广电安防监控系统中视频编解码卡的设计与实现

摘要：广播电视台(站)是国家的要害部门，具有较高的安全防范级别。视频监控是其中重要的技术保障手段。本文主要介绍一种视频监控系统中核心部件基于MPEG-4视频编解码卡的设计与实现。
关键字：广播电视台；视频监控；编解码卡

0 前言
    广播电视系统的正常运行，节目的安全播出，需要高级别的安全防范体系。为保障广播电视机构的安全，公安部特别颁发了《广播电视设施保护条例》、 《广播电影电视系统重点场所要害部位的风险等级和安全防保级别》等文件，根据其设定的风险防范级别同时结合各单位的实际情况，制定自己的广播电视监控系统。广电中心大楼是广播电视的制作、编辑、播出的基地，工作区一般定为二级风险单位，需在大楼工作区建立视频监控系统。同时各台为实现总控对各直播间、导播间、机房的实时监控，也都建立自己的视频监控系统。本文主要介绍一种视频监控系统中的核心部件一视频编解码卡的设计与实现。
    MPEG-4是现在最重要、最有影响的多媒体数据压缩编码的国际标准之一。目前新兴的基于嵌入式技术的MPEG-4多媒体监控系统与传统的多媒体监控系统相比具有体积小、现场无需专人值守、成本低、稳定性高、实时性好、更适宜存储和网络传输等优点。因此我们基于MPEG-4标准设计和实现视频编解码卡。实现MPEG-4图像算法的ASIC专用芯片具有成本较低、功耗小、稳定性高、图像清晰、扩展性能好、安全性高的特点。我们采用的是VW2010。

1 MPEG-4编码卡的设计和实现
    编码卡的结构如图1所示，主要包括音视频A／D、压缩芯片VW2010及其所需SDRAM，以及电源时钟等模块。

    由于VW2010的音视频的输入和输出都是数字格式，其中视频的输入输出为ITU-R BT．656格式，音频的输入输出为I2S格式。因此需要对音视频模拟输入信号进行模数转换并形成I2S格式音频数据、ITU-R BT．656格式视频数据，作为VW2010的输入数据对其进行编码。故还需要选一些外围芯片和VW2010配合，完成整个编码过程。

    编码卡的系统框图如图1所示，PCB图如图2所示。VW2010作为该系统的核心，通过PCI总线和主机连接，主要接收从主机送来的对VW2010的初始配置数据和实时控制信息，同时VW2010压缩后的MPEG-4视频流、音频流也通过PCI总线送到主机。VW2010通过I2C总线控制各个音视频A／D，对其内部寄存器进行初始化配置。
    模拟音频和视频信号经音视频A／D采样编码后，音频信号成为I2S格式的数据进入VW2010，视频信号成为8位并行的ITU-R BT．656格式的数据进入VW2010，VW2010根据编程设定从主机传来的编码格式和工作方式对音视频进行同步并压缩后得到MPEG-4数据送到主机。除了MPEG-4编码芯片VW2010外，在设计中还必须选定视频A／D芯片、音频A／D芯片、内存SDRAM芯片、电源芯片、电阻电容等分离元件等。
    视频A／D芯片：选用Philips的SAA7115，该芯片有6路模拟视频信号输入(如6路复合视频或者2路S端子和2个复合视频，1个S端子4个复合视频输入)，两个9位的模数转换器，输入视频信号的选择可通过I2C,总线对内部寄存器进行设置来实现。可对各种PAL信号和NTSC、SECAM信号进行自动识别并模数转换解码为ITU-RBT．60l、ITU-R BT．656格式的视频数据。为了对复合视频信号亮度和色度进行更好的分离，芯片具有自适应梳状滤波器。还可解码视频VBI数据。它是一款相对中高端的视频A／D芯片。
    音频A／D芯片：音频A／D芯片选用Philips的UDAl342TS，该芯片具有4通道模数转换器(ADC)和2通道数模转换器(DAC)。具有低电压和低功耗的特点，支持24位I2S数据格式，可通过I2C总线对其进行控制。虽然该芯片同时具有A／D和D／A功能，但是当A／D和D／A同时工作时，音频采样率必须相同，由于这个原因，本设计只用了它的A／D：功能，而D／A则选用CS4331-KS。该芯片是一个完全的立体声模数转换器，输入I2S格式的音频数据，输出左右立体声，具有96dB的动态范围、24位转换、5V电源供电、封装小，仅有8个管脚。
    内存芯片：VW2010在进行编解码的时候，需要对视频数据进行存取，因此编解码时各需要4～8MB内存。本设计选用MT48LC2M3282芯片。
    电源芯片：此系统中需要用到3．3V和1．8V电源，PCI总线上5V的电源需要进行转换。考虑到各个芯片的功耗和电源效率，电源散热等问题，采用开关电源LM2596作为电源芯片。

2 MPEG-4解码卡的设计和实现
    解码就是编码的逆过程，解压卡的原理框图如图3所示，PCB图如图4所示。VW2010是解压卡的核心处理芯片，待处理的MPEG流数据通过芯片内部集成的PCI接口输入。除了完成MPEG解压缩外，VW2010还提供对音频ADC芯片的控制(通过I2C总线)。VW2010对MPEG流数据进行解压缩处理，产生标准的ITU-656数字视频信号和标准的I2S数字音频信号；产生的ITU-656数字视频信号直接送到实时监视子系统进行画面分割处理；产生的I2S数字音频信号通过音频DAC电路，产生模拟音频信号，模拟音频信号经过输出处理后直接送到实时监视子系统音频选择子模块选择输出。

    视频D／A芯片选用Philips的SAA7121，该芯片可对ITU-R BT．656格式的视频数据进行编码为复合视频和S端子的视频信号。它有三个10位精度的ADC，一个ADC输出复合视频信号(CVBS)，另两个分别输出S端子的亮度(Y)和色度(C)信号。芯片的初始化通过I2C,总线进行设置。音频D／A则选用CS4331-KS。该芯片是一个完全的立体声ADC，输入I2S格式的音频数据，输出左右立体声，具有96dB的动态范围、24位转换、5V电源供电，封装小，仅有8个管脚。需要说明的是：其实音频A／D芯片Philips的UDAl342TS同时也具有D／A功能，但是当A／D和D／A同时工作时，音频采样率必须相同，由于这个原因我们选择CS4331-KS。
    该编解码卡在实际使用的系统搭建中有非常灵活的选择，因为是PCI接口结构可以和嵌入式通信平台、PC平台、工控机等多种平台组合。既可以进行本地存储，又可以进行网络传输。编解码卡分离的设计可以有效地降低成本，既可以编码结束上传网络后在网络远端接入解码器，然后恢复出模拟信号直接接入监视器显示，这样在监控中心可以与先前模块监控系统中的监视器、电视墙相连，无需PC机参与，达到无缝升级的要求，又可以在网络远端直接接入PC机对MPEG-4进行软解码。在实际应用中取得了很好的效果，需要改进的是上层图像管理软件的应用与开发。