一种新型视频图像压缩存储系统.pdf

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第3l卷第5期南京理工大学学报V0131No511堡坌!

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一种新型视频图像压缩存储系统李武森，迟泽英，陈文建（南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京210094）摘要：

为解决便携式图像设备中视频数据和附加信息的实时存取问题，研究了一种新型视频图像压缩存储系统。

以高性能单片机为核心，分别控制屏显器件、视频编解码器件、压缩解压缩器件、CF卡和CPLD视频控制器，实现了字符叠加、视频图像压缩存储以及回放等功能。

视频总线采用8位ITURBT656格式，由CPLD控制。

该系统能与多种图像观测附加设备连接，将所获得的附加信息实时自动叠加在图像上。

采用在应用编程（IAP）技术将用户参数直接存储在片上程序FLASH中，并可实时更新，省去了类似系统中必需的数据FLASH芯片。

该系统已运过调试并在工业图像撂测系统中得到了实际验证。

关键词：

视频图像；压缩；存储；解压缩；字符叠加；在应用编程中图分类号：

TN91173文章编号：

10059830（2007）05062804NewVideoCompressionandStorageSystemLIWusen，CHIZeying，CHENWen-jian（SchodofElectronicEngineeringandOptoelectronicTechnology，NUST，Nanjing210094，China）Abstract：

AnewtypeofvideocompressionandstoragesystemisstudiedforrealtimestorageofvideoandaffixedinformationThroughthecontrolling0fahigh-performancemicrocontrollertoonscreendisplaycontmller，videocoderanddecoder，videocompressordecompressor，CFcardandCPLDvideocontroUer，thefunctionofonscreendisplay。

imagecompression，storageandplayingbackisrealizedThe8bitU-RBT656formatisadoptedthesystemsvideobusandcon-trolledbyaCPLDcontrollerIteflnsupportvariousimageobservingassistantequipmentsandmixtheassociatedinformationwiththevideointimeAdoptingoftheInApplicationProgramming（IAP）technologymakestheapplicationparametersbedirectlystoredintheon-chippmgramFLASHmem-oryandbemnewedintime，thustheadditionalFLASHmemoryfortheapplicationparametersinsimilarsystemisnotnecessaryThissystemhaspassedthedebuggingandisvalidatedinal,tindus-trialimagedetectingsystemKeywords：

ddeo；compression；storage；decompression；oa一8creendisplay；inapplicationprogram收稿13期：

20050919修回日期：

20070618作者简介：

李武森（1968一），男，河南宜阳人博士，副教授，主要研究方向：

数字图像处理Email：

liwusenmailnjusteducao万方数据总第156期李武森迟泽英陈文建一种新型视频图像压缩存储系统629在家用、医学、工业、国防以及科研等领域，便携式视频图像记录系统碍到广泛应用“40。

这些系统有模拟的，也有数字的。

但它们一般只能获取并保存图像信号，并附加上诸如日期、编号等简单信息。

本文目的在于研制一种小型化的数字视频图像压缩存储系统，在保存图像的同时，还能从辅助传感器获得更多的图像附加信息，并将其实时叠加在视频图像上存储起来，使得记录的图像及其相关信息更完整，可利用价值更高。

1系统构成及其工作原理图1为本文设计的视频图像压缩存储系统框图。

由图l可见，来自辅助传感器（如温度传感器、GPS接收机、激光测距机等）的图像辅加信息通过RS232串口进入CPU模块，经过单片机转换处理后，被送往视频字符叠加模块，以字符的形式叠加在视频信号上。

含有字符信息的复合视频信号进入视频输入处理模块。

经过亮度、对比度等优化处理，被转换为册一RBT656标准数字视频信号，进入CPLD控制模块。

该模块再根据来自单片机的控制信号，决定系统执行“压缩一cF卡存储”还是“解压缩一复合模拟视频编码输出”操作。

图l视频图像压缩存储系统方框图2系统主要模块电路设计根据图1，就系统主要电路模块的设计进行详细讨论和分析。

21视频字符叠加模块该模块的主要功能是在视频信号上叠加与观察图像有关的字符信息。

整个模块由RS232电平转换器、键盘、单片机、OSD（OH-screendisplay）控制器MB90092以及字库FLASH构成。

单片机根据从键盘或RS232串口收到的信息，控制MB90092从其字库存储器中取出相应的字模。

实时叠加在相应的图像上，再以标准模拟视频信号的形式输出到视频输入处理模块。

叠加模块设计中有两个关键问题值得注意”6。

：

其一，单片机的IO口通过3根信号线（cs（片选）、SCLK（时钟）和SIN（数据）对MB90092进行控制；其二，MB90092字模结构决定了它对字库FLASH特殊的寻址方法。

