基于JPEG2000的视频压缩技术研究

李 波，何 亮

(成都大学 电子信息工程学院，四川 成都 610106)

0 引 言

传统的静态图像压缩标准技术(如GIF、JPEG等图像格式)应用于医学成像、数据库、多媒体、因特网及移动通信网等领域时，主观质量下降明显，已经难以满足某些方面的需求［1］.新一代图像压缩标准JPEG2000，以其优良的压缩特性，适应于多个相关领域，但由于其算法实现复杂、耗时较长，其推广和 应 用 受 到 一 定 影 响［2－7］.对 此，本 研 究 在JPEG2000 图像压缩技术研究的基础上，基于ADV212 设计了一种图像压缩编码系统.

1 JPEG2000 编码原理

JPEG2000 生成的压缩码流同时具有分辨率可分级性和质量可分级性，支持图像的渐进传输，且具有较好的抗误码性能，JPEG2000 对每帧视频均采用JPEG2000 编码.

JPEG2000 压缩过程如图1 所示，如果是多颜色分量的输入图像，则首先进行颜色分量间去相关变换，然后将图像/图像成分分割成大小相等(边缘除外)、相互不重叠的矩形图像片(Tile)［8］，在进行DWT 变换前要进行直流电平位移操作，去除图像的直流分量.JPEG2000 的DWT 变换中，浮点数9/7 滤波器主要用于高压缩率有损压缩，短整数5/3 滤波器用于实现可逆的无损压缩［3］.对小波变换产生的系数进行量化，小波子带b 的每一个变换系数通过式(1)进行标量量化，

图1 JPEG2000 原理框图

其中，△b 为量化步长，量化会使系数的精度降低.若采用整数5/3 小波变换进行无损压缩，量化步长为1.

量化后的系数被分割成码块(Code-blocks)进行第一层编码(Tierl)，主要包括产生上下文(Context)和待压缩的位数据(Decision)，以及用二进制算术编码器MQ-Coder 进行算术编码.产生的数据流又进入第二层编码(Tier2)，主要用于进行率失真优化和使用Tag Tree 对压缩码流进行打包.码率控制模块则用于对编码过程产生预期码率.

2 视频采集压缩的实现

视频采集压缩系统的硬件结构如图2 所示.视频输入和压缩芯片分别使用了ADI 公司的ADV212以及FPGA-5CEFA7F27I7N 芯片，压缩后的数据通过TMS320DM368 传输到本地计算机解码播放.

图2 视频采集压缩硬件原理图

2.1 视频输入模块

系统上电或复位之后，FPGA 通过Camera link接口获得高清视频输入.FPGA 为了解决视频输入与输出的速率匹配问题［5］，通过外部DDR 存储器缓存1 帧视频来实现数据高速传输.FPGA 缓存1 帧完整的数据后，通过BT656 接口，传输到ADV212 数字编码芯片压缩，接口使用8 bits 并行数据线，54M像素时钟，内嵌同步方式.

2.2 视频压缩模块

ADV212 是针对视频和高带宽图像压缩应用的一款JPEG2000 编解码芯片，它提供了一个基于空间高效滤波SURF(Spatial Ultra-eltleient Recursive Filtering)技术的专用小波变换器，支持多达6 级的9/7 和5/3 小波变换.在3 分量4∶ 2∶ 2 隔行模式，能够处理的图像，片(Tile)宽度最大为2 048 像素.工作于可逆模式时，它的处理速率达到40 Mb/s，不可逆模式下可达65 Mb/s.

ADV212 芯片共有16 个直接寄存器、28 个可设置间接寄存器141.对ADV212 寄存器访问是通过ADDR［3∶ 0］、HDATA［31∶ 0］、CS、RD、WE 和ACK管脚实现，间接寄存器起始地址为0xffff0000.在特定模式如用户自定义模式下，需要通过IADDR、IDATA 寄存器访问设置间接寄存器.ADV212 的初始化流程为:①初始化直接寄存器(0x00-0x0F)，设PLLLO，PLLHI 和总线宽度为16 bits;②软件重新启动，将0x8A 写到启动直接寄存器;③通过HDATA总线上载(Upload)ADV212 固件，大小为32 Kbytes［间接地址(0x00050000)］;④配置固件参数，间接地址(0x00057F00-0x00057FFF);⑤再次初始化直接寄存器(0x00-0x0F)，设PLLLO，PLLHI 和总线宽度(Bus size)为16 bit;⑥软件重启(Reboot)设PLLLO，PLLHI 和总线宽度(Bus size)16 bits，将0x8D 写到启动直接寄存器;⑦使能ADV212 中断并检查应用ID写0x0400 到外部中断使能直接寄存器(EIRQIE register)(直接地址为0x05 的软件中断0 位)来使能软件中断;通过读软件标识直接寄存器(SWFLG register，其地址为0x07)来检查应用ID 的正确性;⑧ADV212将如下值写到软件标识寄存器(SWFLG register):编码等于0xFF82;通过读取看这些值是否正确来判断固件是否;⑨正确导入ADV212;⑩清ADV212 中断;写0xFFFF 到外部中断标识直接寄存器(EIRQFLG register，地址为0x06)来清除所有的中断标识.

