基于Au1200无线车载视频监控的设计与实现

0 引 言
    进入信息时代，汽车的智能化、个性化需求越来越高，汽车驾乘中的安全、娱乐以及信息服务越来越受到重视。但现有大部分的车载系统都存在功能单一，智能化低，使用不便，不易组网等缺点。随着无线宽带网络的发展、数字移动电视的建设、多媒体技术的应用，集多种功能于一体的无线车载媒体处理系统应运而生，它可广泛地应用于铁路、地铁、客运汽车等交通系统。
    本文简要介绍了基于Au1200处理器，包含无线传输、视频播放、视频监控等多种功能的嵌入式无线车载媒体处理系统的设计方案，详细描述了基于ffmpeg的软压缩方法，设计并实现了车载系统中视频监控部分的视频采集和视频压缩。

1 无线车载媒体处理系统简介
    基于Au1200的无线车载媒体处理系统网络架构如图1所示。采用客户端／服务器架构，由车载客户端、车站服务器及通信网络三部分组成。其中，客户端选用AlchemyTM Au1200作为主控芯片。该芯片采用了MIPS32核心，是针对数字多媒体播放器、汽车信息娱乐系统等应用领域设计的一款低功耗、高性能的嵌入式处理芯片。利用Au1200在媒体处理方面的优势及其丰富的外围接口，无线车载媒体处理器的系统框图如图2所示。用户可以通过按键控制整个系统无线传输、视频播放、视频监控等多种功能。

    服务器端使用通用的PC机服务器，为整个系统提供多媒体资源管理和无线网络服务。
    每个装有无线车载媒体处理器的车辆，可以通过无线网络连接服务器，并按照指定的方式传输媒体资源。

2 无线车载视频监控的硬件设计
    Au1200嵌入式处理器采用MIPS32核心，能够支持包括MEPG-1，MPEG-2，MPEG-4，WMV9，H．263，MP3，WMA，ASF，AVI和JPEG等多种媒体格式，其内部集成了专门的媒体加速引擎(Media Acceler-ation Engine，MAE)，不需要外部DSP，因而可以简化编程环境并减少组件，拥有丰富的片上资源和外部接口，支持USB 2．0，IDE，CCIR656摄像头等接口。无线车载视频监控硬件框图如图3所示。

    其中包括：
    (1)视频监控输入部分：采用Omni Vision公司的彩色CMOS图像传感器OV9650作为系统的视频输入设备，利用Au1200自带的CIM(Camera Interface Module)接口，可以方便地控制OV9650。通过I2C方式，配置OV9650摄像头的工作模式，通过CIM接口读入采集到的视频数据，并映射到内存单元中。根据不同流向需求，处理视频数据流，实现系统的录制、存储、播放、传送等功能。
    (2)视频监控数据存放部分：通过ffmpeg软压缩方法，将采集到的视频数据按指定视频格式实时压缩成文件存储于硬盘中。
    (3)视频监控数据的实时播放部分：采集到的视频数据映射到内存后，将RGB视频数据直接输出到LCD缓冲区中，即可实现监控视频在LCD设备中的实时播放。系统也支持视频输出到VGA接口的显示设备中实时播放。此时，需要将数字视频数据转换为模拟视频数据。可采用ADI公司的ADV7123芯片实现三路高速、10位输入的高速视频数／模转换。三路DAC可以分别处理红、绿、蓝视频数据，实现模拟显示终端的高分辨率显示。
    (4)视频监控的远程传输部分：通过客户端系统的无线网卡(支持802．11b／g)连接无线局域网络，将硬盘中的录像文件以无线的方式，上传到服务器中进行保存。
    (5)用户控制部分：系统设计功能按键，分别连接到支持中断的GPIO口上，用户通过按键选择方式，方便地对视频监控进行控制。

3 无线车载视频监控的软件设计
    无线车载视频监控的软件部分主要包括：
    (1)内核及驱动部分
    系统使用Linux 2．6．11内核作为系统的内核，通过make menuconfig命令，根据用户需要配置合适的内核和驱动，生成内核文件镜像。设备驱动程序与系统硬件紧密相关，通过修改和调试后模块化的集成于内核之中。所涉及到的驱动程序包括用户按键驱动、摄像头驱动、LCD／VGA显示驱动、硬盘驱动、播放器相关的MAE驱动和与无线传输相关的无线网卡驱动等。在此着重介绍系统摄像头驱动的关键部分。
    在摄像头驱动中，定义数据结构cim_cmos_cam-era_config对摄像头设备进行描述：