MB90092字模由32x24的点阵构成。

其中每行点阵由左、中、右3个8位字节表示，说明MB90092可寻址的最小单元不是1个“点”，而是8个“点”。

寻址时，地址线ADR20一ADRl4：

ADRll一ADR5决定了寻址单元所属的字模在字库空间中的基地址，ADROADR4决定了寻址单元在字模中的行号，ADRl3一ADRl2决定了寻址单元的列位置（左、中、右）。

故对字符点阵的每一个最小寻址单位，其地址可表示为：

ADR20一ADRl4：

ADRll一ADR5：

ADR4一ADR0：

ADRl3一ADRl2，它对应于字库FLASH的AD20：

AcIo。

在设计MB90092与字库FLASH接口电路时这一点需要特别注意。

22视频输入处理模块视频输入处理模块主要由视频解码器SAA7111、单片机以及其他外围电路构成。

其主要功能是对输入的彩色视频信号进行亮度、对比度等的调整与优化，并在此基础上将其转换为ITU-RBT656的8位标准数字视频信号。

单片机的主要作用是通过12c总线协议对视频解码器SAA7111进行编程，以控制其静态增益、亮度、对比度以及输出信号格式等。

本设计选用删RBT656数字视频格式的理由有2个：

其一，它是8位宽的视频总线，相对其他16或24位总线来说节省资源；其二，它是全数字化的，代表同步信号的时序参考码被嵌入在数字视频流中，这样，在数字处理时就可准确地把同步信号解码出来，同时也简化了硬件电路的设计。

23CPLD控制模块CPLD控制模块的主要功能是：

（1）产生SRAM访问地址；

（2）根据单片机的指令，控制数字视频信号在不同的电路模块之间切换；（3）从ITURBT656标准的数字视频中提取视频同步信号，供后级使用。

本设计从减小系统体积、降低功耗和成本等方面考虑，经多次仿真验证，决定采用CPLD芯片XC95288XLPQ208。

该芯片内含288个宏单元，提供6400个可用门，168个用户万方数据南京理工大学学报第3l卷第5期IO口可以满足设计要求。

（1）SRAM访问地址的产生。

SRAM是图像暂存模块的核心。

图像压缩存储过程的数据路径为：

AD_+压缩-+sRAM暂存一单片机_+cF卡，解压缩过程的数据路径为：

CF卡一单片机一SRAM暂存一解压缩一DA。

可以看出，单片机和视频压缩解压缩芯片都需要对SRAM进行访问。

然而，它们都无法直接与SRAM接口，故设计了通过CPLD实现的地址产生逻辑，如图2所示。

图2中，P10一P13为单片机的IO口，CWE为压缩代码的输出时钟，COE为解压缩代码输入时钟，RE和WE分别为单片机的读、写使能信号。

压缩暂存控制PLO压缩输出时钟CWE解压缩暂存控制P11解压缩输出时钟COECF卡写控制P12汀卡写使能m，ECF卡读控制P13CF卡读使能RE刊SRAM地址线圈2地址产生逻辑

