x07)來檢查應用ID 的正確性;⑧ADV212將如下值寫到軟件標識寄存器(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正確導入ADV212;⑩清ADV212 中斷;寫0xFFFF 到外部中斷標識直接寄存器(EIRQFLG register，地址為0x06)來清除所有的中斷標識.

通過設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.系統的固件程序ADV212.sea 從ADI 公司網站下載獲得［7］，在本系統中通過USB 接口下載到ADV212 的間接存儲器中，其地址段為0x00050000 ～0x0005EFF，數據寬度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 碼流加密及發送分模塊

碼流加密及發送分模式由數字信號處理器DSP(lTI 公司TMS320DM368 型DSP)和SDARM 組成，主要完成對ADV212 輸出的標準JPEG2000 碼流加密、存儲、發送等操作.其硬件結構如圖4 所示.

圖4 壓縮流存儲及發送系統結構

ADV212 編碼后產生的JPEG2000 格式碼流首先送入DSP 進行算法加密，加密算法可以同接收端預先約定好［2］.加密操作是必要的.對于碼流的安全發送具有重要意義.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 具有強大的掛接外設能力.本系統總共配備了512 Mbytes 的SDRAM，可以存儲多幀圖像的碼流.

使用多線程及雙隊列緩存技術處理數據的接收與發送.接收線程查詢空隊列，當空隊列有buffer時，從EMIF 接口接收壓縮數據并存放在buffer 中，當接收完一幀新的壓縮數據，將該buffer 加入滿隊列中.發送任務查詢滿隊列，將滿隊列中的壓縮數據通過以太網組播方式發送給計算機，計算機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 壓縮數據格式

ADV212 壓縮數據組織形式如圖5 所示，其中ADV212 數據頭包含以下信息:場標記(Field identification);場數;文件格式;視頻格式;數據頭版本信息(Header version);壓縮數據字數;屬性數據字數.

2)JPEG2000 數據頭包含整幅圖像主文件頭和圖像塊對應的頭標記(Head makers).

SOC，碼流開始 0xFF4F;EOC，碼流結尾OxFFD9;COD，編碼方式0xFF52;PLM，包長度，整幅圖像的數據頭0xFF57;PTL，包長度，每個圖像塊的頭0xFF58;PPM，打包數據的頭，整幅圖像的數據頭0xFF60;PPT，打包數據的頭，每個圖像塊的頭OxFF61;包數據(Packet data)即打包的數據流;碼流結尾(EOC)，每個碼塊由0x00 來填補，以達到32 bits 長的隊列.

3 實 驗

在實驗中，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)

通過實驗測試發現，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.

測試驗證了本硬件系統的可用性和正確性.

4 結 論

本研究設計了一個能對高分辨力圖像進行實時壓縮的系統.該系統結合DSP 的高度靈活性以及ADV212 的高效壓縮特性，滿足了系統高效靈活編碼、碼率控制等一系列復雜要求，很好解決了圖像質量與實時性之間的矛盾.

［1］侯俊.Motion JPEG2000 視頻編碼技術研究［D］.上海:上海交通大學，2007.

［2］路建方，王新賽，賀明，等.杜云基于ADV212 芯片的紅外視頻無損壓縮研究［J］.紅外，2013，34(1):21－24.

［3］阮秋琦.數字圖像處理學［M］.北京:電子工業出版社，2001.

［4］張曉林，姚遠.無人機載SAR 圖像壓縮傳輸中的關鍵技術研究［J］.航空科學技術，2008，20(3):34－39.

［5］陳檸檬，劉雷波，張利.基于THJ2K 的JPEG2000 圖像壓縮系統［J］.電視技術，2007，31(6):81－83.

［6］楊俊，魯新平，李吉成.基于ADV212 芯片的視頻壓縮系統應用設計技術［J］.微處理機，2010，31(4):119－122.

［7］Analog Devices Inc.ADV212 JPEG2000 video processor user＇s guide(revision 1.1)［S］.Norwood，MA，USA:Analog Devices Inc.，2006.

［8］Taubman D S，Marcellin M W.JPEG2000 image compression fundamentals，standards and practice［M］.MA:Kluwer Academic Publishers，2002.