遥测视频图像采集压缩系统的设计与实现

张会新，孙 伟，辛海华

(中北大学 a.电子测试技术国家重点实验室；b.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

遥测视频图像采集压缩系统的设计与实现

张会新a，b，孙 伟a，b，辛海华a，b

(中北大学 a.电子测试技术国家重点实验室；b.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

由于空间遥测图像的数据量大，通信带宽有限，所以对遥测图像进行压缩编码，节省传输时占用带宽资源和减少数据存储量，才能将遥测信号更可靠、全面地进行传输或是存储到记录器中留待分析使用。综合遥测系统在传输图像时要在尽量小的空间中最大化地采集和传输图像信息的特殊要求，设计采用FPGA+专用视频解码芯片ADV7180来实现视频图像采集模块的功能，采用FPGA+专用图像压缩芯片ADV212来完成视频图像压缩功能的设计。最终实现了压缩率约为25倍，压缩后的数据传输速率达到40Mbit/s的视频图像采集压缩系统。该系统具有体积小、成本低、可靠性高、开发周期短等优点。

空间遥测；图像采集压缩；ADV7180；ADV212

随着遥测技术的发展，遥测数据量日益庞大。传统的图像压缩技术已无法满足对图像压缩质量进一步提高的要求。最新出现的图像压缩标准JPEG2000不仅能实现对图像的有效压缩，同时产生的码流具有分辨率、信噪比可伸缩、随机访问和处理、抗误码性强等优良特性，能够很好地满足遥测图像“高保真、高压缩比”的要求。

1 系统总体设计

该系统包括图像采集、图像压缩、逻辑控制等模块。图像采集模块实现图像的连续采集，将CCD摄像头输入的PAL制式视频图像转换为标准格式的8bit视频数据然后输出；图像压缩模块的功能为将接收到的视频数据按JPEG2000标准压缩；FPGA[1]控制模块实现各芯片间的时序匹配，以及初始化配置工作模式和工作参数。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

图像采集[2]、压缩模块的主要功能是对单路模拟图像数据进行实时采集和压缩。主要设计指标为：1) 图像采样精度为8bit；2)对采集到的视频图像数据进行压缩处理且压缩比至少16∶1；3)图像的分辨率达到720×576。

2 视频图像采集模块的设计

2.1 输入接口电路设计

在输入接口电路设计中，CCD摄像头以其高灵敏度、很强的抗干扰能力等优点成为本设计的首选，CCD摄像头输出标准的PAL制式视频信号后经过一个电压分离网络进入ADV7180的A/D转换器，最终经其解码后输出标准格式的数字视频信号，如图2所示。加电压分离网络的目的是为保证输入的视频信号在ADV7180的ADC允许范围内(0～1 V)。

图2 电压分离网络

2.2 视频图像采集电路设计

视频图像采集模块[3]设计采用ADI公司的ADV7180视频采集芯片来完成，它是一款10位、4倍过采样的视频图像解码器，可以采样NTSC，PAL和SECAM格式的模拟视频信号。通过正确配置后芯片自动检测输入格式，并将其转换为符合YCbCr 4∶2∶2协议标准的8位的数字视频信号。ADV7180通过自身提供的一个I2C串行接口和FPGA进行通信，FPGA模拟I2C总线的主端口正确配置ADV7180的内部寄存器值，从而使其正常工作。ADV7180共有6个模拟视频输入通道，CVBS、Y/C和YPrPb 3种输入模式，通过配置控制寄存器INSEL[3：0]的值来选择输入模式为CVBS，视频信号输入口为AIN2。在正确配置ADV7180内部寄存器值后，ADV7180等待启动信号并开始接收摄像头输出的PAL制式模拟视频信号，在对其解码后输出8位的符合YCbCr 4∶2∶2协议标准的数字视频信号。ADV7180电路连接图如图3所示。

图3 ADV7180电路连接图

3 视频图像压缩模块的设计

3.1 压缩算法的选择

目前，应用于遥测图像压缩[4]主要有4种算法：DCT法、变换码法、脉冲调制编码(DPCM)法以及矢量量化(VQ)法。综合遥测图像所要求的质量与压缩速度考虑，小波变换法为比较理想的遥测图像压缩方案。采用离散小波变换法的JPEG2000标准是目前最新的静态图像压缩标准，压缩速率可达80Mbit/s。

3.2 视频图像压缩电路设计

综合设计需求，视频图像压缩模块设计采用技术成熟、高可靠性的ADV212作为图像数据压缩芯片，它是AD公司推出的一款专用编解码芯片，可以接收ADV7180输出的数据并按JPEG2000标准进行编码压缩工作。通过FPGA正确配置ADV212内部寄存器值可实现多种工作模式的灵活选择。在本设计中，由于需要实时压缩，输入输出数据量很大，设计采用视频数据接口VDATA作为输入口，使用主机数据接口HDATA作为输出口，这样可以提高数据吞吐率。并且为满足数据源图像精度要求，VDATA总线宽度选为8位，HDATA总线宽度选为16位。ADV212有EAV/SAV，HVF及原始视频3种输入模式，由于ADV7180的输出数据信号需要要独立的同步信号，ADV212应采用HVF模式作为输入模式。ADV212的外部电路连接图如图4所示。

