数字视频编解码芯片ADV611的原理与应用

关键词： ADV611 , 编解码 , 数字视频

1 引言

人类步入网络时代以来，就一直期待着实时传输视频图像信号，而它所面临的主要问题是既要保证传输图像质量，又要尽可能少地占用有限的信道资源。由于视频图像信号的空间冗余度和时间冗余度很大，可以方便而有效地进行数据压缩，因此图像压缩技术已成为多媒体时代最热门的技术之一，它已广泛地应用在电视会议、可视电话、远程监控等远程图像传输系统中。

随着微处理技术的发展，专用的图像压缩/解压缩ASIC芯片不断出现。以前，图像压缩技术主要是基于DCT分块变换编码，这种方法的弊病是无法得到高压缩率，如果提高了压缩率，图像质量就会大大降低。小波变换是80年代中期兴起的一种图像压缩新技术，是对整幅图像进行变换，充分利用了图像整体相关性并消除了DCT编码带来的方块效应。小波级数可以在不同分辨率下逼近某一函数，实现多分辨率分解，获得很高的压缩比，已被广泛应用在视频图像压缩领域。ANALOG公司首家推出基于小波变换的实时视频压缩解压缩芯片ADV6××系列，其最新芯片是ADV611/612，其中，ADV611主要应用于室温下，而ADV612适用于工业领域，但它们的工作原理是一致的。本文就ADV611的原理和应用等问题进行阐述。

2 ADV611简介

2.1 工作原理

ADV611是AD公司推出的新一代基于小波理论的视频压缩解压缩芯片，是一种低价、单片、多功能、全数字的CMOS-VLSI器件。ADV611支持对CCIR-611数字视频进行高画质实时压缩解压缩，压缩倍数从视觉无失真感到7500倍，并能获得比较好的主观评价效果。压缩的数据率是由输入的数据率和被选择的压缩率决定的，靠与之相连接的片外DSP或主机根据当前场统计特性计算量化步长值。ADV611能获得近乎稳定的压缩比特率，片内集成了数字视频接口、主机接口和在片SRAM等，主要应用于闭路电视等。

ADV611的基本工作原理：编码时从它的数字视频接口接收未压缩的数字视频信号，经小波变换和帧抽取、系数量化、游程编码和Huffman编码，产生压缩后的数据流，送入集成于片内的512×32位大小的FIFO缓冲区，一旦FIFO的数据量达到主机在寄存器里的预置值时，ADV611就发出中断请求信号，从它与主处理器的接口输出压缩数据比特流。当解压缩时，压缩数据从主处理器接口送入到FIFO里，然后经过与编码时的逆过程，数字视频接口输出标准的数字视频分量。

ADV611共有84个数据寄存器和一系列的状态、控制字寄存器。其中，数据寄存器是片内FIFO的映射 ，用于存储经小波变换后的图像压缩数据（编码和解码过程各需要42个），以供自适应量化和熵编码进行进一步数据压缩，实现实时视频信号压缩。状态和控制字寄存器是间接寄存器，ADV611对它们进行统一编址，通过主机接口访问片内四个32位直接寄存器进行读写操作。

2.2 功能方框图  

ADV611为实现强大的压缩功能，引出了120个引脚，采用LQFP封装。图1是其内部功能方框图。  

如图1所示，整个芯片由8个功能模块组成，其中3个是接口模块，另5个是数字信号处理模块。接口模块包括数字视频输入I/O接口（Digital Video I/O Port）、主机 I/O接口(Host I/O Port)和外部DRAM存储管理器（External DRAM Manager）；5个数字信号处理模块是小波核（Wavelet Kernel）、片内变换缓冲器（On-Chip Transform Buffer）、可编程量化器（Programmable Quantizer）、游程编码器（Run Length Coder）和Huffman编码器（Huffman Coder）。

3 ADV611编解码方案的实现

作为一种通用的VLSI芯片，ADV611在设计时充分考虑到兼容性和使用的方便性。支持PHILIPS公司生产的SAA系列视频芯片、BROOKTREE公司的BT系列以及Raytheon等公司的视频芯片。ADV611既可以与微型机直接连接，也可以工作在脱机条件下。ADV611的一个典型应用如图2所示。

3.1 在微机系统中的应用

ADV611的许多优越性能能够在计算机应用系统中得到实现，如图3所示，只要附加一片 SAA7111就可实现复合视频信号的数字化、压缩和存储。ADV611与主机的接口有：32位数据总线（D0～D31）、两位地址线（ADR0、 ADR1）、片选信号/CS（通过译码器实现）、读写信号（/RD、/WR）以及具体主机跟ADV611之间的握手信号。

3.2 在脱机状态下的应用

视频图像编解码除了可以通过微机平台实现外，还可以运用以DSP为主的微处理器控制对图像的压缩解压缩。ADV611本身已集成了图像编解码的算法，利用高速DSP对图像压缩的效果进行实时调节，控制数据速率和图像数据的传输，可以方便地设计一种脱机图像系统，如图4所示。通过主机接口DSP对ADV611进行控制和BW量值计算。

  

4 结束语

如上所述，ADV611要实现7500：1的视频压缩比，其理论依据是小波变换。为了获得最大的压缩效率 ，就必须要充分掌握小波滤波器的结构和性能。此外，ADV611具有ADV601所没有的功能——区域高清晰度框的控制，可以对传输图像进行重点截取，进一步提高压缩率。在通常闭路电视或监控系统的应用中，往往并不要求视频图像的连续显示，因此可以对帧速率进行压缩，如可把帧速率降到一秒一场，这在大多数场合是允许的。下面以A/D变换后速率为167Mbit/s的NTSC数字视频信号为例，说明进行ADV611硬件压缩到速率为25kbit/s的压缩方法：

·图像的小波变换、自适应量化和Huffman编码压缩到250：1

·帧速率压缩到1 frame/s

·区域高清晰度框的尺寸小于整幅图像的1%

·背景对比度衰减18dB