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多路MPEG-4監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹了一個(gè)基于PCI總線的多路MPEC-4數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)將采集到的多路音、視頻數(shù)據(jù)以MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮編碼，將編碼后的數(shù)據(jù)碼流通過PCI總線傳送至計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行存儲(chǔ)、回放和檢索等處理。詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，同時(shí)介紹了板卡與主機(jī)之間實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制。本系統(tǒng)可在單機(jī)上實(shí)現(xiàn)16-32路的音、視頻監(jiān)控，具有很高的性價(jià)比。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬監(jiān)控和數(shù)字監(jiān)控兩個(gè)階段。與模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比，數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以利用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和檢索等處理，而且還具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、圖像質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)也可以和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)系
統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，易于維護(hù)和管理。因此，數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)正逐步取代模擬監(jiān)控系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景。
目前國內(nèi)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中單機(jī)的監(jiān)控能力一般不超過16路，每路的圖像壓縮碼率的調(diào)節(jié)范圍較小，而且圖像格式主要以CIF為主[5～6]。本文介紹的系統(tǒng)在單機(jī)上最多可以達(dá)到32路的監(jiān)控能力，而且可以保證音、視頻的嚴(yán)格同步。同時(shí)，本系統(tǒng)支持CIF和QCIF等多種圖像格式，壓縮碼率調(diào)節(jié)范圍較大，可以滿足多種場合的監(jiān)控需求。
圖1
1 多路MPEG-4監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用基于PCI總線板卡的架構(gòu)，一塊板卡可以監(jiān)控4路音、視頻數(shù)據(jù)。系統(tǒng)視頻輸入支持NTSC和PAL制式，采用MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)對輸入的多路音、視頻信息進(jìn)行壓縮編碼、解碼，并提供運(yùn)動(dòng)檢測等附加功能。在工控機(jī)上，利用軟件可以很方便地對采集到的音、視頻信息進(jìn)行存儲(chǔ)、檢索和回放。系統(tǒng)利用高速PCI總線與微機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)和控制碼流的傳輸。整個(gè)硬件系統(tǒng)由攝像和云臺(tái)模塊、電源模塊、視頻采集模塊、視頻預(yù)處理模塊、EPLD控制模塊、音頻編碼模塊、MPEG-4多媒體壓縮編碼模塊和PCI總線控制模塊組成，其連接框圖如圖1所示。
多路視頻采集模塊對輸入的視頻信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。該模塊支持復(fù)合視頻輸入，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的輸出信號是符合ITU-656標(biāo)準(zhǔn)的4:2:2的數(shù)字視頻信號。同時(shí)，該模塊能夠自動(dòng)識別輸入信號的制式。其支持的復(fù)合視頻制式有NTSC、PAL和SECAM三種。
視頻預(yù)處理模塊通過對模塊中芯片的內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置來實(shí)現(xiàn)對視頻輸出的亮度、對比度和色度的調(diào)整，以及對視頻圖像尺寸、子圖的大小、位置等的控制。
