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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 　MPEG-4 標(biāo)準(zhǔn)及其在多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
多媒體監(jiān)控系統(tǒng)是多媒體技術(shù)在安防領(lǐng)域的新應(yīng)用。音視頻壓縮技術(shù)是多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。在數(shù)字多媒體壓縮領(lǐng)域內(nèi)有很多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),如ISO/ITU-T 技術(shù)委員會(huì)下的JPEG 標(biāo)準(zhǔn),CCITT制定的H. 263標(biāo)準(zhǔn),以及著名的MPEG標(biāo)準(zhǔn)等。

MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)于2000年10月公布。MPEG-4 標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)是對(duì)圖像中的內(nèi)容進(jìn)行編碼, 其核心是基于內(nèi)容的尺度可變性(Content - basedscalability) 。內(nèi)容尺度可變性意味著給圖像中的各個(gè)對(duì)象分配優(yōu)先級(jí)。其中,比較重要的對(duì)象用較高的空間和(或) 時(shí)間分辨力表示。對(duì)甚低比特率應(yīng)用來(lái)說(shuō),尺度可變性是一個(gè)關(guān)鍵的因素,因?yàn)樗峁┝俗赃m應(yīng)可用資源的能力。例如,這個(gè)功能允許使用者規(guī)定:對(duì)具有較高優(yōu)先級(jí)的對(duì)象以可接受的質(zhì)量顯示,第二優(yōu)先級(jí)的對(duì)象則以較低的質(zhì)量顯示,而其余內(nèi)容(對(duì)象) 則不顯示。對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō),在絕大部分時(shí)間內(nèi),監(jiān)視畫(huà)面的背景都保持不變,因此在要求低比特率時(shí),對(duì)于監(jiān)視畫(huà)面的背景部分可以以較低的質(zhì)量顯示,且不會(huì)影響整個(gè)畫(huà)面的效果。本系統(tǒng)采用MPEG- 4 壓縮標(biāo)準(zhǔn),在實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)原理

2. 1 VW2010 芯片的主要特點(diǎn)
VW2010是VWEB公司開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)MPEG-4音視頻壓縮/ 解壓芯片(CODEC) 。該芯片具有以下主要特點(diǎn):
(1) 單片集成3 個(gè)信號(hào)處理/ 控制單元,包括一個(gè)視頻編碼(壓縮) 器、一個(gè)視頻解碼(解壓) 器和一個(gè)片內(nèi)CPU(內(nèi)部擴(kuò)展一個(gè)音頻編碼DSP、一個(gè)音頻解碼DSP、一個(gè)多路復(fù)合單元和一個(gè)多路解復(fù)合單元) 。
(2) 為了達(dá)到可編程、高性能和低功耗,每個(gè)信號(hào)處理/ 控制單元都是由一個(gè)RISC處理器和專用的硬件加速器構(gòu)成,視頻編、解碼器內(nèi)部還集成一個(gè)專用的SDRAM。
(3) 在系統(tǒng)上電/ 復(fù)位時(shí),視頻編、解碼器的固件程序從外部主機(jī)(host )載入各自專用的SDRAM;片內(nèi)CPU的固件程序載入VW2010外掛的SDRAM。
(4) 芯片主機(jī)接口采用標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到最佳,VW2010內(nèi)部集成了一個(gè)雙通道DMAC。系統(tǒng)host直接通過(guò)主機(jī)接口對(duì)VW2010 進(jìn)行控制,MPEG流數(shù)據(jù)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(duì)外圍芯片的控制。

