隨著科技的飛速發(fā)展，消費(fèi)類電子，通信，電視電影廣播與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)。而數(shù)字化信息，尤其是數(shù)字化視頻信息，具有數(shù)據(jù)量大，存儲(chǔ)傳輸困難的特點(diǎn)，是制約人類獲得信息的主要瓶頸。這種形勢(shì)對(duì)數(shù)字視頻記錄設(shè)備的研制提出了新的要求：大批量的應(yīng)用要求降低監(jiān)控記錄設(shè)備成本，多樣的應(yīng)用環(huán)境、分散、孤立的監(jiān)控點(diǎn)要求監(jiān)控記錄設(shè)備盡可能一體化、小型化、獨(dú)立、便攜、低功耗、供電方便、性能可靠。針對(duì)這些新問(wèn)題和新要求，作者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式系統(tǒng)和MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字錄像機(jī)，系統(tǒng)集成度高、體積小、功耗低、獨(dú)立、便攜，適合大量的各類視頻監(jiān)控和記錄應(yīng)用。
1 系統(tǒng)框架及原理說(shuō)明
本系統(tǒng)選用的主要模塊是低功耗ARM" title="ARM">ARM9系列微處理器EP9315和專業(yè)視頻壓縮編碼處理芯片IME6400，周圍外部設(shè)備有SAA7118 A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，RAM芯片，ROM芯片，網(wǎng)絡(luò)模塊和電源模塊。系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示。整個(gè)電路采用5V電源供電，系統(tǒng)啟動(dòng)后，外部輸入的視頻和音頻信號(hào)分別經(jīng)過(guò)視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和音頻模塊進(jìn)行解碼，隨后通過(guò)IIC總線送入IME6400視頻處理芯片生成MPEG-4視頻音頻復(fù)合數(shù)據(jù)流,系統(tǒng)控制芯片EP9315從IME6400的HOST總線將數(shù)據(jù)流取出存放到硬盤中，并且控制與外部設(shè)備的通信。
MPEG-4數(shù)字錄像機(jī)" title="MPEG-4數(shù)字錄像機(jī)">MPEG-4數(shù)字錄像機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)" height="199" onclick="get_larger(this)" src="http://files.chinaaet.com/images/20110706/226b7f2b-d3ee-47ff-b9b9-7db3ee27b896.jpg" width="521" />
圖1：系統(tǒng)總體框圖
2 MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)
2.1 MPEG-4壓縮算法的基本原理
MPEG-4視頻壓縮算法采用了基于對(duì)象的處理方案，對(duì)視頻圖像中的每個(gè)目標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)處理，能夠在保證圖像質(zhì)量的情況下，極大的降低碼率。在相同的圖像質(zhì)量下，MPEG－4的輸出碼流可以比MPEG－2降低一半。正因?yàn)槿绱?，MPEG－4壓縮算法已得到了廣泛的應(yīng)用。MPEG-4中視頻對(duì)象（VO）可能是場(chǎng)景中的某一物體、某個(gè)區(qū)域、也可能是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的二維、三維圖形等。VO的選定依賴于具體的應(yīng)用和系統(tǒng)所處的環(huán)境：在要求超低比特率的情況下，VO可以是一個(gè)矩形幀，與以前的MPEG-1、H.263標(biāo)準(zhǔn)兼容；對(duì)于基于內(nèi)容的應(yīng)用，每一個(gè)VO有三類信息描述：運(yùn)動(dòng)信息、形狀編碼、紋理編碼。MPEG-4的編碼結(jié)構(gòu)中，首先是從原始視頻流中分割出VO，之后由編碼控制機(jī)制為不同的VO及相應(yīng)的3種類型的信息分配碼率，然后是各個(gè)VO獨(dú)立編碼，最后將各VO的碼流復(fù)合成一個(gè)位流。解碼過(guò)程是編碼的逆過(guò)程。編碼的圖2所示：
