廣電安防監(jiān)控系統(tǒng)中視頻編解碼卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：廣播電視臺(tái)(站)是國(guó)家的要害部門，具有較高的安全防范級(jí)別。視頻監(jiān)控是其中重要的技術(shù)保障手段。本文主要介紹一種視頻監(jiān)控系統(tǒng)中核心部件基于MPEG-4視頻編解碼卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵字：廣播電視臺(tái)；視頻監(jiān)控；編解碼卡

0 前言
    廣播電視系統(tǒng)的正常運(yùn)行，節(jié)目的安全播出，需要高級(jí)別的安全防范體系。為保障廣播電視機(jī)構(gòu)的安全，公安部特別頒發(fā)了《廣播電視設(shè)施保護(hù)條例》、 《廣播電影電視系統(tǒng)重點(diǎn)場(chǎng)所要害部位的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和安全防保級(jí)別》等文件，根據(jù)其設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)防范級(jí)別同時(shí)結(jié)合各單位的實(shí)際情況，制定自己的廣播電視監(jiān)控系統(tǒng)。廣電中心大樓是廣播電視的制作、編輯、播出的基地，工作區(qū)一般定為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)單位，需在大樓工作區(qū)建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)各臺(tái)為實(shí)現(xiàn)總控對(duì)各直播間、導(dǎo)播間、機(jī)房的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也都建立自己的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本文主要介紹一種視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的核心部件一視頻編解碼卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
    MPEG-4是現(xiàn)在最重要、最有影響的多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一。目前新興的基于嵌入式技術(shù)的MPEG-4多媒體監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)相比具有體積小、現(xiàn)場(chǎng)無需專人值守、成本低、穩(wěn)定性高、實(shí)時(shí)性好、更適宜存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。因此我們基于MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)視頻編解碼卡。實(shí)現(xiàn)MPEG-4圖像算法的ASIC專用芯片具有成本較低、功耗小、穩(wěn)定性高、圖像清晰、擴(kuò)展性能好、安全性高的特點(diǎn)。我們采用的是VW2010。

1 MPEG-4編碼卡的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
    編碼卡的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括音視頻A／D、壓縮芯片VW2010及其所需SDRAM，以及電源時(shí)鐘等模塊。

    由于VW2010的音視頻的輸入和輸出都是數(shù)字格式，其中視頻的輸入輸出為ITU-R BT．656格式，音頻的輸入輸出為I2S格式。因此需要對(duì)音視頻模擬輸入信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并形成I2S格式音頻數(shù)據(jù)、ITU-R BT．656格式視頻數(shù)據(jù)，作為VW2010的輸入數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行編碼。故還需要選一些外圍芯片和VW2010配合，完成整個(gè)編碼過程。

    編碼卡的系統(tǒng)框圖如圖1所示，PCB圖如圖2所示。VW2010作為該系統(tǒng)的核心，通過PCI總線和主機(jī)連接，主要接收從主機(jī)送來的對(duì)VW2010的初始配置數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)控制信息，同時(shí)VW2010壓縮后的MPEG-4視頻流、音頻流也通過PCI總線送到主機(jī)。VW2010通過I2C總線控制各個(gè)音視頻A／D，對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化配置。
    模擬音頻和視頻信號(hào)經(jīng)音視頻A／D采樣編碼后，音頻信號(hào)成為I2S格式的數(shù)據(jù)進(jìn)入VW2010，視頻信號(hào)成為8位并行的ITU-R BT．656格式的數(shù)據(jù)進(jìn)入VW2010，VW2010根據(jù)編程設(shè)定從主機(jī)傳來的編碼格式和工作方式對(duì)音視頻進(jìn)行同步并壓縮后得到MPEG-4數(shù)據(jù)送到主機(jī)。除了MPEG-4編碼芯片VW2010外，在設(shè)計(jì)中還必須選定視頻A／D芯片、音頻A／D芯片、內(nèi)存SDRAM芯片、電源芯片、電阻電容等分離元件等。
    視頻A／D芯片：選用Philips的SAA7115，該芯片有6路模擬視頻信號(hào)輸入(如6路復(fù)合視頻或者2路S端子和2個(gè)復(fù)合視頻，1個(gè)S端子4個(gè)復(fù)合視頻輸入)，兩個(gè)9位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入視頻信號(hào)的選擇可通過I2C,總線對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。可對(duì)各種PAL信號(hào)和NTSC、SECAM信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并模數(shù)轉(zhuǎn)換解碼為ITU-RBT．60l、ITU-R BT．656格式的視頻數(shù)據(jù)。為了對(duì)復(fù)合視頻信號(hào)亮度和色度進(jìn)行更好的分離，芯片具有自適應(yīng)梳狀濾波器。還可解碼視頻VBI數(shù)據(jù)。它是一款相對(duì)中高端的視頻A／D芯片。
    音頻A／D芯片：音頻A／D芯片選用Philips的UDAl342TS，該芯片具有4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和2通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。具有低電壓和低功耗的特點(diǎn)，支持24位I2S數(shù)據(jù)格式，可通過I2C總線對(duì)其進(jìn)行控制。雖然該芯片同時(shí)具有A／D和D／A功能，但是當(dāng)A／D和D／A同時(shí)工作時(shí)，音頻采樣率必須相同，由于這個(gè)原因，本設(shè)計(jì)只用了它的A／D：功能，而D／A則選用CS4331-KS。該芯片是一個(gè)完全的立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入I2S格式的音頻數(shù)據(jù)，輸出左右立體聲，具有96dB的動(dòng)態(tài)范圍、24位轉(zhuǎn)換、5V電源供電、封裝小，僅有8個(gè)管腳。
    內(nèi)存芯片：VW2010在進(jìn)行編解碼的時(shí)候，需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，因此編解碼時(shí)各需要4～8MB內(nèi)存。本設(shè)計(jì)選用MT48LC2M3282芯片。
    電源芯片：此系統(tǒng)中需要用到3．3V和1．8V電源，PCI總線上5V的電源需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換?？紤]到各個(gè)芯片的功耗和電源效率，電源散熱等問題，采用開關(guān)電源LM2596作為電源芯片。

