基于MPEG-4的嵌入式多媒体监控系统中压缩/解压卡的设计与实现

1 MPEG-4 标准及其在多媒体监控系统中的应用

多媒体监控系统是多媒体技术在安防领域的新应用。音视频压缩技术是多媒体监控系统中的关键技术。在数字多媒体压缩领域内有很多国际标准,如ISO/ITU-T 技术委员会下的JPEG 标准,CCITT制定的H. 263标准,以及著名的MPEG标准等。

MPEG-4标准于2000年10月公布。MPEG-4 标准的主要特点是对图像中的内容进行编码, 其核心是基于内容的尺度可变性(Content - basedscalability) 。内容尺度可变性意味着给图像中的各个对象分配优先级。其中,比较重要的对象用较高的空间和(或) 时间分辨力表示。对甚低比特率应用来说,尺度可变性是一个关键的因素,因为它提供了自适应可用资源的能力。例如,这个功能允许使用者规定:对具有较高优先级的对象以可接受的质量显示,第二优先级的对象则以较低的质量显示,而其余内容(对象) 则不显示。对于监控系统来说,在绝大部分时间内,监视画面的背景都保持不变,因此在要求低比特率时,对于监视画面的背景部分可以以较低的质量显示,且不会影响整个画面的效果。本系统采用MPEG

- 4 压缩标准,在实现上选择硬压缩和硬解压, 所用的压缩解压芯片为VWEB公司的VW2010 芯片。

2 硬件设计原理

2.1 VW2010 芯片的主要特点

VW2010是VWEB公司开发的实时MPEG-4音视频压缩/ 解压芯片(CODEC) 。该芯片具有以下主要特点:

(1) 单片集成3 个信号处理/ 控制单元,包括一个视频编码(压缩) 器、一个视频解码(解压) 器和一个片内CPU(内部扩展一个音频编码DSP、一个音频解码DSP、一个多路复合单元和一个多路解复合单元) 。

(2) 为了达到可编程、高性能和低功耗,每个信号处理/ 控制单元都是由一个RISC处理器和专用的硬件加速器构成,视频编、解码器内部还集成一个专用的SDRAM。

(3) 在系统上电/ 复位时,视频编、解码器的固件程序从外部主机(host )载入各自专用的SDRAM;片内CPU的固件程序载入VW2010外挂的SDRAM。

(4) 芯片主机接口采用标准PCI 接口。符合PCI局部总线规范2. 2 。

(5) 为了使编、解码性能达到最佳,VW2010内部集成了一个双通道DMAC。系统host直接通过主机接口对VW2010 进行控制,MPEG流数据则采用DMA方式传输。

(6) 提供了与PHILIPS公司兼容的I2C总线,方便对外围芯片的控制。

2.2 基于VW2010 的压缩/ 解压卡硬件设计原理

压缩卡的原理框图如图1所示。CVBS信号先经过视频接收电路进行前端处理,包括阻抗匹配、限幅和钳位,然后通过视频解码电路产生符合VW2010视频接口标准的ITU656信号。视频解码电路的核心是一个视频解码芯片,解码芯片对CVBS信号进行A/ D转换和编码,产生ITU656 标准的并行数字电视信号。高档的视频解码器还支持图像尺寸缩放( scaling) 和帧提取(decimating) 功能,如PHILIPS 公司的SAA7114 、SAA7115 以及Rockwell 公司的BT829A 等。由于VW2010的视频输入为ITU656/D1 格式,所以只需要选择具有基本A/D 转换和编码功能的视频解码芯片如SAA7113 即可。

图1 　压缩卡原理图

模拟音频信号先经过模拟音频接收电路进行前端处理,然后通过音频ADC 产生符合VW2010音频接口标准的I2S 信号。VW2010是压缩卡的核心处理芯片,除了完成音视频编码外,还提供对解码器和ADC 的控制(通过I2C 总线) ,编码产生的MPEG流则通过芯片内部集成的PCI 接口输出。

解压是压缩的逆过程,基本原理类似,限于篇幅,不再赘述。

3 Linux 下V W2010 设备驱动程序设计

3.1 VW2010 与host 的通信机制

VW2010提供了三种用于同host 通信的机制: 直接访问内部寄存器、共享存储区( sharedmemory) 和DMA。VW2010允许host 直接访问其内部寄存器和外部存储单元,寄存器方式主要用于调试目的和下载固件程序; DMA 方式则负责VW2010 芯片和应用缓冲区之间的数据传输(如MPEG流数据) ;共享存储区机制是设备驱动程序和VW2010 间的主要通信方式。

3.1.1 共享存储区(shared memory)

VW2010 采用共享存储区机制接收host 的命令并返回命令执行结果。用于host 到VW2010 通信的共享存储区(以下简称SM-PC2VW) 位于en-coder SDRAM 中地址3F1800 处,共128 字节; 用于VW2010到host 通信的共享存储区(以下简称SM-VW2PC) 位于encoder SDRAM 中地址3F1880 处,共128 字节。

