基于小波變換與DSP的實時音頻視頻處理系統(tǒng)

關(guān)鍵詞： dsp , 視頻 , 小波變換 , 音頻

目前，以遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻會議、可視電話及移動多媒體通信系統(tǒng)為代表的低比特率通信系統(tǒng)在實際中得到了重要應(yīng)用。面對龐大的音/視頻數(shù)據(jù)量，作為語音及圖像處理的壓縮技術(shù)便在多媒體通信中顯得極為重要。隨著多媒體通信技術(shù)和超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)的飛速發(fā)展，這一技術(shù)將會在眾多領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。

1 音/視頻實時處理系統(tǒng)

低碼率視頻通信的主要技術(shù)問題是音/視頻壓縮編碼技術(shù)，即用來實現(xiàn)在滿足足夠質(zhì)量和硬件成本的條件下降低所需的碼率。小波變換充分利用人眼的視覺特性，克服了重構(gòu)圖像會出現(xiàn)的塊效應(yīng)、蚊子效應(yīng)、模糊等現(xiàn)象。由于小波變換技術(shù)能充分地利用人眼的視覺特性，因此因而用小波變換視頻編碼將會獲得比現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)得多的壓縮效果。本文介紹一種基于ADV611，CT8021芯片同時結(jié)合TI公司的TMS320C6201芯片實現(xiàn)音/視頻實時處理系統(tǒng)。在該實時系統(tǒng)中，DSP芯片作為控制核心、一方面要管理ADV611，CT8021，存儲器和通信接口，另一方面要對ADV611的圖像壓縮效果進(jìn)行調(diào)解，對數(shù)據(jù)速率實時控制。系統(tǒng)實現(xiàn)方案原理圖如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)遠(yuǎn)程場景音視頻的采集、數(shù)字化、音/視頻的壓縮和解壓、攝像系統(tǒng)云臺方位以及攝像頭的控制、自動開機(jī)和關(guān)機(jī)等功能。其中音視頻數(shù)據(jù)的打包、解包、攝像系統(tǒng)云臺方位以及攝像鏡頭的控制等功能DSP芯片TMS320C6201來完成。遠(yuǎn)程場景及音頻壓縮信息通過入網(wǎng)設(shè)備在Internet上實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時傳輸。如圖2中，原始制式PAL（720288，50幀/s）的視頻信號經(jīng)過圖像采集端的視頻A/D轉(zhuǎn)換成CCIR656（8位27MHz）的數(shù)據(jù)流，再通過ADV611進(jìn)行小波壓縮編碼。同時，原始的音頻信號也經(jīng)過音頻采集端的A/D轉(zhuǎn)換為PCM信號，再通過CT8021完成G.723.1壓縮編碼。經(jīng)過壓縮的音/視頻數(shù)據(jù)都送入TMS320C6201中，并由TMS320C6201參照MPEG－2協(xié)議完成音/視頻數(shù)據(jù)的打包；經(jīng)過打包的數(shù)據(jù)由TMS320C6201送出，這里使用異步通信器件TL16C550B連接TMS320C6201和入網(wǎng)設(shè)備，這樣做可以簡化DSP的軟件實現(xiàn)提高系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。最后打包的音/視頻數(shù)據(jù)由入網(wǎng)設(shè)備發(fā)送到Internet上，接收端功能框圖如圖3所示。從遠(yuǎn)端接收到壓縮數(shù)據(jù)后，經(jīng)過TL16C550B送到DSP中，先在存儲器中緩存，然后根據(jù)MPEG－2協(xié)議進(jìn)行解包，分解成獨(dú)立的音/視頻數(shù)據(jù)；然后依據(jù)ADV611和CT8021的數(shù)據(jù)申請，將壓縮視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給ADV611解壓，將壓縮音頻數(shù)據(jù)發(fā)送給CT88021解壓。ADV611恢復(fù)出的圖像數(shù)據(jù)仍以CCIR656的標(biāo)志格式發(fā)送給視頻D/A轉(zhuǎn)換為視頻模擬信號，最終由顯示器回放出來，CT8021恢復(fù)出的語音數(shù)據(jù)仍以PCM標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)送給音頻D/A轉(zhuǎn)換為音頻模擬信號，由揚(yáng)聲器回放出來。

1.1.1 音頻處理模塊

該模塊的核心芯片CT8021是采用美國DSP Group公司生產(chǎn)的全雙工的語音壓縮解壓縮芯片。他可為基于H.320協(xié)議的多媒體系統(tǒng)。該芯片實現(xiàn)了ITU－TG，723.1所規(guī)定的5.3kb/s和6.3kb/s兩種比特率語音。這兩種比特率是H.263建議所規(guī)定的國際標(biāo)準(zhǔn)語音速率，適用于線路帶寬較小的多媒體通信。該芯片處理速度快，可實現(xiàn)語音的實時處理，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.1.2 視頻處理模塊

在該設(shè)計中，用小波變換進(jìn)行圖像壓縮是采用硬件實現(xiàn)的，使用了AD公司生產(chǎn)的ADV611單片、多功能、全數(shù)字的CMOS超大規(guī)模集成電路。小波壓縮核采用雙正交（7，9）小波變換。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。他支持對CCIR－656國際數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高畫質(zhì)的無損或有損視頻壓縮和解壓縮并支持實施隔行掃描的視頻數(shù)據(jù)。編碼時，數(shù)字視頻從數(shù)字視頻接口輸入，經(jīng)幀抽取和小波變換，送入量化器進(jìn)行量化。量化后的數(shù)據(jù)送入熵編碼器，進(jìn)行游程編碼和霍夫曼編碼，產(chǎn)生最后的壓縮數(shù)據(jù)流，送入集成于片內(nèi)的51232位大小的FIFO緩存。當(dāng)片內(nèi)的FIFO的數(shù)據(jù)量達(dá)到主機(jī)的預(yù)設(shè)值時，ADV611發(fā)出中斷，通知主機(jī)取走數(shù)據(jù)。解碼過程與之相反，壓縮數(shù)據(jù)由主機(jī)送入FIFO，解碼后產(chǎn)生CCIR－656格式的數(shù)據(jù)視頻數(shù)據(jù)，從數(shù)字視頻接口輸出。

ADV611與其前期產(chǎn)品ADV601，ADV601LC相比，他不僅有更寬的溫度范圍（－25～＋85℃），而且采用硬件減幀技術(shù)，可獲得更高的壓縮比（最大可達(dá)7 500：1）并且增加一種稱為特性盒控制的功能。該功能允許一幀中某一矩形區(qū)域相對于其他區(qū)域有較低的壓縮比或完全不進(jìn)行壓縮。對這個主芯片的控制采用TI公司的高速定點(diǎn)DSP芯片TMS320C6201。他的內(nèi)部工作頻率為200MHz，CPU有8個并行的功能單元，每個時鐘周期內(nèi)可以并行執(zhí)行8條指令，所以用C語言編程時也能完全滿足對ADV611控制速度的要求。