2.2 MPEG-4碼流的形成
如圖3所示，MPEG-4壓縮算法將一幅圖象分為多個(gè)對(duì)象，這些對(duì)象按不同的層，每個(gè)層又分為不同的平面按順序變換為視頻碼流。它的基本視頻流格式如圖3所示。每個(gè)視頻對(duì)象分為多個(gè)視頻對(duì)象層，每個(gè)視頻對(duì)象層形成一個(gè)基本流，這一基本流類似與MPEG-2中的GOP。每個(gè)基本流都有自己的視頻對(duì)象序列頭，不同的視頻對(duì)象序列頭可以分別按不同的順序傳送，這就極大地提高了MPEG-4傳送流的靈活性。
圖3 MPEG-4視頻碼流的基本構(gòu)成
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 控制模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)控制模塊選用CIRRUS LOGIC公司的EP9315A微處理器，此處理器是基于ARM920T內(nèi)核，高性能，低功耗，32位CPU，自帶MMU,16k指令cache和16k數(shù)據(jù)cache和Maverick Crunch數(shù)學(xué)協(xié)處理器；主頻200MHz，系統(tǒng)總線100MHz；所支持的操作系統(tǒng)包括WINCE , Linux【1】。為了便于設(shè)計(jì)和調(diào)試，硬件設(shè)計(jì)上采用核心板加底板的模塊化設(shè)計(jì)方法，在核心板上集成了基于EP9315的最小系統(tǒng)，通過(guò)底板來(lái)擴(kuò)展外部功能。在核心板上主要配置了64MB的NAND Flash 和64MB的SDRAM及提供RTC時(shí)鐘和工作時(shí)鐘的晶體，并將其豐富的外設(shè)接口資源引出。在底板上擴(kuò)展出USB主機(jī)接口、以太網(wǎng)口、UART接口、IDE接口等，以實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。
EP9315支持硬盤的掛載，可以通過(guò)外部IDE接口將視頻數(shù)據(jù)直接存入硬盤，但在開(kāi)發(fā)初期采用通過(guò)與PC機(jī)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)掛載方式，將記錄數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議存入PC機(jī)硬盤中，便于回放和調(diào)試。IME6400的HOST接口映射到處理器的第6個(gè)Memory Bank中，將EP9315的nGCS3片選管腳直接連接IME6400的nCS，地址線ADD[1：5]通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)芯片后與HOST接口的HA[0：4]相連【2】，同時(shí)將IME6400異步模式下的中斷管腳GPIO0與EP9315的中斷管腳FPGIO1相連。
3.2 視頻音頻編解碼模塊設(shè)計(jì)
視頻A/D芯片選用Philips公司的高性能可編程解碼芯片SAA7118，該芯片支持多種輸入模式，具有抗混疊濾波、自動(dòng)鉗位、自動(dòng)增益變換、亮度、對(duì)比度、飽和度調(diào)整等功能，其工作時(shí)鐘為24.576MHz。通過(guò)設(shè)定SAA7118的內(nèi)部的配置寄存器93H[6]為1使能其HOST端口，實(shí)現(xiàn)與IME6400的無(wú)縫連接。音頻A/D芯片采用BURR-BROWN公司的PCM1800，它對(duì)模擬音頻進(jìn)行高信噪比20bit數(shù)字采樣，生成PCM數(shù)字音頻流。
壓縮編碼采用INTIME公司的MPEG-4編碼芯片IME6400。該芯片是一款高性能的單片多通道MPEG-4數(shù)字壓縮編碼芯片，它支持多種編碼模式和比特率控制，并提供了豐富的外圍硬件接口。IME6400總線具有四種工作模式，通過(guò)mode管腳定義，在這里mode[1:0]設(shè)定為11，即異步工作模式。在這種模式下，當(dāng)IME6400將GPIO0管腳置低電平時(shí)，F(xiàn)IFO緩沖區(qū)中存滿NFIFOSIZE＝1k大小的輸出數(shù)據(jù)流，外部接口在得到GPIO0下降沿電平后便可以從IME6400的HOST接口寄存器Encodedstream中讀取數(shù)據(jù)流。GPIO0管腳直接與EP9315的中斷管腳FGPIO相連，在處理器獲取下降沿信號(hào)后便中斷當(dāng)前操作，從IME6400讀取數(shù)據(jù)。在讀取完畢后，EP9315要向IME6400的HOST總線寄存器USER4發(fā)送一個(gè)不同值，通知IME6400數(shù)據(jù)讀取完成。隨后IME6400可以在FIFO中裝載新的壓縮數(shù)據(jù)流以保證EP9315的繼續(xù)讀取【3】。