SM_PC2VW 的格式如表1 所示。表中,CMD 为命令码, 分别是: 读数据(CMD=1) 、发IOCTL 码(CMD=2) 、写数据(CMD=3) 、打开命令(CMD = 4) 和关闭命令(CMD=5) ; Int Flag为中断标识, Int Flag 为1 ,则VW2010 执行完CMD 定义的任务后将产生一个中断,为0 则不产生;Device Handle 由打开命令从firmware 中获得; 当CMD不同时,Parameters 有不同的含义,后面将详细讨论。

SM_VW2PC 的格式如表2 所示。ACK/NACK的含义是:如果SM_PC2VW 中Int Flag 为1 ,且命令CMD 成功执行,则为ACK;如果SM-PC2VW 中Int Flag 为1 ,且执行命令CMD 失败,则为NACK,并将错误码保存在Return Code 字段。

在发送其它命令之前必须先发送打开命令,此时,Device Handle 字段为0 ,Parameters 字段为打开类型( TSMUX , PSMUX , TSDEMUX 或PSDE-MUX) 。如果该命令成功执行, 则会在SM_VW2PC 的Device Handle字段返回所分配的Device Handle ;在SM_VW2PC 的Parameters字段返回辅助参数区的首地址(下面简称为X) 。辅助参数区由firmware 在encoder SDRAM 中动态分配,用于传递跟命令相关的参数。在结束使用共享内存区后,必须发送关闭命令以释放辅助参数区。

3.1.2 信号灯

由于共享存储区是临界资源,所以必须提供一种机制保证VW2010 和host 互斥地使用它们。为此,VW2010 分别给SM_PC2VW 和SM_VW2PC 提供了两个硬件信号灯, 由寄存器REG_INT1 和REG_INT2 的最低位实现。VW2010 为信号灯定义了两种操作: 写操作:向REG_INT1 或REG_INT2 的最低位写入1 ,释放共享存储区。读操作:返回REG _INT1 或REG_INT2 的最低位的值,同时清该位为0 。

3.1.3 host 到VW2010 的中断

host 通过向VW2010发中断的方式通知VW2010 从共享存储区读取主机命令。VW2010用寄存器REG_DHIU5实现host 到VW2010 的中断。REG_DHIU5 的最低四位用于保存中断计数,第五位为中断屏蔽位。host 向REG_DHIU5 每写一次, 中断计数加1 ; VW2010 每读REG_DHIU5 一次,中断计数减1 。只要中断计数不为0 ,则VW2010 内部的中断请求信号一直保持有效。

3.2 VW2010 数据读写和IOCTL 方法(method) 的实现

数据读写和IOCTL 的实现依赖于上述的共享存储区机制,在下面的讨论中,我们假设已经通过打开命令(CMD = 4) 从firmware 获取了DeviceHandle 和辅助参数区(首地址为X) 。

3.2.1 数据读写方法的实现

VW2010 采用DMA 方式实现与应用空间的数据交换。读/ 写命令用于建立从VW2010 到host 的DMA 通道并启动数据传输,它并不等待数据传输完成, 而是让DMA 传输在后台运行, 当DMA 传输结束后,VW2010 会中断主机。

当应用程序要读写数据时,它首先会分配一些缓冲区用于保存读写数据。这些缓冲区可以用首地址和长度标识,如可以用(Address ,Len) 代表首地址为Address、长度为Len的缓冲区。在发送读/写数据命令时,SM_PC2VW 的Parameters 字段为X ,辅助参数区的内容为应用空间数据缓冲区的信息,其格式即为上述的首地址和缓冲长度标识对(Address ,Len) 。VW2010 根据这些缓冲区信息建立到应用空间的DMA 通道。读数据方法的程序流程图如图2 所示,其中,左边是系统调用部分的流程图,右边则是中断服务部分的流程图。

图2 读数据方法流程图

3.2.2 IOCTL 方法的实现

VW2010 定义了许多IOCTL 码用于控制VW2010 芯片,各个IOCTL 码的参数各不相同.需要注意的是此处的IOCTL 码不同于Driver API中的IOCTL 码。该命令与读写数据命令的主要区别在于其命令辅助参数存储区的格式不同,而控制流程类似,限于篇幅,不再赘述。

4 实验与测试

为了测试压缩/ 解压卡和设备驱动程序的性能,作者在Linux Redhat7. 3下编写了测试程序。测试中,分别让VW2010 芯片工作在以下几种模式:手动录像模式、定时录像模式和动态侦测录像模式。结果都能稳定工作。

5 总结

本文详细介绍了基于VW2010 芯片的MPEG-4压缩/ 解压卡的设计方法, 包括硬件设计和Linux 下的设备驱动程序的设计,并在实际中进行了全面的测试。VW2010功能强大,编解码高效且外围电路简单,具有重要的实际应用价值。