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基于StrongARM的視頻采集與處理系統(tǒng)
摘要：介紹一個基于StrongARM的視頻數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將采集到的連續(xù)視頻圖像數(shù)據(jù)以MJPEG的方式壓縮處理，然后由StrongARM進(jìn)行打包處理，生成UDP包，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。視頻服務(wù)器可以通過網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)）獲取視頻采集器發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，并對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲、回放等管理，同時視頻服務(wù)器也可以通過網(wǎng)絡(luò)控制視頻采集器上的攝像機(jī)及云臺。該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的數(shù)字化管理以及視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍峁┝私鉀Q方案，它以最新的MJPEG壓縮方式使視頻數(shù)據(jù)的管理更加方便可靠，并且使用Intel公司的StrongARMSA-1110高性能微處理器芯片作為處理平臺，使得該系統(tǒng)具安裝方便、配置靈活、便于攜帶等突出優(yōu)點(diǎn)，具有很大的市場應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：StrongARM視頻采集MJPEG嵌入式操作系統(tǒng)
數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)模擬監(jiān)控相比，優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)字化的視頻系統(tǒng)可以充分利用計(jì)算機(jī)快速處理能力，對其進(jìn)行壓縮、分析、存儲和顯示。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)更適合遠(yuǎn)距離傳輸。數(shù)字信息抗干擾能力強(qiáng)，不易受傳輸線路信號衰減的影響，而且能夠進(jìn)行加密傳輸，因而可以在數(shù)千公司之外現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)控。數(shù)字化視頻處理提高了圖像的質(zhì)量與監(jiān)控效率，系統(tǒng)易于管理和維護(hù)。整個系統(tǒng)是模塊化結(jié)構(gòu)，體積小，易于安裝、使用和維護(hù)。正是由于數(shù)字視頻監(jiān)控具有傳統(tǒng)模擬監(jiān)控?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且符合當(dāng)前信息社會中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢，所以數(shù)字視頻監(jiān)控正在逐步取代模擬監(jiān)控，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[6]。
目前市場上已經(jīng)投入使用的視頻采集設(shè)備多以計(jì)算機(jī)插卡的形式存在。而本系統(tǒng)的前端視頻采集設(shè)備使用的Intel公司的嵌入式處理器芯片StrongARM作為主體芯片，從而可以使其作為獨(dú)立的單元存在，并且具有體積小、處理能力強(qiáng)且功耗低的特點(diǎn)。該系統(tǒng)為數(shù)字化視頻監(jiān)控提供了解決方案。本文簡單介紹Intel的StrongARMSA-1110微處理芯片，詳細(xì)介紹視頻數(shù)據(jù)采集與處理端的硬件結(jié)構(gòu)，公司運(yùn)用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
1IntelStrongARMSA-1110微處理器
1.1SA-1110微處理器簡介[2]
Intel公司的SA-1110是一款通用RISC微處理器。它將16KB的指令Cache、8KB的數(shù)據(jù)Cache、一個小型Cache、一個寫緩存、一個讀緩存、一個內(nèi)存管理單元（MMU）集成在一個芯片中。它與ARMV4結(jié)構(gòu)的處理器在軟件上兼容，也可以使用一些支持ARM的芯片，如I/O、內(nèi)存以及視頻設(shè)備。