4 軟件設(shè)計(jì)
Linux系統(tǒng)具有穩(wěn)定、高效、易定制、易裁減、開(kāi)放源碼等優(yōu)點(diǎn)，因此本系統(tǒng)選用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，在芯片中植入Linux系統(tǒng)作為視頻記錄的應(yīng)用環(huán)境。編寫Linux環(huán)境下的硬件設(shè)備接口程序主要分兩個(gè)部分：硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，驅(qū)動(dòng)程序需要在視頻錄像前加載到Linux內(nèi)核中，然后運(yùn)行記錄程序，本系統(tǒng)采用的動(dòng)態(tài)加載驅(qū)動(dòng)的方式。在前面說(shuō)過(guò)用網(wǎng)絡(luò)掛載硬盤來(lái)記錄視頻可以便于測(cè)試視頻錄像質(zhì)量和調(diào)試軟硬件，具體的操作是：在PC服務(wù)器上用nfs協(xié)議共享一個(gè)硬盤空間作為記錄硬盤，然后通過(guò)minicom串口通信定義EP9315啟動(dòng)時(shí)首先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)掛載記錄硬盤，
關(guān)鍵字：ARM MPEG-4數(shù)字錄像機(jī)
fconfig
fis load zImage
exec -c "root=/dev/nfs nfsroot=主機(jī)地址:共享硬盤空間 ip=嵌入式系統(tǒng)地址console=ttyS0，57600 devfs=mount"
隨后視頻錄像數(shù)據(jù)的處理就相當(dāng)于在PC機(jī)上進(jìn)行操作，可以克服嵌入式操作系統(tǒng)功能不全，可視化程度不高的缺點(diǎn)【4】。
4．1 驅(qū)動(dòng)程序編寫
編寫linux驅(qū)動(dòng)程序的最主要工作就是file_operations結(jié)構(gòu)中各入口點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，即對(duì)應(yīng)于open()、release()、read()、write()、ioctrl()等系統(tǒng)調(diào)用子函數(shù)的編寫【5】。
·Open函數(shù)ime6400_open(struct inode *inode, struct file *filp)，IME6400打開(kāi)后用于模塊加載后的計(jì)數(shù)，防止系統(tǒng)非法釋放模塊資源。
·Read函數(shù)ime6400_read(struct file *fp, char *buf, size_t size)，在IME6400數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀滿后從內(nèi)核空間傳送到用戶空間。
·Write函數(shù)ime6400_write(struct file * fp, const char * buf, size_t size, loff_t *ppos)，將攝像頭獲取數(shù)據(jù)從用戶空間傳送到內(nèi)核空間。
·Ioctrl函數(shù)ime6400_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int command, unsigned long arg)，用于從用戶空間向內(nèi)核空間傳遞定義參數(shù)。
此外，驅(qū)動(dòng)程序中還包括：
·IME6400片選的聲明
#define BASE_ADDR 0x28000000
將IME6400的片選信號(hào)映射到片選4（ncs4管腳）。
·IME6400中斷的申請(qǐng)
set_external_irq(IRQ_EINT8,EXT_FALLING_EDGE,GPIO_PULLUP_DIS); request_irq(IRQ_EINT8, &ime6400_irq, SA_INTERRUPT,"ime6400", NULL)。
根據(jù)硬件手冊(cè)，這里將中斷定義為中斷8，用于在IME6400存入內(nèi)核緩沖區(qū)后通知EP9315讀取數(shù)據(jù)流。
4．2 應(yīng)用程序編寫