图4 ADV212外部电路连接图

4 关键逻辑设计

4.1 FPGA实现I2C总线的数据传输

本设计中利用FPGA实现满足I2C[5]协议的通信模块代替接口器件，降低了设计成本。逻辑设计中采用按时间推移状态机的设计理念，分别用5个子状态完成各个状态(如：起始状态、读状态、写状态和停止状态)的时序功能。核心部分程序状态图如图5所示。

图5 I2C程序状态图

4.2 视频数据回放应用程序的设计

ADV212在数据压缩处理过程中都会在数据块前加一特定的数据头，只有把数据头从数据中去掉后，才可以用对应的解码软件对数据进行解码。为实现压缩数据流的实时播放，设计采用了Microsoft公司设计的ASF文件打包器，对数据流进行处理。并用Microsoft 公司提供的Windows Media Format SDK开发工具实现对ASF文件的生成、编辑和播放。最后通过软件调用Windows Media player播放器，程序所示：

if(!CreateProcess(NULL，

"c：Program FilesWindows Media Playerwmplayer.exe

http：//127.0.0.1：8080"，

NULL，NULL，FALSE，0，

NULL，NULL，&si，&pi))

{

AfxMessageBox(_T("Windows Media Player播放器启动失败！"))；

}

本例程中，通过使用CreateProcess函数创建了新的进程，在新进程中启动Windows Media Player。最终播放器根据函数中的参数(http：//127.0.0.1：8080)打开本地端口，获取本地ASF数据文件，最终实现了压缩数据的解码和播放。

5 测试结果及分析

5.1 测试结果

系统设计完成后，进行了数据传输与图像压缩功能测试，输入信号由能够输出PAL制式720×576的模拟摄像头提供。从ADV212读出的原始数据如图6所示，从图中可以看出，该数据有完整的ADV212 数据头和JPEG2000标准数据头。以上数据经ASF文件打包器生成.ASF文件后在Windows Media player播放器播放效果如图7所示。

5.2 结论

ADV7180的接收的视频信号为PAL制式，其像素为720×576，根据帧格式可计算出每一帧图像大小为810kbyte。而且根据PAL制式25f/s(帧/秒)的图像输出速度可得ADV7180输出数据比特率约为810kbyte/f×25f/s×8bit/byte = 158.2 Mbit/s。由于比特率较大，如果不做数据压缩处理将需要很大的数据传输带宽和存储容量。本设计中对经ADV212压缩后的视频数据分析，计算出每帧图像大约为31.7kbyte，压缩率约为810kbyte∶31.7kbyte≈ 25∶1，满足了设计要求。同样计算得，数据传输比特率约为31.7kbyte/f×25f/s×8bit/byte= 6.2 Mbit/s。压缩后的视频数据传输速率可达40Mbit/s。

图6 JPEG2000压缩数据(截图)

图7 Windows media play播放视频数据(截图)

[1]卢明．基于DSP和FPGA的图像采集与处理系统设计[D]．西安：西安电子科技大学，2006．

[2]贺永波．基于USB2.0的高速图像采集系统设计[D].武汉：华中科技大学，2006．

[3]李成，贺洋.基于FPGA的图像采集模块的设计[J]．电子设计工程，2009(3)：34-35.

[4]刘永征，刘学斌，胡炳棵，等.基于ADV212的JPEG2000静态图像压缩系统设计[J].电子器件，2009(3)：505-506．

[5]何立民.I2C总线应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1995．

张会新(1980— )，讲师，主研测试计量技术及仪器；

孙 伟(1990— )，硕士生，主研仪器仪表工程；

辛海华(1972— )，高级工程师，主研测试计量技术及仪器。

责任编辑：闫雯雯

Design and Implementation of Telemetry Video Capture and Compression System

ZHANG Huixina，b，SUN Weia，b，XIN Haihuaa，b

(a.NationalKeyLaboratoryForElectronicMeasurementTechnology；b.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement，MinistryofEducation，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China)

Due to the large data flow of the space telemetry images and the limited communication bandwidth，the images are compressing coded to save bandwidth resources and the amount of data storage in the process of transmission which can transmit the telemetry signal more reliably and fully or record it for the post-analysis.Considering the special requirements of acquisition and transmission of the image information at the telemetry system to maximize the transmission of images in a minimum space，the functional modules by using FPGA and dedicated video decoder chip ADV7180are designed to perform video acquisition.Also，the FPGA and dedicated image compression chip ADV212 is used to design the video compression system.Ultimately，the video capture and compression system with compression rate about 25times and data transfer rate of 40Mbit/s is achieved.The system has advantages of small size，low cost，high reliability and short development cycle etc.

space telemetry； video capture and compression； ADV7180； ADV212

【本文献信息】张会新，孙伟，辛海华.遥测视频图像采集压缩系统的设计与实现[J].电视技术,2015，39(3).

国家自然科学基金项目(61335008)

TP391

A

10.16280/j.videoe.2015.03.010

2014-05-27