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ADV212编解码芯片原理及应用

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ADV212编解码芯片原理及应用

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总第 167期 2008年第 5期 舰船电子工程 Ship E lectronic Eng inee ring V o .l 28 N o. 5 10 6 ADV 212编解码芯片原理及应用* 王 丹 杨允基 (武汉数字工程研究所 武汉 430074) 摘 要 ADV 212是美国 AD 公司推出的一款用于视频和高带宽静止图像压缩的单片 JPEG 2000编 解码芯片。介 绍了 ADV 212的主要特点及功能, 并给出了 ADV 212的几种典型应用电路。 关键词 JPEG 2000; ADV 212; 编解码 中图分类号 TN 762 ADV 212: Princip le and Application o f JPEG2000 Codec W ang Dan Y ang Y un ji (W uhan D ig ital Eng ineer ing Institute, W uhan 430074) Abstract T he ADV 212 is a sing le- chip JPEG 2000 codec o f A na log D ev ice s Inc targe ted fo r v ideo and high- bandw id th im age com pre ssio n app licatio ns. The features and func tion o f ADV 212 are introduced, and the typ ica l app lica tions o f ADV 212 a re a lso d iscussed. Key w ords JPEG 2000, A DV 212, enco de, decode C lass Num be r TN 762 1 引言 国际标准化组织 ISO 和国际电信联盟 ITU 于 2000年 12月正式推出了 JPEG 2000[ 1 ~ 2 ] 标准, 该标 准采用以离散小波变换为主的多解析编码方法, 具 有许多优良的特性, 然而由于缺乏芯片的支持, 一 直未获得广泛的应用。 ADV212是美国 AD 公司 2006年推出的一款 用于视频和高带宽静止图像压缩的单片 JPEG2000 ( ISO / IEC15444- 1图像压缩标准 ) 编解码芯片, 它 能实现 JPEG2000图像 压缩必需的高 强度计算同 时产生适用于大多数应用的码流。根据不同的应 用要求, ADV212能提供不同级的 JPEG2000压缩, 可 提 供 原 始 的 编 码 模 块 和 特 征 数 据 输 出, 而 JPEG 200 0编 码流 的产 生和 其它 诸如 比特 率 控制 等 的压缩过程则完全由主机软件来控制。 ADV212与 2004年推出的 ADV 202在功能上 大致相同, 除了 ADV212有个额外提供给边界扫描 描述语言 ( BSDL ) 的 JTAG 接 口。 ADV 212功耗比 ADV 202少至多 50% [ 3] 。 2 芯片介绍 2. 1 主要特点 1) 视频 和静止图像的完全 单 JPEG2000压缩 和解压缩解决方案, 不需任何外部存储器; 2) 专利的空间效率回归滤波 ( SURF ) 技术, 具 有低功耗和低成本小波压缩; 3) 支持 9 / 7和 5 / 3小波变换, 这种变换最高可 达 6级; 4) 使用 5 / 3小波可编程图块 /图像尺寸在 3分 量 4: 2: 2隔行扫描中的宽度可达 2048像素, 单分 量模式中的宽度可达 4096像素, 最大图块 /图像高 度为 4096像素。