    [!--empirenews.page--]通过上述数据结构，可以有效地描述摄像头设备的各种参数。其中，config_cmd是一个十六进制的数组，对应不同工作模式的摄像头配置摄像头寄存器。
    驱动程序为上层应用提供了API接口，通过对应file_operations数据结构中的各个成员函数进行系统调用，在上层程序中，利用函数调用，读取驱动中fileoperations的相应成员函数指针，完成对应函数功能。
    在系统的CIM接口的驱动程序中做如下定义：

   
    其成员函数分别完成了与Au1200 CIM接口相连摄像头设备的打开、控制、读写、映射以及释放等基本功能。例如通过ioctl操作对摄像头进行配置：

    (2)库与协议栈部分
    为了支持上层应用程序的运行，软件系统中还必须包含众多与之相关的函数库和协议栈。其中，主要包括了与系统运行相关的基本函数库，与音视频编解码相关的音视频编码库，与用户界面相关的Qtopia库以及各种接口协议组成的协议栈。
    (3)应用层部分
    视频监控的软件流程图如图4所示。启动摄像头后，将采集到的视频数据映射到内存中。通过输出控制，选择视频数据的流向。其中，数据处理部分主要涉及与ffmpeg相关的视频压缩处理。

    (4)用户控制部分
    系统采用Qtopia-core-opensource-4．2．2开发用户界面。由于采用按键控制的方式，需要将按键驱动程序添加到QT库中。通过中断的方式，可以捕获按键信号，并通过QT中的信号与槽的机制控制信号传输，使得当每个按钮被按下时，触发用户程序中的某个函数，并将相应的信号量传递出去，从而实现对整个系统的控制。

4 基于ffmpeg的软压缩方法
     ffmpeg是一个开源免费的软件，它提供了录制、转换以及流化音视频的完整解决方案。使用ffmpeg软压缩的方式，不增加系统额外的硬件开销，对采集到的视频数据进行实时压缩。在视频处理应用程序的编写过程中，需要按照ffmpeg定义的数据结构来描述视频数据，调用ffmpeg中的各种库函数，将摄像头采集到的视频数据按照设定的格式进行压缩，并存成视频文件，其处理流程如图5所示。

    其中包括：
    (1)ffmpeg初始化：定义与视频处理相关的数据结构AVFormatContext，AVOutputFormat，AVStream，AVCodecContext，AVCodec，AVFrame，AVPicture等，并通过av_register_all()，av_alloc_format_context()等函数初始化相应的数据结构。
    (2)压缩参数设置：主要涉及到视频压缩的相关参数，如帧率、视频分辨率、编码类型等，通过av_set_parameters()函数进行设置。
    (3)图像格式转换和视频数据填充：按照视频监控要求，利用img_convert()等函数对图像格式进行转换，并将转换后的视频数据通过avpicture_fill()，fill_yuv_image()等函数填充到AVPicture数据结构中，以供编码器使用。
    (4)ffmpeg视频编码：利用avcodec_encode_rid-eo()，av_rescale_q()等函数，调用ffmpeg编码库进行视频编码。
    (5)文件存储操作：利用av_write_header()，av_write_frame()，av_write_trailer()等函数将压缩后的视频数据写入指定文件中。
    (6)采集结束：采集结束后，利用avcodec_close()，av free()等函数释放内存资源，退出程序。
    ffmpeg提供功能丰富的音视频函数库，包括libav-codec，libavformat，libavdevice，libavfilter，libavutil和libswscale等，可为用户提供许多音视频处理相关的操作。系统应用程序中调用到的ffmpeg相关函数主要依赖libavformat库(支持所有的普通音视格式的解析器和产生器的库)和libavcodec库(具有高效、高可复用的音频／视频编解码库)。

5 结 语
    本文介绍了基于Au1200无线车载视频监控的设计与实现，着重介绍了基于ffmpeg软压缩方法对视频数据的压缩和存储的实现，在实际应用中具有价值。