基于MPEG-4的嵌入式多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中壓縮/解壓卡的設計與實現

1 MPEG-4 標準及其在多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

多媒體監(jiān)控系統(tǒng)是多媒體技術在安防領域的新應用。音視頻壓縮技術是多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中的關鍵技術。在數字多媒體壓縮領域內有很多國際標準,如ISO/ITU-T 技術委員會下的JPEG 標準,CCITT制定的H. 263標準,以及著名的MPEG標準等。

MPEG-4標準于2000年10月公布。MPEG-4 標準的主要特點是對圖像中的內容進行編碼, 其核心是基于內容的尺度可變性(Content - basedscalability) 。內容尺度可變性意味著給圖像中的各個對象分配優(yōu)先級。其中,比較重要的對象用較高的空間和(或) 時間分辨力表示。對甚低比特率應用來說,尺度可變性是一個關鍵的因素,因為它提供了自適應可用資源的能力。例如,這個功能允許使用者規(guī)定:對具有較高優(yōu)先級的對象以可接受的質量顯示,第二優(yōu)先級的對象則以較低的質量顯示,而其余內容(對象) 則不顯示。對于監(jiān)控系統(tǒng)來說,在絕大部分時間內,監(jiān)視畫面的背景都保持不變,因此在要求低比特率時,對于監(jiān)視畫面的背景部分可以以較低的質量顯示,且不會影響整個畫面的效果。本系統(tǒng)采用MPEG

- 4 壓縮標準,在實現上選擇硬壓縮和硬解壓, 所用的壓縮解壓芯片為VWEB公司的VW2010 芯片。

2 硬件設計原理

2.1 VW2010 芯片的主要特點

VW2010是VWEB公司開發(fā)的實時MPEG-4音視頻壓縮/ 解壓芯片(CODEC) 。該芯片具有以下主要特點:

(1) 單片集成3 個信號處理/ 控制單元,包括一個視頻編碼(壓縮) 器、一個視頻解碼(解壓) 器和一個片內CPU(內部擴展一個音頻編碼DSP、一個音頻解碼DSP、一個多路復合單元和一個多路解復合單元) 。

(2) 為了達到可編程、高性能和低功耗,每個信號處理/ 控制單元都是由一個RISC處理器和專用的硬件加速器構成,視頻編、解碼器內部還集成一個專用的SDRAM。

(3) 在系統(tǒng)上電/ 復位時,視頻編、解碼器的固件程序從外部主機(host )載入各自專用的SDRAM;片內CPU的固件程序載入VW2010外掛的SDRAM。

(4) 芯片主機接口采用標準PCI 接口。符合PCI局部總線規(guī)范2. 2 。

(5) 為了使編、解碼性能達到最佳,VW2010內部集成了一個雙通道DMAC。系統(tǒng)host直接通過主機接口對VW2010 進行控制,MPEG流數據則采用DMA方式傳輸。

(6) 提供了與PHILIPS公司兼容的I2C總線,方便對外圍芯片的控制。

2.2 基于VW2010 的壓縮/ 解壓卡硬件設計原理

壓縮卡的原理框圖如圖1所示。CVBS信號先經過視頻接收電路進行前端處理,包括阻抗匹配、限幅和鉗位,然后通過視頻解碼電路產生符合VW2010視頻接口標準的ITU656信號。視頻解碼電路的核心是一個視頻解碼芯片,解碼芯片對CVBS信號進行A/ D轉換和編碼,產生ITU656 標準的并行數字電視信號。高檔的視頻解碼器還支持圖像尺寸縮放( scaling) 和幀提取(decimating) 功能,如PHILIPS 公司的SAA7114 、SAA7115 以及Rockwell 公司的BT829A 等。由于VW2010的視頻輸入為ITU656/D1 格式,所以只需要選擇具有基本A/D 轉換和編碼功能的視頻解碼芯片如SAA7113 即可。

圖1 　壓縮卡原理圖

模擬音頻信號先經過模擬音頻接收電路進行前端處理,然后通過音頻ADC 產生符合VW2010音頻接口標準的I2S 信號。VW2010是壓縮卡的核心處理芯片,除了完成音視頻編碼外,還提供對解碼器和ADC 的控制(通過I2C 總線) ,編碼產生的MPEG流則通過芯片內部集成的PCI 接口輸出。

解壓是壓縮的逆過程,基本原理類似,限于篇幅,不再贅述。

3 Linux 下V W2010 設備驅動程序設計

3.1 VW2010 與host 的通信機制

VW2010提供了三種用于同host 通信的機制: 直接訪問內部寄存器、共享存儲區(qū)( sharedmemory) 和DMA。VW2010允許host 直接訪問其內部寄存器和外部存儲單元,寄存器方式主要用于調試目的和下載固件程序; DMA 方式則負責VW2010 芯片和應用緩沖區(qū)之間的數據傳輸(如MPEG流數據) ;共享存儲區(qū)機制是設備驅動程序和VW2010 間的主要通信方式。

3.1.1 共享存儲區(qū)(shared memory)

VW2010 采用共享存儲區(qū)機制接收host 的命令并返回命令執(zhí)行結果。用于host 到VW2010 通信的共享存儲區(qū)(以下簡稱SM-PC2VW) 位于en-coder SDRAM 中地址3F1800 處,共128 字節(jié); 用于VW2010到host 通信的共享存儲區(qū)(以下簡稱SM-VW2PC) 位于encoder SDRAM 中地址3F1880 處,共128 字節(jié)。

