视频编解码芯片的原理与应用

空军工程大学工程学院 陕西 西安 姚嵬

『摘要』ADV611是一种高压缩率的专用视频图像压缩解压芯片，本

文介绍了ADV611的工作原理、功能特点等，并给出了基于ADV611实现视频图像实时编、解码的可选方案，具体描述了实现高压缩率的方法。

关键词：视频压缩、ADV611芯片、小波变换、视频信号

引 言

随着通信和计算机技术的发展，以“信息采集、监控、处理”为核心的视频监控系统越来越广泛的应用于电视会议、可视电话、远程监控、等远程图像传输系统。而视频图像数据量非常巨大，必须经过压缩才能在有限带宽的网络里传输。目前，许多实用的图像编码算法都是基于DCT的，如有关静止图像和视频压缩编码的国际标准JPEG、H.26X、MPEG-X等。但基于DCT的算法有其固有的缺点，即存在明显的方块效应，在压缩比较高时，图像质量会很糟，因此人们一直在努力探寻更有效的编码方法。美国AD公司新推出的基于小波理论实时压缩解压缩芯片ADV611能较好地实行视频信号压缩，用该芯片实现的图像压缩具有压缩可调范围大，压缩质量高等优点。本文将就ADV611的原理和应用等问题进行阐述。

1 ADV611芯片介绍

ADV611是一种低功耗的单片实时视频压缩编解码芯片，可用于视频数字信号处理。它具有精确的压缩比特率控制，能实时地对包括

PAL和NTSC在内的视频信号进行压缩和解压缩 ，ADV611在压缩时，其视频信号的奇偶场是单独进行的，主要应用于闭路电视系统。它的压缩比可以从4:1到7500:1，在不同的应用场合下，可根据不同的图像质量要求选择不同的压缩倍数。

（1）ADV611 的主要性能

ADV611 具有以下一些主要性能：

精确的压缩位率控制，压缩的数据率由输入数据率和选择的压

缩率决定。

高清晰度取景框功能:允许一帧中某一矩形区域相对于其他区域（我们称之为背景）有较低的压缩比，或完全不进行压缩。

硬件编码实现小波变换。

支持电影质量数字视频的国际标准CCIR-656,最大可用场图像尺寸为768×288,最大像素率为14.75MHz。

16×32位主机接口，带512个32位FIFO。 (2)ADV611的内部结构

如图 1所示，ADV612实际由8个功能块组成，其中3个接口块，5 个处理块。接口块包括数字视频I/O端口、主机I/O端口以及 DRAM管理器；处理块包括小波变换核、片内变换缓存、可编程量化器、游程编码和霍夫曼编码。其中，量化所需二进制宽度由计算机或DSP完成，熵编码包括游程编码和霍夫曼编码。主机接口可为 16位或32位，带有512×32Kbit缓存FIFO。各部分功能如下:

小波变换核：是整个芯片的核心部分，主要完成二维小波变换。

该模块内含一个工作于图像水平方向及垂直方向的滤波器组。这些滤波器使用了一些有效的小波基函数，基于小波变换的压缩方法的优点是无须将图像分解成子块，这样就可以消除在高压缩比下出现的方块效应。对图像进行小波变换时使用内部缓冲器，避免使用较为昂贵的 高速外存。

自适应量化器：用来量化小波系数，量化系数可以由外部的 DSP进行控制；这个模块的作用是根据人的视觉特性对滤波后的图像进行量化。通常,人眼在同一层精确度上对低频分量比对高频分量敏感。因此，滤波时，对高频信息所进行的量化幅度应该大些，而对低频信息的量化幅度要小一些。

熵编码模块：包含了两种类型的熵编码器以获得无失真的编码：游程编码和哈夫曼编码。游程编码器主要用来查找长字串的零，同时用短的码字代替；哈夫曼编码器理论上可以产生所有最常用的码字序列表。ADV611中使用了三种固定的哈夫曼编码字表，而没有产生码字表。

缓冲器：提供小波变换核所需要的变换缓冲区，并用来提供足够大的空间以存储小波变换后的数据。

数字视频45\" 口：主要用于提供实时非压缩视频接口，以支持不同的视频信号格式。

DRAM管理器：用于控制外部DRAM的读写及更新。 主机I/O及FIFO:用于ADV611和主机间传送控制和状态信息，以及压缩的视频数据。 （3）ADV611的工作原理

由图1的ADV611内部框图可知，视频数据经过 ADV611时有两条路径，一条为编码路径，另一条为解码路径。编码路径中，数据经过小波变换后送至自适应量化器进行量化，然后送至编码器进行编码输出即得到压缩数据；解码路径中，压缩数据送至解码器进行解码和反量化后，数据经过小波变换后得到原始数据。

2 ADV611编解码方案的实现

作为一种通用的VLSI芯片,ADV611在设计时充分考虑到兼容性和使用的方便性。支持PHILIPS公司生产的SAA系列视频芯片、BROOKTREE公司的BT系列以及Raytheon等公司的视频芯片。ADV611既可以与微型机直接连接,也可以工作在脱机条件下。ADV611的一个典型应用如图2所示。

(1) 在微机系统中的应用

ADV611的许多优越性能能够在计算机应用系统中得到实现,如图3所示,只要附加一片SAA7111就可实现复合视频信号的数字化、压缩和存储。ADV611与主机的接口有:32位数据总线(D0～D31)、两位地址线(ADR0、ADR1)、片选信号/CS(通过译码器实现)、读写信号(/RD、/WR)以及具体主机跟ADV611之间的握手信号。

(2) 在脱机状态下的应用

视频图像编解码除了可以通过微机平台实现外,还可以运用以DSP为主的微处理器控制对图像的压缩解压缩。ADV611本身已集成了图像编解码的算法,利用高速DSP对图像压缩的效果进行实时调节,控制数据速率和图像数据的传输,可以方便地设计一种脱机图像系统,如图4所示。通过主机接口DSP对ADV611进行控制和BW量值计算。

结束语

基于小波变换的图像编码充分利用了图像整体相关性并消除了传统分块编码方法带来的方块效应。而专门用于实时视频图像压缩/解压缩的芯片ADV611以其优良的压缩性能在图像、多媒体等业务的舞台上应用越来越广泛。

参考文献

1. Benedetto J. , Frazier M. Wavelets: Mathematics and Applications. CRC Press,1994

2. Vetterli M, Kovacevic J. Wavelets and Subband Coding. Prentice Hall,1995

3. ftp:// ftp .analog.com/pub.Analog Devices ADV611/ADV612 Date Sheet Rev.0.1999

4. 吴乐南. 数据压缩原理与应用. 北京：电子工业出版社，1995 5. 张贤达.保铮.通信信号处理 北京：国防工业出版社 2000

投稿要求：发表在核心期刊2005年12月前 署名：姚嵬，单位：空军工程大学工程学院 邮编：735018，地址：甘肃省酒泉市14支局011号 收件人：张志博(转)姚嵬