SA-1110芯片在PDA等手持計(jì)算機(jī)設(shè)備上有著廣闊的應(yīng)用，對于嵌入式操作系統(tǒng)和便攜式系統(tǒng)，SA-1110是很好的選擇。設(shè)計(jì)者可以在以SA-1110為平臺的嵌入式操作系統(tǒng)上開發(fā)各種應(yīng)用程序。
1.2SA-1110微處理器系統(tǒng)
SA-1110配置了功能強(qiáng)大的外圍邏輯電路，可以分為幾個模塊，如圖1所示。
�。�1）內(nèi)存和PCMCIA控制模塊（MPCM）
支持ROM、同步掩膜ROM（SMROM）、Flash、DRAMSDRAM、SRAM、SRAM-like可變延遲I/O以及PCMCIA控制信號。
�。�2）系統(tǒng)控制系模塊（SCM）
28個通用I/O端口、實(shí)時時鐘、Watchdog及內(nèi)部時鐘、電源管理控制器，中斷控制器、重啟控制器、兩個晶振（3.686MHz和32.768kHz）。
�。�3）外圍控制模塊（PCM）
6通道DMA控制器、LCD控制器、16550UART、紅外串行端口（115kbps、4Mbps）、同步串行接口（USB1100、UCB1200、SPI，TI，μWire）、通用串行總線（USB）設(shè)備控制器。
1.3SA-1110微處理器I/O管腳
SA-1110微處理器I/O管腳如圖2所示。
2基于SA-1110的視頻數(shù)據(jù)采集與壓縮系統(tǒng)
2.1系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)由一片A/D芯片（采用Philip公司的SAA7113）、一片MJPEG壓縮芯片（采用ZORAN公司的ZR36060）、一片高速FIFO（采用IDT公司的IDT72V271LA）、一片邏輯控制芯片（Xilinx公司）及基于StrongARMSA-1110上的嵌入式操作系統(tǒng)（采用Intel公司的Assabet）組成。A
/D芯片、MJPEG壓縮芯片及FIFO要完成4路攝像頭的輸入轉(zhuǎn)換、MJPEG壓縮及數(shù)據(jù)緩存。CPLD控制中斷請求及某些片選信號。A/D芯片和MJPEG壓縮芯片的工作均由基于SA-1110的嵌入式操作系統(tǒng)完成。
本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理框圖如圖3所示。
2.2系統(tǒng)工作流程
模擬輸入部分：攝像機(jī)將采集到的模擬數(shù)據(jù)發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行視頻解碼，模擬電路需要提供A/D轉(zhuǎn)換芯片所需要的時鐘頻率24.576MHz，A/D轉(zhuǎn)換芯片將用此頻率來同步JMJPEG壓縮芯片。模擬電路部分還包括對攝像機(jī)焦距和云臺轉(zhuǎn)向的控制電路。
視頻壓縮部分：MJPEG壓縮芯片將A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入的YUV格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行MJPEG格式的壓縮。MJPEG由JPEG圖像連接組成，相對JPEG圖像每幅都有自己的量化表和Huffman碼表。MJPEG可以僅使用一張量化表和Huffman碼表對連續(xù)幾十幀甚至上百幀圖像進(jìn)行壓縮，僅當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生丟失時才需要重新載入量化表和Huffman碼表。這一優(yōu)點(diǎn)大大降低了系統(tǒng)視頻解碼時所需要的開銷。而且，MJPEG可以分幀存儲，這給數(shù)據(jù)的管理和回放來了方便[4]。
邏輯譯碼電路：邏輯譯碼電路需要完成中斷請求的譯碼以及片選信號的譯碼，并提供降頻的時鐘信號等。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理：當(dāng)嵌入式操作系統(tǒng)啟動時，首先對子系統(tǒng)供電，將視頻采集系統(tǒng)的驅(qū)動程序載入設(shè)備管理器（DeviceManager），然后由應(yīng)用程序調(diào)用MDD層的初始化函數(shù)完成如下工作：
�。�1）通過I2C總線讀寫A/D轉(zhuǎn)換芯片寄存器進(jìn)行初始化；
�。�2）通過地址及數(shù)據(jù)總線對MJPEG壓縮芯片進(jìn)行初始化處理，裝入壓縮需要的量化表及Huffman碼表；
（3）初始化邏輯譯碼電路。
初始化完成后，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及通道切換都要通過中斷請求來完成的。對于嵌入式操作系統(tǒng)來講，此工作方式是合理的。因?yàn)榛赟A-1110的嵌入式操作系統(tǒng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A/D轉(zhuǎn)換芯片和MJPEG壓縮芯片的工作速度，中斷請求及中斷服務(wù)不會給系統(tǒng)帶來很大的負(fù)荷。系統(tǒng)采用A/D轉(zhuǎn)換芯片和MJPEG壓縮專用芯片進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)處理，也就說對4臺攝像機(jī)來講，只能分時地占用這些資源，這就要靠嵌入式操作系統(tǒng)來完成對通道選擇的控制及緩存數(shù)據(jù)的讀取。