SM_PC2VW 的格式如表1 所示。表中,CMD 為命令碼, 分別是: 讀數據(CMD=1) 、發(fā)IOCTL 碼(CMD=2) 、寫數據(CMD=3) 、打開命令(CMD = 4) 和關閉命令(CMD=5) ; Int Flag為中斷標識, Int Flag 為1 ,則VW2010 執(zhí)行完CMD 定義的任務后將產生一個中斷,為0 則不產生;Device Handle 由打開命令從firmware 中獲得; 當CMD不同時,Parameters 有不同的含義,后面將詳細討論。

SM_VW2PC 的格式如表2 所示。ACK/NACK的含義是:如果SM_PC2VW 中Int Flag 為1 ,且命令CMD 成功執(zhí)行,則為ACK;如果SM-PC2VW 中Int Flag 為1 ,且執(zhí)行命令CMD 失敗,則為NACK,并將錯誤碼保存在Return Code 字段。

在發(fā)送其它命令之前必須先發(fā)送打開命令,此時,Device Handle 字段為0 ,Parameters 字段為打開類型( TSMUX , PSMUX , TSDEMUX 或PSDE-MUX) 。如果該命令成功執(zhí)行, 則會在SM_VW2PC 的Device Handle字段返回所分配的Device Handle ;在SM_VW2PC 的Parameters字段返回輔助參數區(qū)的首地址(下面簡稱為X) 。輔助參數區(qū)由firmware 在encoder SDRAM 中動態(tài)分配,用于傳遞跟命令相關的參數。在結束使用共享內存區(qū)后,必須發(fā)送關閉命令以釋放輔助參數區(qū)。

3.1.2 信號燈

由于共享存儲區(qū)是臨界資源,所以必須提供一種機制保證VW2010 和host 互斥地使用它們。為此,VW2010 分別給SM_PC2VW 和SM_VW2PC 提供了兩個硬件信號燈, 由寄存器REG_INT1 和REG_INT2 的最低位實現。VW2010 為信號燈定義了兩種操作: 寫操作:向REG_INT1 或REG_INT2 的最低位寫入1 ,釋放共享存儲區(qū)。讀操作:返回REG _INT1 或REG_INT2 的最低位的值,同時清該位為0 。

3.1.3 host 到VW2010 的中斷

host 通過向VW2010發(fā)中斷的方式通知VW2010 從共享存儲區(qū)讀取主機命令。VW2010用寄存器REG_DHIU5實現host 到VW2010 的中斷。REG_DHIU5 的最低四位用于保存中斷計數,第五位為中斷屏蔽位。host 向REG_DHIU5 每寫一次, 中斷計數加1 ; VW2010 每讀REG_DHIU5 一次,中斷計數減1 。只要中斷計數不為0 ,則VW2010 內部的中斷請求信號一直保持有效。

3.2 VW2010 數據讀寫和IOCTL 方法(method) 的實現

數據讀寫和IOCTL 的實現依賴于上述的共享存儲區(qū)機制,在下面的討論中,我們假設已經通過打開命令(CMD = 4) 從firmware 獲取了DeviceHandle 和輔助參數區(qū)(首地址為X) 。

3.2.1 數據讀寫方法的實現

VW2010 采用DMA 方式實現與應用空間的數據交換。讀/ 寫命令用于建立從VW2010 到host 的DMA 通道并啟動數據傳輸,它并不等待數據傳輸完成, 而是讓DMA 傳輸在后臺運行, 當DMA 傳輸結束后,VW2010 會中斷主機。

當應用程序要讀寫數據時,它首先會分配一些緩沖區(qū)用于保存讀寫數據。這些緩沖區(qū)可以用首地址和長度標識,如可以用(Address ,Len) 代表首地址為Address、長度為Len的緩沖區(qū)。在發(fā)送讀/寫數據命令時,SM_PC2VW 的Parameters 字段為X ,輔助參數區(qū)的內容為應用空間數據緩沖區(qū)的信息,其格式即為上述的首地址和緩沖長度標識對(Address ,Len) 。VW2010 根據這些緩沖區(qū)信息建立到應用空間的DMA 通道。讀數據方法的程序流程圖如圖2 所示,其中,左邊是系統(tǒng)調用部分的流程圖,右邊則是中斷服務部分的流程圖。

圖2 讀數據方法流程圖

3.2.2 IOCTL 方法的實現

VW2010 定義了許多IOCTL 碼用于控制VW2010 芯片,各個IOCTL 碼的參數各不相同.需要注意的是此處的IOCTL 碼不同于Driver API中的IOCTL 碼。該命令與讀寫數據命令的主要區(qū)別在于其命令輔助參數存儲區(qū)的格式不同,而控制流程類似,限于篇幅,不再贅述。

4 實驗與測試

為了測試壓縮/ 解壓卡和設備驅動程序的性能,作者在Linux Redhat7. 3下編寫了測試程序。測試中,分別讓VW2010 芯片工作在以下幾種模式:手動錄像模式、定時錄像模式和動態(tài)偵測錄像模式。結果都能穩(wěn)定工作。

5 總結

本文詳細介紹了基于VW2010 芯片的MPEG-4壓縮/ 解壓卡的設計方法, 包括硬件設計和Linux 下的設備驅動程序的設計,并在實際中進行了全面的測試。VW2010功能強大,編解碼高效且外圍電路簡單,具有重要的實際應用價值。