小波变换技术在煤矿中的应用

小波变换技术在煤矿中的应用

目前，工业视频图像的监控在当今的煤炭行业中得到了广泛应用。煤矿行业视频监控技术的发展大致经历了三个阶段：一是模拟技术主导的监控技术；在第二阶段，使用计算机的高速数据处理能力进行视频采集和数字处理，即基于hdd计算机的视频图像监控技术。第三代视频监控技术是基于视频压缩和压迫技术的全球数字视频监控技术。嵌入式远程数字视频监控技术主要以网络为依托、以计算机嵌入式处理数字视频的压缩及解压、传输、存储、播放,比传统的视频监控节省许多视频、控制信号电缆。该技术充分利用煤矿企业现有网络资源,系统拓扑结构大为简化。视频图像数字化后抗干扰能力强,特别适合矿井特殊环境,可充分利用网络资源和计算机的快速处理能力对其进行解压还原显示、分析及存储,通过视频分析可以及时发现异常情况并进行联动报警从而实现无人值守。为了实现多路数字视频信号在有限带宽的局域网中的快速传输,对数字视频信号的压缩就成为第三代视频监控技术的核心问题。1小波变换技术视频图像压缩技术已经广泛的应用于电视会议、可视电话、远程监控等远程图像传输系统。目前,国际标准化组织提出了多种国际标准(H2。6X,MPEG-X,JPEG)来实现低码率下的煤体压缩、传输及存储。但这些图像编码算法都是基于离散余弦(DCT)的,它有无法消除的方块效应(blockingeffect),压缩比高于30:1时其性能急剧衰减。小波变换(DWT)是一种图像压缩技术,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,小波变换算法在压缩比高于100:1之上时才开始平稳衰减。传统的DCT算法没有考虑人的视觉特性对编码图像的影响,而DWT具有优良的时频局部特性,能够多分辨率地描述图像,与传统的DCT编码比较,DWT编码具有高压缩比,完全消除方块效应及适应人眼视觉特性的优点,已被广泛应用在视频图像压缩领域。在小波压缩系统中,有两个至关重要的因素:(1)压缩编码算法;(2)小波滤波器。压缩编码算法主要有Shapiro的零树编码以及Said的Spiht方法和Xiong的时频量化等。在滤波器选择上一般选择正交滤波器组,除去图像像素之间的相关性。Cohen和Daubechies等人的9～7双正交小波基不仅具有良好的数学性质,还具有良好的压缩性能,与小波变换相配套的零树编码算法以其高效性被MPEG-4采纳。2adv651电路设计在图像监控领域采用小波变换算法或集成小波变换功能的芯片,使图像的质量得到大幅度的提升,并得到高效的压缩,是一种优良的解决方案。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。ADV611是一种低价、单片、多功能、全数字的CMOS-VLSI器件,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,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,主要应用于闭路电视等。可以实现以下功能:(1)精确的压缩码率控制;(2)硬件帧率设置;(3)场独立压缩;(4)8位视频接口,支持CCIR-656;(5)支持PAL和NTSC制式;(6)可编程的高质量框(QualityBox);(7)512双字FIFO主机接口;(8)压缩率可调-从视觉无损的(4:1)～最大的(7500:1);(9)CCIR-601和视频PLA/NTSC的实时压缩或解压缩;(10)集成的DRAM接口控制器。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。ADV611为实现强大的压缩功能,引出了120个引脚,采用LQFP封装。见图1。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(DigitalVideoI/OPort)、主机I/O接口和外部DRAM存储管理器(ExternalDRAMManager);5个数字信号处理模块是小波核(WaveletKernel)、片内变换缓冲器(On-ChipTransformBuffer)、可编程量化器(ProgrammableQuantizer)、游程编码器(RumLengthCoder)和Huffman编码器(HuffmanCoder)。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为核心基于小波变换的计算机应用系统设计如图2所示。ADV611的许多优越性能在数字图像监控系统中得到实现。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。ADV611本身已集成了图像编解码的算法。通过主机接口可以对ADV611进行控制和BW量值计算。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,必须要充分掌握小波滤波器的结构和性能。此外,ADV601具有ADV611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