О. Бабий, А. Володин, Е. Спинко

Видеокомпрессор на базе видеокодека ADV601

Задача сжатия изображения при сохранении высокого качества существует, пожалуй, со времён зарождения телевизионной техники. Сегодня видеоданные путешествуют по сетям TCP/IP, всё популярнее становятся распределённые системы видеонаблюдения, возрастает потребность в передаче качественного видеосигнала по обычным телефонным линиям и радиоканалам. В этой публикации рассказывается о новом подходе к задаче сжатия видеосигнала, реализованном в автономном компрессоре видеосигнала “Удав”. Видеокомпрессор сжимает Н/Ч-телевизионный сигнал в реальном времени, используя новый формат Wavelet.

Почему Wavelet?

Wavelet является новым форматом файлов изображения. С его помощью можно сжимать файлы сильнее, чем с помощью широкоизвестного формата JPEG, и с лучшим качеством. По своим характеристикам Wavelet аналогичен MPEG.

Принципиальное отличие — Wavelet не является блочным алгоритмом, он работает сразу над всем полем (полукадром). За счёт отсутствия межкадрового предсказания, помехо-устойчивость формата Wavelet выше, чем MPEG. Wavelet используется в промышленности и в военной области.
(Среди Web-ресурсов, посвящённых Wavelet, можно отметить бесплатный ежемесячник www.wavelet.org; исчерпывающую библиографию можно найти на http://www.mathsoft.com/wavelets.html; а софтверные реализации алгоритма — на http://playfair.Stanford.EDU/~wavelab).

Качество восстановленной картинки, высокая степень сжатия и помехо-устойчивость определили применение именно этого алгоритма в распределённых системах телевизионного наблюдения, для которых первоначально и проектировался “Удав”.

Почему ADV601?

Строго говоря, в видеокодере “Удав” применяется ADV601, а в видеодекодере — упрощённая модификация этого видеокодека — ADV601LC. Микросхема ADV601LC отличается пониженной стоимостью — 59 у.е. при поставках партиями от 10 шт. Функциональная особенность кодека — “бесшовное” сжатие изображения. Видеокодек обеспечивает высокий коэффициент компрессии (до 350) в сочетании с хорошим качеством восстановленного изображения. Подробное описание кодека можно быстро скачать с ftp://ftp.analog.com/pub/dsp/adv601/.

Рис. 1. Исходное изображение

Рис. 2. Изображение, сжатое в 293 раза

Высокая степень сжатия позволяет поместить видеосигнал в низкоскоростной канал связи (ISDN или телефонная линия). Реально нам удалось передать видеосигнал по обычной телефонной линии, сохраняя высокое качество картинки, на расстояние 2,5 км. Основные функциональные блоки кодека ADV601 показаны на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема видеокодека ADV601

Цифровой порт, порт ввода/вывода процессора и контроллер динамической памяти являются интерфейсными блоками для связи кодека, соответственно, с видеосигналом, процессором и внешней памятью. Остальные блоки являются вычислительными, они и осуществляют Wavelet-преобразование.

Как сжимает “Удав”?

Блок-схемы компрессии и декомпрессии сигнала показаны на рис. 4 и 5, соответственно.

Рис. 4. Сжатие сигнала

Рис. 5. Восстановление сигнала

Алгоритм работы состоит в следующем: над полукадром видеосигнала производится Wavelet-преобразование, подобно Фурье-преобразованию.

Результатом является набор частотных составляющих. Он адаптивно квантуется и сжимается кодером Хоффмана. Квантование построено на основе модели зрения человека, позволяющей выбирать оптимальные уровни квантования на основе распределения энергии и минимаксных значений пиксел в блоках, полученных из исходного изображения на выходе фильтров. Помимо кодера Хоффмана, используется и другой тип энтропийного кодера — так называемый кодер длин серий.

Степень сжатия полукадра регулируется коэффициентами квантования. Каждый полукадр сжимается независимо. Поэтому различные полукадры сжимаются c различной степенью компрессии, в зависимости от сюжета изображения, при постоянных параметрах сжатия. Для поддержания постоянной скорости выходного потока в устройстве реализована схема автоматического регулирования коэффициентов квантования (САР). В качестве параметра управления степенью сжатия используется размер, до которого должен сжиматься каждый полукадр. Эту величину называют “Target”. В зависимости от требуемой скорости выходного потока сжатого видеосигнала и качества изображения, и задаётся Target.

Алгоритм работы устройства выглядит так:

• ADV601 принимает очередное поле и сжимает его;
• САР подсчитывает полученное количество сжатого видеосигнала и сравнивает с Target;
• САР вычисляет новые коэффициенты для сжатия и загружает их в ADV601;
• следующее поле сжимается с новыми коэффициентами.

Таким образом, скорость выходного потока — переменная величина. Она меняется около заданного значения в зависимости от изменений сюжета. Поэтому задаваемая средняя скорость выходного потока должна быть ниже пропускной способности канала (по крайней мере, на 10%). Физическая же скорость потока постоянна и не зависит от количества получаемой сжатой информации. В случае, когда информации меньше, чем прокачивает канал, устройство пересылает больше служебных пакетов. В противном случае, часть кадров теряется. Визуально это выглядит как замораживание отдельных кадров.

Таблица. Технические характеристики видеокомпрессора "Удав"

АЦП Philips SAA 7111, сигнальный процессор ADSP2183 и видеокодек устанавливаются на поверхность платы методом монтажа на поверхность. Компоненты монтируются на обе стороны четырёхслойной печатной платы с технологической нормой 150 мкм (рис. 6).

Рис. 6. Расположение основных элементов видеокомпрессора

Для целей отладки и экспериментов “Удав” имеет интерфейс управления, соответствующий COM-порту. Без него получить работающее устройство было бы проблематично. “Удав” имеет цифровой вход и выход звука, параметры которых совместимы с параметрами звуковых кодеков семейства ADSP. Наличие звукового канала, как мы надеемся, позволит применять устройство не только в системах видеонаблюдения, но и в традиционных сферах телевизионной техники.

Тел.: 531 1149
E-mail: volodin@elips.compnet.ru