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1、电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增刊 基于A D V 2 0 2 的高速数据编解码系统设计 韦海萍赵保军唐林波何佩琨 ( 北京理工大学雷达技术研究所，北京1 0 0 0 8 1 ) 摘要：本文所设计的系统是基于A n a l o g 公司的专用硬什压缩芯片A D V 2 0 2 实现图像编解码，此系统的图像输入速率为 6 2 5 M S P S ( M e g a - S a m p l e s p e rs e c o n d ) ，串行输出的码流速率为3 1 2 5 M b p s ( M e g a - b i t s p e rs e c o n d ) ，也就是可以实现1 6
2、倍同 定压缩比的压缩。A D V 2 0 2 芯片是基于J P E G 2 0 0 0 标准的专用压缩芯片，冈此压缩质量比较好，并且从硬件上来说，与传统 的利用F P G A 与D S P 相结合的图像压缩系统相比，此系统的结构简单，对芯片的性能要求比较低，体积和功耗都很小，开 发周期也可以大大缩短。实验表明，利用此系统对高速图像数据进行编解码，可以达到比较满意的压缩效果。 关键宇：A D V 2 0 2 图像编解码J P E G 2 0 0 0 H i g h s p e e dD a t aC o d i n ga n dD e c o d i n gS y s t e mB a s e
3、do n A D V 2 0 2 W 萌H a i p i n g Z h a oB a o j u n T a n gL i n b o H eP e i k u n ( B e i j i n gI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y , B e i j i n g1 0 0 0 8 1C h i n a ) A b s t r a c t ：I nt h i sp a p e r , t h ei m p l e m e n to fi m a g ec o d i n ga n dd e c o d i n gb a s e do nas p
4、e c i a lc o m p r e s s i o nc h i pA D V 2 0 2W a Sp r o p o s e d T h ei m a g ei n p u tr a t ew a s6 2 5 M S P S ( M e g a - S a m p l e sp e rs e c o n d ) ，a n dt h es e r i a lo u t p u tc o d er a t eW a S31 2 5 M b p s ( M e g a - b i t sp e r s e c o n d ) ，I no t h e rw o r d s ，t h ec o
5、 m p r e s s i o nr a t i ow a ss i x t e e n A D V 2 0 2W a Sac o m p r e s s i o nc h i pb a s e do nt h eJ P E G 2 0 0 0 ，S Ot h eq u a l i t y W a sb e t t e r C o m p a r i n gw i t ht h ei m a g ec o m p r e s s i o ns y s t e mb a s e dO nF P G Aa n dD S P , T h e s y s t e mi nt h i sp a p e
6、 rh a dm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha St h es i m p l e rs t r u c t u r e 。t h el o w e rr e q u i r e m e n tt ot h ec h i pp e r f o r m a n c e , t h el o w e rp o w e ra n ds m a l l e rs i z e ，t h es h o r t e r d e v e l o p m e n tc y c l e T h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h
7、 ei m a g ec o m p r e s s i o ne f f e c ti ss a t i s f y i n g K e y w o r d s ：A D V 2 0 2 ，i m a g ec o d i n ga n dd e c o d i n g ，J P E G 2 0 0 0 在现代战争中，图像是获取对方信息的重要手 段。随着科技的进步，遥感图像的分辨率越来越高， 数据量也就随之增大，而信道的传输速率又是有限 的，因此对图像进行压缩变得十分必要。目前广泛 使用的是J P E G 2 0 0 0 压缩标准，与以往使用的J P E G 压缩标准相比，它有很多优点。J
8、P E O 压缩标准足 基于D C T ( 离散余弦变换) 的，它的重构图像有严 重的块状效应，并且图像细节越多，这种效应越严 重【4 J 。而J P E G 2 0 0 0 压缩标准使用了基于D W T ( 离 散小波变换) 的先进压缩技术，它可以克服J P E G 压缩引起的块状效应，并且J P E G 2 0 0 0 的码流设计 可以有效地抑制比特误码。在无线通信信道中，恰 当的码流设计可以帮助纠正解码错误，这可以很好 地改善重建图像质量【5 】。本系统所使用的A D V 2 0 2 是A n a l o g 公司推出的单片J P E G 2 0 0 0 压缩解压缩芯 片，该芯片采用专利