2. 2 基于VW2010 的壓縮/ 解壓卡硬件設(shè)計(jì)原理
壓縮卡的原理框圖如圖1所示。CVBS信號(hào)先經(jīng)過(guò)視頻接收電路進(jìn)行前端處理,包括阻抗匹配、限幅和鉗位,然后通過(guò)視頻解碼電路產(chǎn)生符合VW2010視頻接口標(biāo)準(zhǔn)的ITU656信號(hào)。視頻解碼電路的核心是一個(gè)視頻解碼芯片,解碼芯片對(duì)CVBS信號(hào)進(jìn)行A/ D轉(zhuǎn)換和編碼,產(chǎn)生ITU656 標(biāo)準(zhǔn)的并行數(shù)字電視信號(hào)。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(zhuǎn)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(hào)先經(jīng)過(guò)模擬音頻接收電路進(jìn)行前端處理,然后通過(guò)音頻ADC 產(chǎn)生符合VW2010音頻接口標(biāo)準(zhǔn)的I2S 信號(hào)。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(duì)解碼器和ADC 的控制(通過(guò)I2C 總線) ,編碼產(chǎn)生的MPEG流則通過(guò)芯片內(nèi)部集成的PCI 接口輸出。

解壓是壓縮的逆過(guò)程,基本原理類似,限于篇幅,不再贅述。

3 　Linux 下V W2010 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

3. 1 VW2010 與host 的通信機(jī)制
VW2010提供了三種用于同host 通信的機(jī)制: 直接訪問(wèn)內(nèi)部寄存器、共享存儲(chǔ)區(qū)( sharedmemory) 和DMA。VW2010允許host 直接訪問(wèn)其內(nèi)部寄存器和外部存儲(chǔ)單元,寄存器方式主要用于調(diào)試目的和下載固件程序; DMA 方式則負(fù)責(zé)VW2010 芯片和應(yīng)用緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸(如MPEG流數(shù)據(jù)) ;共享存儲(chǔ)區(qū)機(jī)制是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和VW2010 間的主要通信方式。

3. 1. 1 共享存儲(chǔ)區(qū)(shared memory)
VW2010 采用共享存儲(chǔ)區(qū)機(jī)制接收host 的命令并返回命令執(zhí)行結(jié)果。用于host 到VW2010 通信的共享存儲(chǔ)區(qū)(以下簡(jiǎn)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(chǔ)區(qū)(以下簡(jiǎn)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(shù)據(jù)(CMD=1) 、發(fā)IOCTL 碼(CMD=2) 、寫(xiě)數(shù)據(jù)(CMD=3) 、打開(kāi)命令(CMD = 4) 和關(guān)閉命令(CMD=5) ; Int Flag為中斷標(biāo)識(shí), Int Flag 為1 ,則VW2010 執(zhí)行完CMD 定義的任務(wù)后將產(chǎn)生一個(gè)中斷,為0 則不產(chǎn)生;Device Handle 由打開(kāi)命令從firmware 中獲得; 當(dāng)CMD不同時(shí),Parameters 有不同的含義,后面將詳細(xì)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(cuò)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(kāi)命令,此時(shí),Device Handle 字段為0 ,Parameters 字段為打開(kāi)類型( TSMUX , PSMUX , TSDEMUX 或PSDE-MUX) 。如果該命令成功執(zhí)行, 則會(huì)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(shù)區(qū)的首地址(下面簡(jiǎn)稱為X) 。輔助參數(shù)區(qū)由firmware 在encoder SDRAM 中動(dòng)態(tài)分配,用于傳遞跟命令相關(guān)的參數(shù)。在結(jié)束使用共享內(nèi)存區(qū)后,必須發(fā)送關(guān)閉命令以釋放輔助參數(shù)區(qū)。

3. 1. 2 信號(hào)燈
由于共享存儲(chǔ)區(qū)是臨界資源,所以必須提供一種機(jī)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(gè)硬件信號(hào)燈, 由寄存器REG_INT1 和REG_INT2 的最低位實(shí)現(xiàn)。VW2010 為信號(hào)燈定義了兩種操作: 寫(xiě)操作:向REG_INT1 或REG_INT2 的最低位寫(xiě)入1 ,釋放共享存儲(chǔ)區(qū)。讀操作:返回REG _INT1 或REG_INT2 的最低位的值,同時(shí)清該位為0 。

