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多路MPEG-4監控系統的設計與實現
摘要：介紹了一個基于PCI總線的多路MPEC-4數字監控系統的設計與實現。本系統將采集到的多路音、視頻數據以MPEG-4標準進行壓縮編碼，將編碼后的數據碼流通過PCI總線傳送至計算機，并進行存儲、回放和檢索等處理。詳細介紹了整個系統的設計流程，同時介紹了板卡與主機之間實現高速數據傳輸的機制。本系統可在單機上實現16-32路的音、視頻監控，具有很高的性價比。視頻監控系統的發展經歷了模擬監控和數字監控兩個階段。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、圖像質量高等優點。數字監控系統也可以和計算機網絡相結合來實現系
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，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，可以滿足多種場合的監控需求。
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、視頻信息進行壓縮編碼、解碼，并提供運動檢測等附加功能。在工控機上，利用軟件可以很方便地對采集到的音、視頻信息進行存儲、檢索和回放。系統利用高速PCI總線與微機進行通信，實現高速數據和控制碼流的傳輸。整個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行模/數轉換。該模塊支持復合視頻輸入，經過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，該模塊能夠自動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對模塊中芯片的內部寄存器進行設置來實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數字視頻進行格式轉換，并輸出到MPEG-4壓縮編碼模塊中。同時，它也提供行、場等同步信號。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總線控制模塊，同時提供運動檢測等附加信息。PCI總線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是一塊多通道實時數字音視頻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。在實現上，fireware軟件既可以存放在一個外掛的ROM中，也可以從外部主機通過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，這樣用戶可以選擇fireware的版本并定期進行軟件更新。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總線控制模塊之間的相連，構成數據和控制通道。同時，外掛SDRAM用來存儲已編碼的碼流，而內部1KByte的FIFO用來實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行讀或寫操作，還可以完成直接寄存器讀寫、IME6400系統內存的訪問、FIFO緩沖區的訪問和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檢測要求實現運動檢測，并將檢測到的信息以包的形式傳送給主機。
3 PCl 總線控制模塊
PCI總線控制模塊采用的是PHILIPS公司的SAA7146A PCI橋芯片。它具有三個視頻DMA通道和四個音頻DMA通道，同時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、視頻處理芯片實現無縫連接，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，實現MPEG-4壓縮碼流的接收。同時，通過PCI總線接口模塊，利用DMA傳輸方式在計算機和硬件板卡間實現壓縮碼流的高速傳輸。SAA7146A具有I2C總線接口，可以很方便地對具有12C接口的外圍芯片進行控制。
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可以對視頻信號進行定標、縮放等處理，也可以利用BRS對視頻信號進行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接口。
4 高速數據傳輸機制的設計
整個系統的軟件主要由兩部分組成。一是設備驅動程序，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，因此設計一個高效的驅動程序以實現高速數據傳輸對整個系統的性能具有
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