Глава 11. ВИДЕОКОДЕКИ СЕМЕЙСТВА ADV6XX ПРОИЗВОДСТВА ФИРМЫ ANALOG DEVICES

В настоящей главе описаны микросхемы ADV6xx, разработанные фирмой Analog Devices и предназначенные для сжатия и восстановления видео в реальном масштабе времени. Семейство к настоящему времени включает в себя четыре микросхемы: ADV601, ADV601LC, ADV611, ADV612. Различия между микросхемами приведены в табл. 11.1.

Таблица 11.1. Характеристики видеокодеков (см. скан)

Все микросхемы являются однокристальными дешевыми устройствами, позволяющими достигать высоких степеней сжатия видео при сохранении достаточно высокого качества изображения. В данных микросхемах впервые применено вейвлет-преобразование изображения. Алгоритмы, используемые

в этих микросхемах, примерно одинаковы. Поэтому в дальнейшем описывается микросхема ADV 601.

11.1. Принципы работы ADV601

Вейвлет-преобразование в данной микросхеме осуществляется фильтрацией изображения в вертикальном и горизонтальном направлениях при помощи биортогональной пары фильтров 9/7, описанных в главе 4.

ADV601 работает в двух основных режимах: без потерь качества изображения (коэффициент сжатия 4:1) и с допустимыми потерями качества (коэффициент сжатия достигает 350:1). Данный кодек поддерживает все форматы изображения с черезстрочной разверткой.

На рис. 11.1 показана структура ADV601. Алгоритм сжатия ADV601 основан на применении биортогонального вейвлет-преобразования, после чего выполняется квантование коэффициентов и энтропийное кодирование.

Все три компоненты цветного видеосигнала независимо друг от друга подвергаются двумерной фильтрации и децимации в два раза на каждом шаге разложения. Всего получается 42 новых изображения (по 14 для каждой компоненты). Каждое из этих изображений несет в себе определенную информацию об исходном изображении. В результате такого преобразования никакого сжатия еще не достигнуто, число пикселов в этих 14 блоках равно числу пикселов в исходном изображении. Но теперь возможны следующие варианты: 1) применить сжатие почти без потерь; 2) применить сжатие с потерями при ограничениях на качество или на скорость передачи; 3) создать высококачественные отмасштабированные изображения без каких-либо дополнительных вычислений; 4) создать помехоустойчивый сжатый поток бит, так как каждый блок несет в себе информацию о всем изображении.

Рис.11.1. Структура ADV601

(см. скан)

Рис. 11.2. Сжатие изображения в режиме почти без потерь

На рис. 11.2 показана схема использования ADV601 в режиме сжатия почти без потерь. 42 блока кодируются двумя типами энтропийных кодеров. Коэффициент сжатия зависит от степени сложности, высокочастотности исходного изображения. Для типичного видео сигнала он находится в диапазоне от 2:1 до 5:1, таким образом, скорость цифрового потока будет «плавать» в значительных пределах.

На рис. 11.3 показана схема использования ADV601 в режиме сжатия с допустимыми потерями. После преобразования изображения из 42 блоков извлекается ряд статистик: сумма квадратов (энергия), минимальное и максимальное значения пиксела для каждого блока. Эта информация учитывается в квантователе, построенном в соответствии с моделью зрения человека. Квантователь на основе этих данных и требуемой пользователем скорости цифрового потока вычисляет 42 величины для каждого блока, которые могут рассматриваться как бюджет точности на блок. Вычисление этих величин должен выполнять хост-компьютер или внешний DSP, в ADV601 оно не производится.

(см. скан)

Рис. 11.3. Сжатие изображения в режиме с потерями

За счет правильного распределения бюджета бит для различных блоков, в соответствии со моделью зрения человека, и достигается высокая степень сжатия - до 350:1 (в видеокодеках ADV611 и ADV612 сжатие видеопотока может достигать до 7500:1). Конечно, качество при столь сильном сжатии не очень хорошее, однако достаточное для таких приложений, как наблюдение или идентификация.

При больших коэффициентах сжатия проявляются искажения в виде высокочастотного шума и некоторого размытия деталей. Человеческий глаз, сам, по сути, являясь полосовым фильтром, не критичен к подобным искажениям. Блочные искажения, появляющиеся в JPEG и MPEG, гораздо более заметны.