（2）总线切换的实现。

根据系统功能设计要求。

本系统提供直通观察、压缩一存储、解压一显示、数据输出4种工作模式。

每种模式下地址、控制、数据总线的连接方法各不相同。

具体设计时，先根据每种模式的连接要求，设计相应的VHDL模块。

再由来自单片机的控制信号，决定最终执行哪个模块。

（3）同步信号的提取与产生。

在uRBT656格式的数字视频流中，时序参考码是以行为单位均匀出现的。

每行以SAV开始，EAV结束。

二者之间为正常的图像信号或辅助码（当该行处于场消隐期间时）。

SAV及EAV都是4字节的数串，在视频数据流中统一表示成FF0（K）0XY的格式。

其中，FF0000为固定前缀，XY则包含了各种各样的同步信息。

因此，通过对视频流中连续4个字节的值进行判断，即可解析出行同步与场同步信号，以供视频压缩解压缩之用。

具体编程可通过VHDL代码来实现，此处不再赘述。

24CF卡存储模块CF卡存储模块的主要功能是存储压缩后的图像及视频。

作为一种新型高密度非易失存储器，cF卡的存储容量早已超过1G字节。

本系统对CF卡的存取是通过单片机来进行的。

设计中选取cF卡工作在TRUE|DE模式下，该模式下cF卡与单片机的接口电路可参考文献7，8。

有关cF卡文件系统的建立、文件的存储格式等，亦请参阅相关文献。

25视频压缩解压缩模块视频压缩解压缩模块的作用是将原始数字视频信号压缩，以便于在CF卡中存储；或者将来白CF卡中的压缩视频文件进行解压缩，得到数字视频后再合成标准模拟视频信号输出。

该模块的核心器件是Zoran公司的集成JPEG编解码器ZR36060。

它有3个外部接口，分别是：

（1）视频口（VIDEOPORT），输入或输出标准数字视频信号；

（2）代码口（CODEPORT），输出或输人经压缩的视频代码；（3）主机口（HOSTPORT），单片机通过该口对ZR36060的工作模式进行控制。

压缩解压缩情况下。

系统的数据流向分别如图3（a）、（b）所示。

ta）压缩（b）解压缩图3压缩殛解压缩情况下的数据流向ZR36060的代码（CODE）端无论在压缩还是解压缩模式下均应设为主（master）模式，此时它对SRAM的读、写信号CWE和COE都由CODE端发出。

而视频（VIDEO）端则不然，压缩时应设为从（slave）模式，此时其同步信号必须直接来自SAA7111的同步输出（ZR36060不能识别ITuRBT656数据中的内嵌时序码）；解压缩时应设为主（master）模式，此时ADVTl70合成模拟视频时，所需的行场同步信号则由ZR36060产生9”】。

26视频编码模块视频编码模块的主要功能是将直接来自视频编码器或由ZR36060解压缩后的8位ITUR万方数据总第156期李武森迟泽英陈文建一种新型视频图像压缩存储系统631BT656标准数字视频信号重新合成为标准模拟视频信号输出，以供在模拟监视器上现场显示。

它由数字视频编码器ADV7170及单片机构成，其中单片机的主要功能是通过12C总线对ADV7170编程，以规定输入和输出视频的格式。

在进行该模块电路设计时需注意2点：

一是ADwl70视频合成的时钟CLOCK直接来自于视频解码器SAA7111的LLC信号（27MHz）；二是ADVTl70视频输入端也有主从模式之分（当视频合成的同步信号由它自己产生时为主模式，来自外部时为从模式）。

本系统中，视频合成时的同步信号都不需要由ADVTl70产生，故设它的输入端为从模式。

当直接转换来自sAA7111的删一RBT656数字视频时，利用其数据中内嵌的同步码；当接受来自ZR36060的解压缩视频时，同步信号则来自ZR36060的VIDEO端。

27单片机模块图1所示的单片机模块主要由高性能单片机AT89C51SNDlC及其周边器件构成，其功能主要是控制整个系统按照预定的要求正常工作，它包括：

（1）接收用户输入的键盘信息，并通过对主要芯片的编程来控制系统的运行模式；

（2）通过H5232接口接收辅助传感器如温度传感器、激光测距机、GPS等的数据，并将其实时叠加在图像上；（3）通过USB接口对存储在CF卡中的图像数据进行解压显示，或对系统进行ISP（insystemprogramming）编程；（4）保存并实时更新用户参数。

需要特别说明的是，设计中由于充分利用了AT89C51SNDlC的在应用编程（IAP）能力”“。

使得系统可将用户参数如图像对比度、亮度的设置以及辅助传感器所获的图像附加信息等，直接保存在单片机内部的程序FLASH中，并可实时进行刷新，省掉了串行或并行数据FLASH存储器，从而进一步降低了系统的体积和功耗。