EPLD控制模塊主要根據(jù)控制流信息將視頻預(yù)處理模塊輸出的ITU-656數(shù)字視頻進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并輸出到MPEG-4壓縮編碼模塊中。同時(shí)，它也提供行、場等同步信號。EPLD控制模塊還根據(jù)后向控制流為音頻編碼模塊提供多路幀同步信號。
音頻編碼模塊對輸入的音頻進(jìn)行μ律PCM編碼。MPEG-4多媒體壓縮編碼模塊完成音、視頻信號的MPEG-4壓縮編碼，并輸出到PCI總線控制模塊，同時(shí)提供運(yùn)動(dòng)檢測等附加信息。PCI總線控制模塊主要負(fù)責(zé)板卡與主機(jī)間的MPEG-4碼流和控制流信息的高速傳輸。
2 MPEG-4壓縮編碼模塊
MPEG-4壓縮編碼模塊采用的是INTIME公司的IME6400芯片。IME6400是一塊多通道實(shí)時(shí)數(shù)字音視頻MPEG-4/2/1壓縮芯片。它不僅可以支持原始的音、視頻信息，而且還支持PCM編碼的音頻信號等。IME6400具有多種輸出數(shù)據(jù)格式，這使得它在圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸?shù)确矫婢哂袕V泛的應(yīng)用。
IME6400是按照內(nèi)部的fireware工作的。在實(shí)現(xiàn)上，fireware軟件既可以存放在一個(gè)外掛的ROM中，也可以從外部主機(jī)通過IME6400的Host Interface(主機(jī)接口)下載到芯片中去[1]。本系統(tǒng)中采用外掛ROM的方法，這樣用戶可以選擇fireware的版本并定期進(jìn)行軟件更新。IME6400的原理框圖[1]如圖2所示。
在本系統(tǒng)中，音頻編碼模塊和EPLD控制模塊的輸出與IME6400的音、視頻輸入模塊相連接，然后由IME6400完成音、視頻信號的MPEG-4壓縮編碼。IME6400利用主機(jī)接口和PCI總線控制模塊之間的相連，構(gòu)成數(shù)據(jù)和控制通道。同時(shí)，外掛SDRAM用來存儲(chǔ)已編碼的碼流，而內(nèi)部1KByte的FIFO用來實(shí)現(xiàn)編碼碼流的快速傳輸。外部主機(jī)可以按照規(guī)定的流程對一些恰當(dāng)?shù)闹鳈C(jī)接口控制寄存器進(jìn)行讀或?qū)懖僮�，還可以完成直接寄存器讀寫、IME6400系統(tǒng)內(nèi)存的訪問、FIFO緩沖區(qū)的訪問和firmware軟件的下載等操作。
除了上述功能外，IME6400還可以根據(jù)主機(jī)自定義的運(yùn)動(dòng)檢測要求實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)檢測，并將檢測到的信息以包的形式傳送給主機(jī)。
3 PCl 總線控制模塊
PCI總線控制模塊采用的是PHILIPS公司的SAA7146A PCI橋芯片。它具有三個(gè)視頻DMA通道和四個(gè)音頻DMA通道，同時(shí)集成了一些單元模塊，如MMU、BPS和HPS等。它還包含了眾多接口，可以和眾多的音、視頻處理芯片實(shí)現(xiàn)無縫連接，為多媒體數(shù)據(jù)的傳輸和處理提供比較廣泛的應(yīng)用。SAA7146A的原理框圖[2]如圖3所示。
數(shù)據(jù)擴(kuò)展總線接口(DEBl)為外圍設(shè)備提供了8/16位的數(shù)據(jù)傳輸和控制功能，支持立即傳輸和塊傳輸兩種方式。在系統(tǒng)中，SAA7l46A的DEBI跟MPEG-4壓縮編碼模塊相連接，實(shí)現(xiàn)MPEG-4壓縮碼流的接收。同時(shí)，通過PCI總線接口模塊，利用DMA傳輸方式在計(jì)算機(jī)和硬件板卡間實(shí)現(xiàn)壓縮碼流的高速傳輸。SAA7146A具有I2C總線接口，可以很方便地對具有12C接口的外圍芯片進(jìn)行控制。
SAA7146A中的D1接口可以和視頻解碼芯片或視頻壓縮芯片相連接，利用HPS可以對視頻信號進(jìn)行定標(biāo)、縮放等處理，也可以利用BRS對視頻信號進(jìn)行CIF、QCIF或者QQCIF格式轉(zhuǎn)換。 除此之外，SAA7146A還提供了與音頻處理芯片連接的多個(gè)接口。
4 高速數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的軟件主要由兩部分組成。一是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，主要負(fù)責(zé)硬件板卡和計(jì)算機(jī)之間的交互；二是上層應(yīng)用程序，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。由于多路監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量非常大，因此設(shè)計(jì)一個(gè)高效的驅(qū)動(dòng)程序以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸對整個(gè)系統(tǒng)的性能具有
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