对于 9 /7小波上述各值均为 5 / 3 小波的一半; 5) 视 频 接 口 直 接 支 持 ITU. R - BT656, SM PTE 125M PAL /NT SC, SM PTE274M, SMPTE 293M * 收稿日期: 2008年 1月 3日, 修回日期: 2008年 2月 18日 作者简介: 王丹, 女, 硕士研究生, 研究方向: 图形图像显示与信号处理。杨允基, 男, 研究员, 研究方向: 雷达视频处理。 2008年第 5期 舰船电子工 程 10 7 ( 525p) , ITU. R - BT1358( 625p) , 以及不可逆模式 最大输入速度为 65M sps、可逆模式最大输入速度 为 40M sps的任何视频格式。两个或多个 ADV212 能 组 合 满 帧 SMPTE274M HDTV ( 1080 i ) 或 SMPTE296M ( 720p) ; 6) 能暂时隔行粘贴 SD视频源帧以改善质量; 7) 灵活异步 SRAM 类型主机接口能无缝连接 到大多数 16 /32位微控制器和 ASIC; 8) I/O电压 2. 5V 到 3. 3V, 核工作电压 1. 5V; 9) 速率为 115MH z的产品采用 12mm @ 12mm 121引脚 CSPBGA 封装, 速率为 150MH z产品采用 13mm @ 13mm 144引脚封装。 2. 2 功能描述 图 1 ADV 212功能框图 ADV212的内部功能框图如图 1所示, 输入的 视频或图像数据进入视频接口后经过解交错传输 到小波变换引擎中。在小波引擎中, 每帧图像或每 个图块通过 5 / 3或 9 /7滤波器分解成许多子带, 生 成的小波系数写入内部寄存器中。熵编码器将图 像数据编 码为符合 JPEG2000 标准的数据。内部 DMA 引擎提供存储器之间的高带宽传输以及各模 块和存储器之间的 高性能传输。内部 F IFO 提供 像素数据、码流数据和特征数据的存储空间, 既可 由外部主机通过标准地址读写周期直接访问, 也可 以采用 DREQ /DACK 协议通过 DMA 方式访问或 专用硬件握手机制访问。主机接口提供 16 / 32位 的控制总线和 8 /16 / 32位的数据传输总线, 用于对 内部寄存器的配置、控制和状态传递以及压缩数据 流的传输 [ 4] 。 2. 2. 1 小波变换引擎 由于 ADV212内含基于 AD 专利 SURF 技术的 专用小波变换处理器, 因此它可以对一个图块进行 高达 6级的小波分解。在编码方式中, 小波变换处 理器将对未压缩的采样值进行小波变换和量化, 然 后将所有频率子带的小波系数写到内部存储器中。 这些子带进一步分解成大小由用户定义的编码块, 每个编码块在熵编码器中进行编码。在解码方式 中, 小波系数从内部存储器中读出, 以用来重构未 压缩时的采样值。 2. 2. 2 熵编解码器 熵编解码器用来对小波系数的编码块进行上 下文建模和算术编码, 同时可计算在压 缩过程中 获取最优 率失真 所必 需的失 真度。由 于熵 编码 过程在 JPEG2000压 缩过程 中对计 算要 求最 高, 因此, ADV212内部提 供了三 个专用 的硬件 熵编 解码器。 2. 2. 3 嵌入式处理器 ADV212内嵌了一个 32 位的 R ISC 处理器, 可 用来配置、控制和管理其它专用硬件模块以及分解 和产生 JPEG2000视频流。 2. 2. 4 存储器系统 存储器系统的主要功能是管理小波系数、暂时 存放编码块的特征数据 以及为产生、分解及存储 JPEG2000码流提供临时工作空间, 另外还可用作 嵌入式处理器的程序和数据存储器。 2. 2. 5 内部 DMA 引擎 内部 DMA 引擎可 提供存储器之间的高带宽 传输及各模块和存储器之间的高性能传输, 这对于 码流的分解和高速率数据的产生尤为重要。 2. 2. 6 可配置 F IFO模块 内部 F IFO 用来给像素 数据、编码流、特征数 据提供存储空间。它可以由主机接口在通常地址 的读写周期中直接访问, 也可以由外部主机 DMA 利用 DREQ /DACK 协议或专用硬件的握手机制来 访问。每个 F IFO 都有一个可编程 的门限值用来 产生中断。 2. 2. 7 视频和主机接口 ADV212有两种输入接口, 像素接口和主机接 口。