2 MPEG-4解碼卡的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
    解碼就是編碼的逆過程，解壓卡的原理框圖如圖3所示，PCB圖如圖4所示。VW2010是解壓卡的核心處理芯片，待處理的MPEG流數(shù)據(jù)通過芯片內(nèi)部集成的PCI接口輸入。除了完成MPEG解壓縮外，VW2010還提供對(duì)音頻ADC芯片的控制(通過I2C總線)。VW2010對(duì)MPEG流數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮處理，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的ITU-656數(shù)字視頻信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)的I2S數(shù)字音頻信號(hào)；產(chǎn)生的ITU-656數(shù)字視頻信號(hào)直接送到實(shí)時(shí)監(jiān)視子系統(tǒng)進(jìn)行畫面分割處理；產(chǎn)生的I2S數(shù)字音頻信號(hào)通過音頻DAC電路，產(chǎn)生模擬音頻信號(hào)，模擬音頻信號(hào)經(jīng)過輸出處理后直接送到實(shí)時(shí)監(jiān)視子系統(tǒng)音頻選擇子模塊選擇輸出。

    視頻D／A芯片選用Philips的SAA7121，該芯片可對(duì)ITU-R BT．656格式的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼為復(fù)合視頻和S端子的視頻信號(hào)。它有三個(gè)10位精度的ADC，一個(gè)ADC輸出復(fù)合視頻信號(hào)(CVBS)，另兩個(gè)分別輸出S端子的亮度(Y)和色度(C)信號(hào)。芯片的初始化通過I2C,總線進(jìn)行設(shè)置。音頻D／A則選用CS4331-KS。該芯片是一個(gè)完全的立體聲ADC，輸入I2S格式的音頻數(shù)據(jù)，輸出左右立體聲，具有96dB的動(dòng)態(tài)范圍、24位轉(zhuǎn)換、5V電源供電，封裝小，僅有8個(gè)管腳。需要說明的是：其實(shí)音頻A／D芯片Philips的UDAl342TS同時(shí)也具有D／A功能，但是當(dāng)A／D和D／A同時(shí)工作時(shí)，音頻采樣率必須相同，由于這個(gè)原因我們選擇CS4331-KS。
    該編解碼卡在實(shí)際使用的系統(tǒng)搭建中有非常靈活的選擇，因?yàn)槭荘CI接口結(jié)構(gòu)可以和嵌入式通信平臺(tái)、PC平臺(tái)、工控機(jī)等多種平臺(tái)組合。既可以進(jìn)行本地存儲(chǔ)，又可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。編解碼卡分離的設(shè)計(jì)可以有效地降低成本，既可以編碼結(jié)束上傳網(wǎng)絡(luò)后在網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端接入解碼器，然后恢復(fù)出模擬信號(hào)直接接入監(jiān)視器顯示，這樣在監(jiān)控中心可以與先前模塊監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)視器、電視墻相連，無需PC機(jī)參與，達(dá)到無縫升級(jí)的要求，又可以在網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端直接接入PC機(jī)對(duì)MPEG-4進(jìn)行軟解碼。在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果，需要改進(jìn)的是上層圖像管理軟件的應(yīng)用與開發(fā)。