多路MPEG-4監控系統的設計與實(shí)現

摘要：介紹了一個(gè)基于PCI總線(xiàn)的多路MPEC-4數字監控系統的設計與實(shí)現。本系統將采集到的多路音、視頻數據以MPEG-4標準進(jìn)行壓縮編碼，將編碼后的數據碼流通過(guò)PCI總線(xiàn)傳送至計算機，并進(jìn)行存儲、回放和檢索等處理。詳細介紹了整個(gè)系統的設計流程，同時(shí)介紹了板卡與主機之間實(shí)現高速數據傳輸的機制。本系統可在單機上實(shí)現16-32路的音、視頻監控，具有很高的性?xún)r(jià)比。

視頻監控系統的發(fā)展經(jīng)歷了模擬監控和數字監控兩個(gè)階段。與模擬監控系統相比，數字監控系統不僅可以利用計算機對數據進(jìn)行存儲、分析和檢索等處理，而且還具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、圖像質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。數字監控系統也可以和計算機網(wǎng)絡(luò )相結合來(lái)實(shí)現系

統的遠程控制，易于維護和管理。因此，數字監控系統正逐步取代模擬監控系統，具有良好的應用前景。

目前國內的數字視頻監控系統中單機的監控能力一般不超過(guò)16路，每路的圖像壓縮碼率的調節范圍較小，而且圖像格式主要以CIF為主[5～6]。本文介紹的系統在單機上最多可以達到32路的監控能力，而且可以保證音、視頻的嚴格同步。同時(shí)，本系統支持CIF和QCIF等多種圖像格式，壓縮碼率調節范圍較大，可以滿(mǎn)足多種場(chǎng)合的監控需求。

圖1

1 多路MPEG-4監控系統結構

本系統采用基于PCI總線(xiàn)板卡的架構，一塊板卡可以監控4路音、視頻數據。系統視頻輸入支持NTSC和PAL制式，采用MPEG-4標準對輸入的多路音、視頻信息進(jìn)行壓縮編碼、解碼，并提供運動(dòng)檢測等附加功能。在工控機上，利用軟件可以很方便地對采集到的音、視頻信息進(jìn)行存儲、檢索和回放。系統利用高速PCI總線(xiàn)與微機進(jìn)行通信，實(shí)現高速數據和控制碼流的傳輸。整個(gè)硬件系統由攝像和云臺模塊、電源模塊、視頻采集模塊、視頻預處理模塊、EPLD控制模塊、音頻編碼模塊、MPEG-4多媒體壓縮編碼模塊和PCI總線(xiàn)控制模塊組成，其連接框圖如圖1所示。

多路視頻采集模塊對輸入的視頻信號進(jìn)行模/數轉換。該模塊支持復合視頻輸入，經(jīng)過(guò)轉換后的輸出信號是符合ITU-656標準的4:2:2的數字視頻信號。同時(shí)，該模塊能夠自動(dòng)識別輸入信號的制式。其支持的復合視頻制式有NTSC、PAL和SECAM三種。

視頻預處理模塊通過(guò)對模塊中芯片的內部寄存器進(jìn)行設置來(lái)實(shí)現對視頻輸出的亮度、對比度和色度的調整，以及對視頻圖像尺寸、子圖的大小、位置等的控制。

EPLD控制模塊主要根據控制流信息將視頻預處理模塊輸出的ITU-656數字視頻進(jìn)行格式轉換，并輸出到MPEG-4壓縮編碼模塊中。同時(shí)，它也提供行、場(chǎng)等同步信號。EPLD控制模塊還根據后向控制流為音頻編碼模塊提供多路幀同步信號。

音頻編碼模塊對輸入的音頻進(jìn)行μ律PCM編碼。MPEG-4多媒體壓縮編碼模塊完成音、視頻信號的MPEG-4壓縮編碼，并輸出到PCI總線(xiàn)控制模塊，同時(shí)提供運動(dòng)檢測等附加信息。PCI總線(xiàn)控制模塊主要負責板卡與主機間的MPEG-4碼流和控制流信息的高速傳輸。