通过设置合适的中断使能位来使能外部中断使能寄存器(IRQ IE register)，例如0x0002.系统的固件程序ADV212.sea 从ADI 公司网站下载获得［7］，在本系统中通过USB 接口下载到ADV212 的间接存储器中，其地址段为0x00050000 ～0x0005EFF，数据宽度32 bit.采用C 语言的ADV212 程序编码流程如图3.

图3 ADV212 程序编码流程

2.3 码流加密及发送分模块

码流加密及发送分模式由数字信号处理器DSP(lTI 公司TMS320DM368 型DSP)和SDARM 组成，主要完成对ADV212 输出的标准JPEG2000 码流加密、存储、发送等操作.其硬件结构如图4 所示.

图4 压缩流存储及发送系统结构

ADV212 编码后产生的JPEG2000 格式码流首先送入DSP 进行算法加密，加密算法可以同接收端预先约定好［2］.加密操作是必要的.对于码流的安全发送具有重要意义.加密后的码流存入图4 所示的SDRAM 中等待接收“传输”指令.TMS320DM368 型DSP 具有强大的挂接外设能力.本系统总共配备了512 Mbytes 的SDRAM，可以存储多帧图像的码流.

使用多线程及双队列缓存技术处理数据的接收与发送.接收线程查询空队列，当空队列有buffer时，从EMIF 接口接收压缩数据并存放在buffer 中，当接收完一帧新的压缩数据，将该buffer 加入满队列中.发送任务查询满队列，将满队列中的压缩数据通过以太网组播方式发送给计算机，计算机接收后解码播放显示.

2.4 记录格式与载体

1)ADV212 压缩码流格式.

图5 压缩数据格式

ADV212 压缩数据组织形式如图5 所示，其中ADV212 数据头包含以下信息:场标记(Field identification);场数;文件格式;视频格式;数据头版本信息(Header version);压缩数据字数;属性数据字数.

2)JPEG2000 数据头包含整幅图像主文件头和图像块对应的头标记(Head makers).

SOC，码流开始 0xFF4F;EOC，码流结尾OxFFD9;COD，编码方式0xFF52;PLM，包长度，整幅图像的数据头0xFF57;PTL，包长度，每个图像块的头0xFF58;PPM，打包数据的头，整幅图像的数据头0xFF60;PPT，打包数据的头，每个图像块的头OxFF61;包数据(Packet data)即打包的数据流;码流结尾(EOC)，每个码块由0x00 来填补，以达到32 bits 长的队列.

3 实 验

在实验中，对比了2 种不同码率下的效果.1.22 Mbps 码率(28.3∶ 1 压缩比)(见图6)，283 K 码率(128∶ 1 压缩比)(见图7).

图6 压缩图(1.22 M)

图7 压缩图(283 K)

通过实验测试发现，基于JPEG2000 的压缩算法在128 K 码率下图像清晰、流畅、延迟小，具有良好的低比特率压缩性能，视觉失真很小，压缩率比较高.

测试验证了本硬件系统的可用性和正确性.

4 结 论

本研究设计了一个能对高分辨力图像进行实时压缩的系统.该系统结合DSP 的高度灵活性以及ADV212 的高效压缩特性，满足了系统高效灵活编码、码率控制等一系列复杂要求，很好解决了图像质量与实时性之间的矛盾.

［1］侯俊.Motion JPEG2000 视频编码技术研究［D］.上海:上海交通大学，2007.

［2］路建方，王新赛，贺明，等.杜云基于ADV212 芯片的红外视频无损压缩研究［J］.红外，2013，34(1):21－24.

［3］阮秋琦.数字图像处理学［M］.北京:电子工业出版社，2001.

［4］张晓林，姚远.无人机载SAR 图像压缩传输中的关键技术研究［J］.航空科学技术，2008，20(3):34－39.

［5］陈柠檬，刘雷波，张利.基于THJ2K 的JPEG2000 图像压缩系统［J］.电视技术，2007，31(6):81－83.

［6］杨俊，鲁新平，李吉成.基于ADV212 芯片的视频压缩系统应用设计技术［J］.微处理机，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.