11.2. Использование микросхемы ADV601

На рис. 11.4 представлена блок-диаграмма ADV601. Видеоинтерфейс ADV601 разработан для работы со всеми популярными аналоговыми кодеками фирм Analog Devices, Philips, Brooktree, Raytheon. Интерфейс с внешней памятью поддерживает использование динамического ОЗУ 256К х 16.

(кликните для просмотра скана)

Хост - интерфейс может быть сконфигурирован, как 8-, 16- или 32-битный. Он также имеет 512х32-битный стек для равномерной передачи сжатого видео. Хост - интерфейс может быть подсоединен к шинам компьютера (как PCI, так и ISA), а также к высокоскоростным цифровым абонентским линиям (HDSL, ADSL).

С микросхемой поставляется драйвер для Windows, позволяющий рассчитывать бюджет бит для каждого блока. Также имеется PCI- плата для Windows95, позволяющая оценивать качество сжатого видеосигнала.

ADV601 может также использоваться как отдельное устройство, при наличии дополнительного ЦПОС для расчета бюджета бит. Микросхема имеет последовательный интерфейс для подключения процессоров типа ADSP21xx.

ADV601JS, размещенная в корпусе со 160 выводами, работает в диапазоне температур от 0 до .

С ADV601 поставляется программное обеспечение (Feature Software Library) и подробная документация к нему. Оно позволяет перепрограммировать микросхему, например для достижения еще больших коэффициентов сжатия. Рассмотрим этот вопрос подробнее. В ADV601 применен алгоритм сжатия без учета межкадровой корреляции. Программное обеспечение, поставляемое с платой, позволяет применить межкадровое кодирование. Для этого возможны два пути:

1) система человеческого зрения более чувствительна к движению в низкочастотных областях, чем в высокочастотных. Для достижения высокого сжатия можно не передавать какое-то время изменение изображения в высокочастотных областях. В этом случае декодер будет «подставлять» вместо текущего предыдущий кадр;

2) существуют приложения, где в видеосигнале движение практически всегда отсутствует. (Например, сюда можно отнести системы видеонаблюдения на объектах, где нет людей). Тогда изображение необходимо обновлять достаточно редко либо при обнаружении движения. Субполосы вейвлет-декомпозиции можно использовать для обнаружения наличия движения в кадре и, таким образом, достигать высоких коэффициентов сжатия.

Применение ADV601 не ограничивается только сжатием видео. Например, ее можно использовать для масштабирования изображений. Так как микросхема включает в себя дециматоры, интерполяторы и блоки фильтров, масштабированные изображения получаются намного более высокого качества, чем полученные путем простого отбрасывания пикселов. Масштабирование видео имеет важное значение для его редактирования, а также передачи по каналам с различной скоростью или гетерогенным сетям связи. Кроме того, фирма Analog Devices разработала программный симулятор микросхемы ADV601. В зависимости от производительности процессора компьютера этот симулятор может производить декодирование сжатого изображения с той или иной степенью уменьшения в реальном масштабе времени.

фильтрация изображений. Имеющийся квантователь способен удалить из видеокадра все или некоторые блоки, соответствующие сигналам яркости и цветоразностным. Это может быть применено для повышения контрастности изображения, ослабления или усиления насыщенности цвета и т.д.

Важным различием видеокодеков ADV611 и ADV612 является наличие режима выделения в кадре прямоугольного фрагмента произвольного размера. При этом изображение внутри фрагмента декодируется с максимально высоким качеством, а остальная часть кадра - с пониженным разрешением.

В настоящее время разработаны платы кодирования и обработки видео для персональных компьютеров на базе микросхемы ADV601. Цена подобных плат зависит от производителя и находится в пределах 1000 долларов.

С микросхемой ADV601, работающей в автономном режиме или совместно с ПК, могут быть использованы следующие микросхемы фирмы Analog Devices:

ADV7175 - цифровой конвертер сигнала в композитный сигнал;

- аналоговый преобразователь сигнала в аналоговый композитный сигнал;

- аудиокодек, синхронизированный с видеопоследовательностью;

- семейство цифровых процессоров обработки сигнала;

- семейство операционных видеоусилителей.

В заключение авторы хотели бы выразить глубокую признательность фирме за любезно предоставленную информацию о видеокодеках семейства Более подробную информацию о данной микросхеме и о многих других микросхемах вы можете получить у представителей этой фирмы в Санкт-Петербурге или на сайте фирмы Analog Devices : http://www.analog.com