9、空间超效率回归滤波技术 ( P a t e n t e ds p m i Mu l t r a e f f i c i e n tr e c u r s i v ef i l t e r i n g ) ， 具有较低的功耗和成本，因此非常适用于星载技术 基金项目：总装预先研究项目。 1 1 4 l 的要求。 1 A D V 2 0 2 专用芯片介绍 A D V 2 0 2 专用压缩芯片采用的是J P E G 2 0 0 0 压 缩标准，可实现多达六级的9 7 和5 3 小波变换； 支持多种图像输入格式，包括1 T U R - B T 6 5 6 ， S M P T E l 2 5 M P A
10、L N T S C , S M P T E 2 7 4 M , S M P T E 2 9 3 M ( 5 2 5 p ) I T U R - B T l 3 5 8 ( 6 2 5 p ) 等标准 格式以及用户自定义格式；它具有可编程的块和图 像尺寸，在三分量4 ：2 ：2 隔行扫描模式中的宽度可 达2 0 4 8 像素，单分量模式中的宽度可达4 0 9 6 像素； 在不可逆模式下，最大输入速率为6 5 M S P S ，可逆 模式下的最大输入速率为4 0 M S P S 【I J 。 A D V 2 0 2 功能框图如图l 所示： 该芯片主要由像素接口，小波变换引擎，三个 熵编码器，嵌入式
11、R I S C 处理器，各种数据F I F O ， 存储系统和D M A 引擎等组成。在编码模式下，输 入图像送到像素输入接口，然后传输到小波变换引 电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增刊 擎中，在小波引擎中，利用5 3 或9 7 滤波器将每 帧图像分解成多个子带，并且利用D M A 将得到的 耗时的，因此内部使用了三个熵编码器来提高计算 效率。解码模式下，从主机接口读取码流数据，缓 图IA D V 2 0 2 功能框图 小波系数写到内部存储系统，与此同时，每个子带存到内部F I F O ，然后利用D M A 将数据搬移到内部 被分解成一定大小的码块，码块的大小用户可以在存储系统，由熵解码
12、器先进行解码，小波引擎将得 编码参数中定义。熵编码器对每个码块的小波系数到的小波系数重构为图像 2 1 。 薹纂予高言鬈备蔷萋莩娶鐾誓言嚣2 0 0 0 标准的 2 - 基- - “ A D V 2 0 2 U d 的高速数据编解码系 码流，同时还可以进行失真度的计算。 日J 同还纵撕纲肼w 习尔 F h 于在整个的J P E G 2 0 0 0 压缩中，熵编码是最统j 发计 图像接口 辜坌堑兰望堡 串行差分码流 码流接口一 P R O M 显示部分 F P G A ( 可编程逻辑门阵列) 型I 。数字盎 A D V 2 0 2 ( 1 ) A D V 2 0 2 ( 2 ) 图2 基于A D
13、 V 2 0 2 的高速数据编解码系统 本系统的设计既可以实现编码又可以实现解出由于整个程序不需要太多的逻辑门，因此只需 码，数据流是可逆的。系统结构框图如图2 所示。 要选择一个低性能的F P G A 。D S P ( 数字信号处理 下面首先以实现编码来介绍系统的工作流程。器) 主要实现对A D V 2 0 2 的配置以及编码码流的读 其中，F P G A ( 可编程逻辑门阵列) 对输入的图像 取。P R O M ( 可编程只读存储器) 用来存储F P G A 数据进行分发，使两个A D V 2 0 2 可以协调工作，并 程序，F L A S H 用来存储D S P 的程序以及A D V 2
14、 0 2 且暂存编码输出的并行码流，然后进行并串转换输 的固件程宇。显示部分用来观察重构的图像。本系 1 1 4 2 胍 丛I 弓|一= 电子测量与仪器学报2 0 0 6 年增刊 统的设计比较灵活，可以兼顾开发难度和系统要 求。当对系统的功耗和体积要求不是很高时，可以 使用D S P ，这样系统实现相对简单，开发周期短。 在对功耗和体积限制比较严格的应用中，可以利用 F P G A 的嵌入式C P U 完成D S P 的工作，而不需要 D S P 的参与。 编码时，输入图像行分辨率为4 0 9 6 像素，并 且没有场消隐信号，因此需要利用两片A D V 2 0 2 交 替工作，它们的消隐期和有
15、效期是互补的。每个 A D V 2 0 2 处理的图像大小为4 0 9 6 x 6 4 x 8 b R ，压缩比 固定为1 6 倍。在利用A D V 2 0 2 进行编码之前，需 要对其进行正确的配置。首先配置P L LL O 和 P L LH I 寄存器得到P L L 时钟，然后将编码固件写 到A D V 2 0 2 内部，此固件是A n a l o g 公司提供的一 个s e a 文件。为了使A D V 2 0 2 可以正常工作，需 要配置编码参数，编码固件利用这些配置参数合理 地操作A D V 2 0 2 。编码参数有视频输入格式、精度， 小波核量化因子，像素接口配置，压缩比，以及码 流
16、格式等。由于系统的输入图像是非标准格式的， 还需要配置一些间接寄存器，如每行总像素个数， 每帧总行数，行场分辨率，行，场有效起始位置掣3 1 。 在对A D V 2 0 2 配置完成后，检测直接寄存器 S o f t w a r eF l a g ( 地址为0 x 0 7 ) ，如果是“0 x F F 8 2 ”表明 配置成功，A D V 2 0 2 开始编码，当有码流输出时 A D V 2 0 2 会发中断给D S P ，D S P 在中断服务程序中 将码流读到F P G A 内部的双口存储器，并在F P G A 中进行并串转换输出。两个A D V 2 0 2 输出的并行码 流分别存储在双口的上半区和下半区，当一个 A D V 2 0 2 编码时，将另一个A D V 2 0 2 的码流进行并 串转换，这样可以避免对双口的读写冲突。 与编码相对应，此系统用作解码时，也需要按 照上述的步骤对A D V 2 0 2 进行配置，此时加载的是 解码固件，它也是一个+ s e a 文件。解码参数有视频 输出格式精