当视频序列从像素接口输入时, 表示输入数据 的时钟确定, 能直接将数据送入小波变换模块, 进 行小波变换, 如从标清视频解码器输出数字视频数 据; 如果从主机接口输入, 则输入数据的速率与系 统时 钟 不匹 配, 需 先 送 入 像 素 F IFO, 系 统通 过 F IFO 的读写来匹配系统时钟, 将 F IFO 读出的数据 送入小波变换模块进行小波变换。然后进行 EBCOT 量 化 编 码, 最 后 由 R ISC 将 编 码 流 打 包 成 JPEG2000编码流或者 JPEG2000的 JP2文件格式, 最后打包的码流送入编码流 F IFO。外部设备通过 主机接口访问编码流 F IFO 得到 JPEG2000压缩码 10 8 王 丹等: ADV 212编解码芯片原理及应用 总第 167期 流。ADV212作 为解 码器时, 则 像素 接口 和 像素 F IFO 作为 输出, 编码 流 F IFO 接 收 JPEG2000 编 码流。 设计人员可以同时使用 VDATA 总线和 HDATA 总线或 单独使用 HDATA 总 线来配置 ADV212 接口的多种模式。 1) 视频接口 ( VDATA总线 ) 视频接口用于未压缩像素数据和压缩数据分 离的场合。例如在 ADV212编码 模式下, VDATA 总线上有 8或 10 位数字视频输入, 通常该视频来 源于一个将模拟信号转换位数字信号的视频译码 器 ( 例如 ADV7189B) 。当使用 VDATA 接口时, 通 过 HDATA 总线输出压缩后的数据。 一个解码模 式的 典型 应用 是使 用处 理 器或 DMA 写入用 HDATA 总 线输入 的压 缩 JPEG2000 流, 解码后再驱动含 VDATA 总线的视频 编码器。 该视频编码器 ( 如 ADV7301A ) 可将数字视频转换 为模拟信号。 视频接口支持 8、10、12位单一格式或 YCrCb 格式的视频和静止图像数据的输入输出, 但 YCrCb 数据必须是 4: 2: 2格式。 VDATA 总线可支持多种格式视频数据的输入 输出: EAV / SAV模 式: ADV212 支持 CCIR656 视频 格式, 该模式使用视频流中的 EAV / SAV 嵌入式时 间码, 由用户在固件中设置参数。 HVF 模 式: ADV212 也 可 支 持 H SYNC, VSYNC, F IELD独立的视频信号, 该模式由用户在 固件中设置参数。 原始视频模式: 该模式应用于静止图片数据和 非标准视频。视频帧, 视频选通脉冲用于转换主机 接口与像素接口间的像素数据。该模式下, 像素接 口可支持 16位图像块数据。 2) 主机接口 ( HDATA 总线 ) ADV212可以通 过异步 SRAM 方 式、DMA 访 问方式或码流方式直接和大多数 16、32位主机处 理器及 ASIC 相连接。 ADV212 提供有 16 位和 32 位控制总线及 8、16和 32位数据传输总线。控制 总线和数据总线带宽是独立指定的, 所以 ADV212 可支持控制总线和数据总线不同带宽的要求。主 机接口用于配置、控制状态功能以及传输压缩后的 数据流, 在某些模式中还可用作未压缩数据流的传 输。主机接口可由控制和状态通信, 未压缩数据输 入和压缩数据输出, 或压缩数据输入和未压缩数据 输出所共享。这些数据流可包括: 未压缩图块数据 ( 例如静止图像数据 ) 、完全编码 JPEG2000码流或 未编码码块和码块属性。 输入主机接口的像素数据支持 8、10、12、14和 16位原始 像素数据。它可 用作编 码模式 中像素 ( 静止图像 ) 的输入或压缩数据的输出, 也可用作 解码模式中压缩数据的输入或像素数据的输出。 主机接口为系统的特殊要求提供若干 HDATA 总线配置。在缺省总线模式下, 使用相同的 H DATA 引脚在主 机与 ADV212 之间传 递数据 和控制 信息。 ADV212支持 16或 32位控制信 息传输和 8、 16或 32位数据传输。控制和数据总线大小可由 写入寄存器的数据总线大小单独确定, 这就允许一 台 16位微控器向 ASIC 或外部存储器提供 32位数 据传输时配置和控制 ADV212。 2. 2. 