一種嵌入式視頻記錄系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

20世紀90年代以來數(shù)字多媒體技術(shù)取得了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，超大規(guī)模集成電路及專用視頻壓縮處理芯片隨之迅速發(fā)展，同時隨著半導(dǎo)體存儲技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體存儲器的容量也越來越大，這為研制數(shù)字化的音視頻記錄系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)基礎(chǔ)。同時數(shù)字化的記錄方法將視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮記錄在大容量的半導(dǎo)體存儲器上，能有效消除噪聲、加快拷貝和復(fù)制速度，快速回放和查找，同時還可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行傳送，與傳統(tǒng)的磁帶式記錄系統(tǒng)相比有著巨大的優(yōu)勢?；诖?，作者設(shè)計實現(xiàn)了一種基于嵌入式控制模塊DIMM-PC/520IU和專用視頻處理芯片SZ1510硬件平臺的MPEG-1編碼標準的數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成度高、功耗低、體積小、成本低，適合大量的各類視頻監(jiān)控和記錄應(yīng)用。

1 系統(tǒng)框架及原理說明

本系統(tǒng)選用的主要模塊是主控單元DIMM-PC/520IU[1]和視頻壓縮芯片SZ1510，周圍外部設(shè)備有視頻解碼芯片SAA7113H，音頻分頻器MK2703，音頻解碼芯片AK4550， RAM芯片，ROM芯片，IDE硬盤和電源模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)加電后[2]，主控單元DIMM-PC調(diào)用程序，對視頻壓縮芯片SZ1510和視頻解碼芯片SAA7113H、音頻解碼芯片AK4550進行初始化配置；模擬視頻信號傳送給視頻解碼芯片SAA7113H進行解碼，生成CCIR視頻信號，AK4550采集輸入的模擬音頻信號,生成PCM數(shù)字音頻流,分別送入壓縮編碼芯片SZ1510,壓縮成MPEG－1格式的視頻流，主控單元DINMM-PC將其以文件形式存儲到IDE硬盤。為解決音視頻同步問題，音視頻同步采用視頻源的同步信號鎖定音頻編碼系統(tǒng)時鐘的方式。芯片SAA7713的LLC管腳輸出27MHz時鐘，經(jīng)分頻器驅(qū)動，一路未分頻信號校準SZ1510的系統(tǒng)時鐘，另一路經(jīng)過分頻器MK2703作為音頻編碼輸出系統(tǒng)時鐘。該27MHz信號在SZ1510內(nèi)部倍頻至54MHz對輸入的音視頻數(shù)據(jù)進行同步。

2 MPEG-1壓縮算法的基本原理

MPEG-1視頻壓縮技術(shù)是針對運動圖像的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)[3]。為了提高壓縮比，幀內(nèi)圖像數(shù)據(jù)壓縮和幀間數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)必須同時使用。幀內(nèi)算法與JPEG壓縮算法大致相同，采用基于DCT的變換編碼技術(shù)，用于減少空域冗余信息。幀間壓縮算法，采用預(yù)測法和插補法，預(yù)測法有因果預(yù)測器(純的預(yù)測編碼)，和非因果預(yù)測即插補編碼。預(yù)測誤差可再通過DCT變換編碼處理，進一步壓縮。幀間編碼技術(shù)可減少時間軸方向的冗余信息。從而在上述幾個方面達到了對圖像冗余信息的高效壓縮。MPEG-1視頻壓縮的基本原理如圖2所示。

圖2 MPEG-1壓縮的基本原理框圖

3 硬件設(shè)計

3.1 控制模塊設(shè)計

系統(tǒng)控制模塊我們選擇了Kontron公司DIMM-PC/520IU，采用AM5x86TM CPU,具有16KB 片內(nèi)一級緩存,芯片組是ElanTM SC520集成,運行頻率133MHz，工作電壓為5V電壓，支持DOS、Linux、WinCE、Vxworks等多種操作系統(tǒng)，存儲溫度為－40℃～80℃，工作溫度0℃～60℃。DIMM-PC的所有模板使用了一種通用的DIMM-144內(nèi)存插座作為連接件,采用144線的金手指連接方式,其CPU模板和擴展模板的插座略有區(qū)別,以防插錯,幾個擴展模板間沒有區(qū)別，可以隨便接插就象ISA插槽一樣。CPU模板144接線分為幾類ISA總線信號SD[0:15]、SA[0:19]數(shù)據(jù)地址信號；IOW、IOR、SMEMR等各種讀寫控制信號，OSC、SYSCLK、DRQ、DACK等特別功能信號,包含了標準ISA總線上的所有數(shù)據(jù)信號。

3.2 視頻音頻編解碼模塊設(shè)計

視頻解碼器采用Philips公司的SAA7113H,是一種從模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的9位視頻輸入處理器(VIP)[4]，它是能與MPEG－1編碼芯片SZ1510實現(xiàn)無縫接口的視頻解碼器之一。它由兩通道的模擬預(yù)處理電路組成，包括源選擇、自動鉗位電路與ADC、自動增益控制、時鐘產(chǎn)生電路、數(shù)字多標準解碼器、亮度、對比度、飽和度控制電路和一個色度空間矩陣。解碼器是基于行鎖定時鐘解碼原理，能解碼PAL和NTSC的色度信號為CCIR-601的顏色分量值。SAA7113H對輸入的視頻進行采樣，解碼后生成8 bit/像素的CCIR-601數(shù)字視頻流，其電路由I2C總線控制[5]。音頻解碼器采用AK4550,它對模擬音頻進行高信噪比16bit數(shù)字采樣,生成PCM數(shù)字音頻流。