對A/D轉(zhuǎn)換芯片來說，每完成一幀圖像的轉(zhuǎn)換，將輸入切換到另一個攝像頭上，開始接受下一個攝像頭的模擬數(shù)據(jù)（這一功能由SA-1110對I2C類型的A/D芯片進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)[5]）。因此它源源不斷地傳出輪流時分的4個攝像頭的視頻信息。MJPEG壓縮芯片則僅僅負(fù)責(zé)將收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并將結(jié)果寫入緩存FIFO。
當(dāng)子系統(tǒng)正常工作后，整個系統(tǒng)是中斷驅(qū)動的。有如下兩種中斷：
（1）MJPEG芯片對一幅圖片壓縮完成
這意味著一路攝像機(jī)輸入的圖像已經(jīng)完成。此時，系統(tǒng)會進(jìn)行通道選擇，將A/D芯片的輸入切換到另一臺攝像機(jī)上。這樣，下一幀圖像就是另一路攝像機(jī)輸入的，從而完成了攝像機(jī)對A/D轉(zhuǎn)換芯片的時分復(fù)用。這一操作通過I2C總線完成，通過對A/D芯片內(nèi)部寄存器的修改，切換A/D模擬輸入的通道。
（2）FIFO半滿指示
這意味著緩存正等待操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)移走，以便新的數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)將通過數(shù)據(jù)總線將FIFO中的數(shù)據(jù)讀入指定緩存。
至此，視頻數(shù)據(jù)采集過程已經(jīng)完成。接下來是對數(shù)據(jù)的處理，包括分辨數(shù)據(jù)源（攝像頭）、UDP打包處理進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。這一過程也由嵌入式操作系統(tǒng)完成。遠(yuǎn)端的服務(wù)器可以通過調(diào)用函數(shù)對攝像頭進(jìn)行調(diào)焦、轉(zhuǎn)向等控制。這一功能通過信令通道與嵌入操作系統(tǒng)之間通信來完成。遠(yuǎn)端的監(jiān)控服務(wù)器將通過LAN或WAN收到的UDP數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、解碼、顯示、管理等。
3本系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中的應(yīng)用
基于小型嵌入式操作系統(tǒng)的視頻采集傳輸系統(tǒng)非常適合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的應(yīng)用。如果數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程訪問能力，這意味著世界上任何有通信線路的地方，用戶都能夠使用PC機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)連接到他們的數(shù)字視頻服務(wù)順，從而選擇觀看到所需的視頻圖像。連接的網(wǎng)絡(luò)既可是局域網(wǎng)也可是廣域網(wǎng)，還可以是一個通過電話線的撥號網(wǎng)絡(luò)。
這樣的監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖4所示。
本文介紹的基于StrongARM的視頻采集和處理系統(tǒng)，采用MJPEG進(jìn)行圖像壓縮編碼，并使用基于SA-1110的嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行本地址數(shù)字處理并打包向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，使得數(shù)字視頻采集系統(tǒng)的所有功能都集成在一個小小的電子設(shè)備上。一根電話線、一根電源線、一個手持設(shè)備就可以組成一套完整的視頻控制系統(tǒng)遠(yuǎn)端設(shè)備，不需要早前的視頻采集卡等輔助設(shè)備與PC相連。集成度高、多路并行采集。這些特點(diǎn)使得本系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用前景。
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