8 外部 DMA 接口 外 部 DMA 接 口 允 许 外 部 DMA 控 制 与 ADV212数据 F IFO间进行高带宽数据输入 /输出, 提供两个独立的 DMA 通道, 每个均可分配给任何 数据 F IFO (像素、编码或特征 F IFO) 。控制器在单 一存取模式或多存取模式中使用 DREQ /DACK (数 据请求 /数据应答 )协议可支持异步 DMA。附加功 能在 F ly - By模式和专用芯片选择 ( DCS) 模式中 提供。 3 典型应用 单片 ADV212可在编码或解码模式中使用, 由 用户安装的固件决定。单片 ADV212 不能从编码 模式变换到解码模式, 除非有新的固件装入芯片, 同时芯片进行复位和重新配置进程。 3. 1 多片编码模式 有效 视 频 转 化 的 输 入 数 据 速 率 近 似 为 124M bps。ADV212在不可逆模式下数据输入速率 最大达 65M bps, 可逆模式下达 32M bps。这说明一个 1080 i视频信号的应用系统至少需要 2片 ADV212。 图 2所示为其编码模式, Y 数据和 CbC r数据通过不 同的总线输入到 ADV212: ADV212_1处理 1080i视 频的亮度数据, ADV212_2处理 1080 i视频的色度数 据。为了对此应用模式下的输出数据进行同步, 其 输入视频流必须是 EAV / SAV 格式。 多片模式可用于主 /从或从 /从配置中的解码 模式, 在编 码模式 中, ADV212通 常用 作从 设备。 为了获取更高 性能, 例如 1080 i视频的无损压缩, 选用 3片或更多的 ADV 212来处理信号 [ 5] 。 2008年第 5期 舰船电子工 程 10 9 图 2 ADV 212用于多片编码模式 3. 2 H IP I( 主机接口 - 像素接口 )编码模式 据写到像素 F IFO 中, 而 DMA通道 1用来读出压缩 数据。DREQ0 /DACK0用来 控制通道 0的读写过 程, 而 DREQ1 /DACK 1用来控 制通道 1 的读写过 程。在解码模式中使用同样的协议, 只是 DMA 通 道 0用来输出像素数据而通道 1用来输入压缩数 据 [ 6] 。 参考文献 图 3 ADV 212用于 H IP I编码模式 ADV212允许通过 HDATA 总线来输入输出视 频和静止图像, 而不用 VDATA 总线提供的专用视 频接口, 这种 模 式称 作 H IP I 模式。图 3 所示 为 ADV212用于 H IP I编 码模式的电路连接, 像素数 据由 H DATA 1[ 31: 0] 输入。 DMA 通道 0将像素数 [ 1] M. W. M arce llin, M. G orm ish, A. B ilg in et a.l An overv iew o f JPEG 2000[ C ]. IEEE D ata Compression Con.f , Snowb ird, UT, 2000: 523~ 541 [ 2 ] A thanassions Skodras, Char ilao s Chr istopoulos, T ouradj Eb rahim .i T he JPEG2000 Still Im age Compress ion Standa rd[ J]. IEEE S ignal Processing M agazine, 2001 [ 3] A DV 212 JPEG 2000 V ideo Codec D ata Sheet R ev. 0[ Z]. A na log D ev ices Inc, 2006 [ 4] A DV 212 JPEG2000 V ideo Processo r U ser. s Gu ide R ev-i sion 1. 1[ Z] . A nalog D ev ices Inc, 2006 [ 5] AN - 796 A pp lication N o te R ev. 0 [ Z ] . A nalog D ev ices In c [ 6] ADV 202 H IP I m ode, R ev0. 3 [ Z ]. A nalog D ev ices Inc, 2 004

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