图像采集与存储关键问题与解决方法 - 基于DSP的JPEG图像压缩设计

　　图像采集与存储关键问题与解决方法：

　　本设计中解码CCD摄像头的模拟视频信号是采用专用的模拟视频信号解码器SAA71113， SAA71l13视频解码器是双通道模拟预处理电路、自动钳位和增益控制电路、时钟产生电路、数字多标准解码器、亮度/对比度/饱和度控制电路、彩色空间矩阵的组合，是一款功能完善的视频处理器。SAA711l3只需要单一的3．3V电源供电，与C6713的I/O电压一致。

　　SAA7113A接收CVBS(复合视频)或S-video模拟视频输入，可以自动将PAL、SECAM、NTSC模式的彩色视频信号解码为CCIR-60l/656兼容的彩色数字分量值，器件功能通过I2C接口控制。图像采集过程可以全部在后台完成，基本上不需要CPU的干预，可以节约大量的CPU时间。但是这样设计有一个难点：由模拟视频信号解码得出的数字视频信号数据量非常大，而且由于是实时视频信号，所以数据输出速率也非常高；但是相反，DSP外部存储器接口的读出速率却比较慢。为了解决这个问题，本设计采取是高速FIFO，对数据进行暂存以缓解速度上的差异，即采用FIFO来暂存10行图像数据，视频解码器直接向FIF0中写入图像数据。当FIFO中写入了10行图像数据后，由CPLD向DSP发出中断INT4请求；同时，DSP接到中断请求后，启动DMA方式将10行图像数据从FIFO中读入到其外部RAM中存放。这样在采集的同时，DSP就可以读取已采集的10行数据，而不必等待一帧图像数据采集完成。这样提高DSP的处理效率。CPLD主要控制解码器向FIFO中写入数据以及DSP从FIFO中读出数据。

　　系统可以采集到一帧图像的尺寸为320点/行*240行，从SA71113输出的是4:2:2的YcrCb数据格式，一个像素用2个字节表示，一个字节表示Y，另一个字节为Cb和Cr，那么总的数据量为320×240×2=150KB。对于亮度信号，每个像素Y占一个字节，一行共320个字节，用320个存储单元存储一行的Y数据，对于色度信号Cb，一行共320点，每两个像素共用一个色度信号Cb，占一个字节，共160个字节，用160个字节单元存放一行的数据，对于色度信号Cr，存储格式与Cb一样。这样一帧图像数据需要的缓冲区大小为：320×240+160×240×2=150KB。对此选用了8M×32bit的SDRAM，而且选取用了具有3Mbit缓冲的FIFO。

　　三、JPEG压缩编码算法原理与实现

　　JPEG压缩编码主要由预处理、DCT变换、量化、Huffman编码等流程构成。

　　JPEG压缩编码时，需先将原始YcbCr空间的二维图像分成8×8的数据块，然后将各数据块按从左到右，从上到下的顺序分别进行DCT变换、量化、“之”字型（Zig-Zag）扫描和Huffman编码（量化和Huffman编码分别需要量化表和Huffman表的支持）。

　　DCT优化的实现

　　DCT变换的快慢决定了整个JPEG算法的速度。因此，采用了行列法来减少计算量。将8×8数据块的DCT转换为16次一维8点DCT变换，只要提高一维DCT的速度就可以提高二维DCT的速度。因此将DCT算法分成两级运算，即第一级蝶形运算，第二级乘法累加运算，减少了运算级数，这样利用DSP的专用指令乘累加运算大大优化了DCT算法。

　　四、结束语

　　本文以上述算法和流程为基础，设计以DSP的开发环境，实现JPEG的编码算法，并进行了优化。与基于ASIC的方法相比，具有通用性强、灵活高效的特点。图3为在dsp的CCS调试环境下，采用C和汇编混合编程，对采集的320*240*8位的灰度视频图像进行JPEG标准压缩后复原的图像。

　　从上面的结果可以看出，整个压缩系统基本上可以实现对视频图像压缩编码。对本算法进行适当修改，可以应用到数码相机，手机等多种嵌入式系统中。同时，该压缩系统可以通过PCI总线控制，将压缩后的码流通过JPEG文件的形式传输给PC机。另外，该压缩系统可以成为一个通用的视频图像采集压缩平台，在该平台上可以实现JPEG2000，H.263，MPEG-2等多种多媒体压缩标准。