2 MPEG-4壓縮編碼模塊

MPEG-4壓縮編碼模塊采用的是INTIME公司的IME6400芯片。IME6400是一塊多通道實(shí)時(shí)數字音視頻MPEG-4/2/1壓縮芯片。它不僅可以支持原始的音、視頻信息，而且還支持PCM編碼的音頻信號等。IME6400具有多種輸出數據格式，這使得它在圖像數據存儲、傳輸等方面具有廣泛的應用。

IME6400是按照內部的fireware工作的。在實(shí)現上，fireware軟件既可以存放在一個(gè)外掛的ROM中，也可以從外部主機通過(guò)IME6400的Host Interface(主機接口)下載到芯片中去[1]。本系統中采用外掛ROM的方法，這樣用戶(hù)可以選擇fireware的版本并定期進(jìn)行軟件更新。IME6400的原理框圖[1]如圖2所示。

在本系統中，音頻編碼模塊和EPLD控制模塊的輸出與IME6400的音、視頻輸入模塊相連接，然后由IME6400完成音、視頻信號的MPEG-4壓縮編碼。IME6400利用主機接口和PCI總線(xiàn)控制模塊之間的相連，構成數據和控制通道。同時(shí)，外掛SDRAM用來(lái)存儲已編碼的碼流，而內部1KByte的FIFO用來(lái)實(shí)現編碼碼流的快速傳輸。外部主機可以按照規定的流程對一些恰當的主機接口控制寄存器進(jìn)行讀或寫(xiě)操作，還可以完成直接寄存器讀寫(xiě)、IME6400系統內存的訪(fǎng)問(wèn)、FIFO緩沖區的訪(fǎng)問(wèn)和firmware軟件的下載等操作。

除了上述功能外，IME6400還可以根據主機自定義的運動(dòng)檢測要求實(shí)現運動(dòng)檢測，并將檢測到的信息以包的形式傳送給主機。

3 PCl 總線(xiàn)控制模塊

PCI總線(xiàn)控制模塊采用的是PHILIPS公司的SAA7146A PCI橋芯片。它具有三個(gè)視頻DMA通道和四個(gè)音頻DMA通道，同時(shí)集成了一些單元模塊，如MMU、BPS和HPS等。它還包含了眾多接口，可以和眾多的音、視頻處理芯片實(shí)現無(wú)縫連接，為多媒體數據的傳輸和處理提供比較廣泛的應用。SAA7146A的原理框圖[2]如圖3所示。

數據擴展總線(xiàn)接口(DEBl)為外圍設備提供了8/16位的數據傳輸和控制功能，支持立即傳輸和塊傳輸兩種方式。在系統中，SAA7l46A的DEBI跟MPEG-4壓縮編碼模塊相連接，實(shí)現MPEG-4壓縮碼流的接收。同時(shí)，通過(guò)PCI總線(xiàn)接口模塊，利用DMA傳輸方式在計算機和硬件板卡間實(shí)現壓縮碼流的高速傳輸。SAA7146A具有I2C總線(xiàn)接口，可以很方便地對具有12C接口的外圍芯片進(jìn)行控制。

SAA7146A中的D1接口可以和視頻解碼芯片或視頻壓縮芯片相連接，利用HPS可以對視頻信號進(jìn)行定標、縮放等處理，也可以利用BRS對視頻信號進(jìn)行CIF、QCIF或者QQCIF格式轉換。 除此之外，SAA7146A還提供了與音頻處理芯片連接的多個(gè)接口。

4 高速數據傳輸機制的設計

整個(gè)系統的軟件主要由兩部分組成。一是設備驅動(dòng)程序，主要負責硬件板卡和計算機之間的交互；二是上層應用程序，用于實(shí)現系統的功能。由于多路監控系統的數據傳輸量非常大，因此設計一個(gè)高效的驅動(dòng)程序以實(shí)現高速數據傳輸對整個(gè)系統的性能具有

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