3. 1. 3 host 到VW2010 的中斷
host 通過(guò)向VW2010發(fā)中斷的方式通知VW2010 從共享存儲(chǔ)區(qū)讀取主機(jī)命令。VW2010用寄存器REG_DHIU5實(shí)現(xiàn)host 到VW2010 的中斷。REG_DHIU5 的最低四位用于保存中斷計(jì)數(shù),第五位為中斷屏蔽位。host 向REG_DHIU5 每寫(xiě)一次, 中斷計(jì)數(shù)加1 ; VW2010 每讀REG_DHIU5 一次,中斷計(jì)數(shù)減1 。只要中斷計(jì)數(shù)不為0 ,則VW2010 內(nèi)部的中斷請(qǐng)求信號(hào)一直保持有效。

3. 2 VW2010 數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和IOCTL 方法(method) 的實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和IOCTL 的實(shí)現(xiàn)依賴于上述的共享存儲(chǔ)區(qū)機(jī)制,在下面的討論中,我們假設(shè)已經(jīng)通過(guò)打開(kāi)命令(CMD = 4) 從firmware 獲取了DeviceHandle 和輔助參數(shù)區(qū)(首地址為X) 。

3. 2. 1 數(shù)據(jù)讀寫(xiě)方法的實(shí)現(xiàn)
VW2010 采用DMA 方式實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用空間的數(shù)據(jù)交換。讀/ 寫(xiě)命令用于建立從VW2010 到host 的DMA 通道并啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸,它并不等待數(shù)據(jù)傳輸完成, 而是讓DMA 傳輸在后臺(tái)運(yùn)行, 當(dāng)DMA 傳輸結(jié)束后,VW2010 會(huì)中斷主機(jī)。

當(dāng)應(yīng)用程序要讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí),它首先會(huì)分配一些緩沖區(qū)用于保存讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。這些緩沖區(qū)可以用首地址和長(zhǎng)度標(biāo)識(shí),如可以用(Address ,Len) 代表首地址為Address、長(zhǎng)度為L(zhǎng)en的緩沖區(qū)。在發(fā)送讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)命令時(shí),SM_PC2VW 的Parameters 字段為X ,輔助參數(shù)區(qū)的內(nèi)容為應(yīng)用空間數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的信息,其格式即為上述的首地址和緩沖長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)對(duì)(Address ,Len) 。VW2010 根據(jù)這些緩沖區(qū)信息建立到應(yīng)用空間的DMA 通道。讀數(shù)據(jù)方法的程序流程圖如圖2 所示,其中,左邊是系統(tǒng)調(diào)用部分的流程圖,右邊則是中斷服務(wù)部分的流程圖。

圖2 　讀數(shù)據(jù)方法流程圖

3. 2. 2 IOCTL 方法的實(shí)現(xiàn)
VW2010 定義了許多IOCTL 碼用于控制VW2010 芯片,各個(gè)IOCTL 碼的參數(shù)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(xiě)數(shù)據(jù)命令的主要區(qū)別在于其命令輔助參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)的格式不同,而控制流程類似,限于篇幅,不再贅述。

4 　實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

為了測(cè)試壓縮/ 解壓卡和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的性能,作者在Linux Redhat7. 3下編寫(xiě)了測(cè)試程序。測(cè)試中,分別讓VW2010 芯片工作在以下幾種模式:手動(dòng)錄像模式、定時(shí)錄像模式和動(dòng)態(tài)偵測(cè)錄像模式。結(jié)果都能穩(wěn)定工作。

5 　總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了基于VW2010 芯片的MPEG-4壓縮/ 解壓卡的設(shè)計(jì)方法, 包括硬件設(shè)計(jì)和Linux 下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì),并在實(shí)際中進(jìn)行了全面的測(cè)試。VW2010功能強(qiáng)大,編解碼高效且外圍電路簡(jiǎn)單,具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。