3实验结果及结论实际调试过程中，利用GPS接收机作为图像探测辅助设备。

结果表明，本文所述系统能够按照预先设定的程序，将来自GPS接收机的有关地理坐标信息如经度、纬度、海拔高度以及当时的时间等，实时地叠加在所拍摄的视频上。

经过字符叠加一数字化一压缩一存储等过程所获得的图像和视频文件，无论是通过Pc播放，还是经过系统自身的解压缩一模拟视频合成以后在LCD显示屏上回放，都能得到清晰的图像和文字。

说明无论是字符叠加过程还是压缩解压缩过程，都没有对图像的质量造成大的影响。

该系统已通过调试，并在工业图像探测设备中得到了实际验证。

综上所述，本文设计的新型视频图像压缩存储系统。

不仅实现了图像和视频的压缩、存储以及解压、回放等功能，还能与多种支持RS232接口的图像观测附加设备连接，并将相关附加信息实时与图像叠加。

整个系统体积小、控制灵活，适应于工业、医学和野外科学考察等需要便携式图像获取设备的领域和场所。

参考文献：

1袁宇望卢亮实时图像压缩存储系统的发展和应用J光电子技术，2005，25

（2）：

1131162周新建，张国进，高攀，等基于双DSP的雷场侦察图像实时压缩及存储方法研究J】国外电子元器件，2006（7）：

38一柏3陈客保，余辉具有图像记忆功能的汽车黑匣子的研究和设计J微电子学与计算机，2006，23（6）：

56584蒋网峰，杨艳红基于ARM处理器和cF卡的动态心电监护系统J电子测量与仪器学报，2006，20（3）：

7174，79【5FujicorporationOni-=1eendisplaycontroUerM890092zI（a“蜡wa：

FujiL“ted，20026李锡瑞，吕建平基于MBgO（02型专用字符叠加电路的视频监控系统的设计与实现J国外电子元器件，2006

（1）：

坞一217（hlpactFlashAssociationCF+andCompactFlashSpecificationRe商on20Z】，Pal0Alt0：

CompaetFlashAssociation，20038桂峰，周涛，施春荣cF卡大容量存储系统J】雷达与对抗。

2004

（1）：

59629】ZorancorporationZR36060IntegratedJPEGdecZSunnyVale：

Zorancorporation。

199810陈晓敏王学进JPEG编解码芯片ZR36060在远程视频监视系统中的应用J】电子技术应用，2000（12）：

656711AtmelCorporationsi出一chipflashmicrocontrollerwithMP3dod盯andhumanimedaceAT89C51SNDICzSanJ啦。

：

AtmelCoqootmion2003万方数据一种新型视频图像压缩存储系统一种新型视频图像压缩存储系统作者：

李武森，迟泽英，陈文建，LIWu-sen，CHIZe-ying，CHENWen-jian作者单位：

南京理工大学,电子工程与光电技术学院,江苏,南京,210094刊名：

南京理工大学学报（自然科学版）英文刊名：

JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY年，卷（期）：

2007,31（5）参考文献（11条）参考文献（11条）1.袁宇望.卢亮实时图像压缩存储系统的发展和应用期刊论文-光电子技术2005（02）2.周新建.张国进.高攀基于双DSP的雷场侦察图像实时压缩及存储方法研究期刊论文-国外电子元器件2006（07）3.陈容保.余辉具有图像记忆功能的汽车黑匣子的研究和设计期刊论文-微电子学与计算机2006（06）4.蒋阅峰.杨艳红基于ARM处理器和CF卡的动态心电监护系统期刊论文-电子测量与仪器学报2006（03）5.FujicorporationOn-screendisplaycontrollerMB9009220026.李锡瑞.吕建平基于MB90092型专用字符叠加电路的视频监控系统的设计与实现期刊论文-国外电子元器件2006（01）7.CompactFlashAssociationCF+andCompactFlashSpecificationRevision2.020038.桂峰.周涛.施春荣CF卡大容量存储系统期刊论文-雷达与对抗2004（01）9.ZorancorporationZR36060IntegratedJPEGcodec199810.陈晓敏.王学进JPEG编解码芯片ZR36060在远程视频监视系统中的应用期刊论文-电子技术应用2000（12）11.AtmelCorporationSigle-chipflashmicrocontrollerwithMP3decoderandhunaninterfaceAT89C51SND1C2003本文链接：

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