本系統(tǒng)應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)在加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)后將視頻流從硬件接口層拷到存儲(chǔ)設(shè)備,具體操作上運(yùn)用了多線程設(shè)計(jì)方法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以共享進(jìn)程資源，線程間的轉(zhuǎn)換和調(diào)用時(shí)間短，效率高，聲明的幾個(gè)線程可以相互獨(dú)立地完成各自任務(wù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，傳遞參數(shù)。這里主要?jiǎng)?chuàng)建了三個(gè)線程：讀數(shù)據(jù)線程，寫數(shù)據(jù)線程，串口監(jiān)聽(tīng)線程。
pthread_create(&t1,NULL,(void *)read_thread,NULL);
pthread_create(&t2,NULL,(void *)write_thread,NULL);
pthread_create(&t1,NULL,(void *)listen_thread,NULL);
系統(tǒng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)首先通過(guò)IIC初始化EP9315和IME6400，然后串口監(jiān)聽(tīng)線程listen_thread()調(diào)用函數(shù)偵測(cè)是否有來(lái)自串口的控制指令輸入，如果沒(méi)有輸入指定指令將無(wú)限期等待，如果得到輸入指令則向讀線程read_thread()發(fā)送信號(hào)量sem,通知讀線程準(zhǔn)備調(diào)用讀取數(shù)據(jù)函數(shù)IME6400_read()。在IME6400中FIFO緩沖區(qū)內(nèi)記錄數(shù)據(jù)滿后系統(tǒng)獲得中斷，中斷程序?qū)?shù)據(jù)流拷入內(nèi)核空間，若緩沖區(qū)滿則讀線程調(diào)用ime_read()拷貝數(shù)據(jù)到用戶空間，并向IME6400寄存器USER4發(fā)送新的值通知IME6400可以存入新的記錄數(shù)據(jù)流，從而進(jìn)行下一步編碼。ime_read()拷貝完成后返回，由讀線程向?qū)懢€程發(fā)送信號(hào)量sem1通知寫線程write_thread()調(diào)用fwrite()函數(shù)將數(shù)據(jù)寫到硬盤，完成后發(fā)送信號(hào)量sem2通知讀線程，然后再由讀線程進(jìn)行下一輪類似前面的操作。與此同時(shí)，監(jiān)聽(tīng)線程一直在偵測(cè)是否有串口輸入的用戶指令，如果有則調(diào)用中止函數(shù)或重新初始化函數(shù)來(lái)退出程序或重新啟動(dòng)系統(tǒng)。
5 結(jié)論
該錄像系統(tǒng)已經(jīng)基本完成了測(cè)試工作，可以選擇8種分辨率和兩種幀率，最高標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到720×576分辨率，25fps。在選擇640×480分辨率，25fps錄制模式時(shí)，圖像質(zhì)量最好，圖像顯示穩(wěn)定，對(duì)于快速運(yùn)動(dòng)的物體可以無(wú)碼字丟失；在選擇720×576，全幀率模式時(shí)，硬盤可以連續(xù)錄制4～5個(gè)小時(shí)。目前系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題是改進(jìn)錄制高質(zhì)量圖像的碼流的穩(wěn)定性問(wèn)題，可以考慮在EP9315和硬盤之間加驅(qū)動(dòng)芯片以提高處理器掛載能力。
參考文獻(xiàn)：
【1】 EP9315 User`s Guide. CIRRUS LOGIC, Inc. 2004
【2】 EP9315 User`s Guide. CIRRUS LOGIC, Inc. 2004
【3】 IME6400 firmware manual. Intime Corporation. 2003
【4】 FS-EP9315 USER GUIDE ISSUE 1.8. Shenzhen uCdragon Technology Co. Ltd. 2005.6
【5】 錢晨 徐榮華 王欽若，基于linux操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，微計(jì)算機(jī)信息，2004.09, 131-133