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基于VW2010芯片的嵌入式多媒體監(jiān)控系統(tǒng)壓縮/解壓卡設(shè)計(jì) ２
摘要：在簡(jiǎn)要分析了多媒體監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了一種基于VW2010壓縮／解壓芯片的多媒體壓縮／解壓卡的設(shè)計(jì)方案，給出了基于VW2010的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)壓縮和解壓卡的硬件結(jié)構(gòu)圖以及在Linux系統(tǒng)下VW2010的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)給出了在Linux Redhat 7.3下編寫(xiě)的測(cè)試程序，并進(jìn)行了全面的測(cè)試。１ ＭＰＥＧ－４標(biāo)準(zhǔn)及其在多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
多媒體監(jiān)控系統(tǒng)是多媒體技術(shù)在安防領(lǐng)域的新應(yīng)用。目前已廣泛應(yīng)用到金融、文博、酒店、交通、商業(yè)、醫(yī)院、工廠、學(xué)校、住宅小區(qū)物業(yè)管理等各個(gè)領(lǐng)域。從目前趨勢(shì)看，多媒體監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)展。
音視頻壓縮技術(shù)是多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。在數(shù)字多媒體壓縮（特別是視頻壓縮）領(lǐng)域內(nèi)有很多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如ＩＳＯ／ＩＴＵ－Ｔ技術(shù)委員會(huì)的ＪＰＥＧ標(biāo)準(zhǔn)、ＣＣＩＴＴ制定的Ｈ．２６３標(biāo)準(zhǔn)以及著名的ＭＰＥＧ標(biāo)準(zhǔn)等）。其中，ＭＰＥＧ－１標(biāo)準(zhǔn)適用于傳輸１．５Ｍｂｐｓ的運(yùn)動(dòng)圖形及其伴音編碼，它具有較高的壓縮比，其基本算法對(duì)于壓縮水平方向?yàn)椋常叮皞�(gè)像素、垂直方向?yàn)椋玻福競(jìng)�(gè)像素，并以每秒２４～３０幀畫(huà)面運(yùn)動(dòng)的圖像有較好的效果。早期的監(jiān)控系統(tǒng)很多都采用此標(biāo)準(zhǔn)（如著名的以色列芯片Ｚ１５１０即采用ＭＰＥＧ－１標(biāo)準(zhǔn)）；而ＭＰＥＧ－４標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)是可對(duì)圖像中的內(nèi)容進(jìn)行編碼，其核心是基于內(nèi)容尺度可變性（Ｃｏｎｔｅｎｔ－ｂａｓｅｄ ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ）。內(nèi)容尺度可變性意味著可以給圖像中的各個(gè)對(duì)象分配優(yōu)先級(jí)。其中，比較重要的對(duì)象用較高的空間和（或）時(shí)間分辨力表示。對(duì)于比較低的比特率應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，尺度可變性是一個(gè)關(guān)鍵的因素，因?yàn)樗峁┝俗赃m應(yīng)可用資源的能力。例如，這個(gè)功能允許對(duì)具有較高優(yōu)先級(jí)的對(duì)象用可接受的質(zhì)量進(jìn)行顯示，第二優(yōu)先級(jí)的對(duì)象則用較低的質(zhì)量顯示，而其余內(nèi)容（對(duì)象）則不顯示。對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在絕大部分時(shí)間內(nèi)，監(jiān)視畫(huà)面的背景都保持不變，因此，在要求的比特率比較低時(shí)，對(duì)于監(jiān)視畫(huà)面的背景部分可以以較低的質(zhì)量顯示，這樣并不會(huì)影響整個(gè)畫(huà)面的效果。
本系統(tǒng)采用ＭＰＥＧ－４壓縮標(biāo)準(zhǔn)，選擇的實(shí)現(xiàn)方式是硬壓縮和硬解壓，所用的壓縮解壓芯片為ＶＷＥＢ公司的ＶＷ２０１０。
２ 硬件設(shè)計(jì)原理
２．１ ＶＷ２０１０的主要特點(diǎn)
ＶＷ２０１０是ＶＷＥＢ公司開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)ＭＰＥＧ－４音視頻壓縮／解壓芯片（ＣＯＤＥＣ）。該芯片具有以下主要特點(diǎn)：
（１）片內(nèi)集成有３個(gè)信號(hào)處理／控制單元，包括一個(gè)視頻編碼（壓縮）器、一個(gè)視頻解碼（解壓）器和一個(gè)片內(nèi)ＣＰＵ（內(nèi)部擴(kuò)展一個(gè)音頻編碼ＤＳＰ、一個(gè)音頻解碼ＤＳＰ、一個(gè)多路復(fù)合單元和一個(gè)多路解復(fù)合單元）。ＶＷ２０１０芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖１所示。
（２）具有可編程、高性能和低功耗特點(diǎn)，因?yàn)槊總�(gè)信號(hào)處理／控制單元都由一個(gè)ＲＩＳＣ處理器和專用的硬件加速器構(gòu)成。此外，視頻編、解碼器內(nèi)部還集成了一個(gè)專用的ＳＤＲＡＭ。
（３）在系統(tǒng)上電／復(fù)位時(shí)，視頻編、解碼器的固件程序可由外部主機(jī)（ｈｏｓｔ）載入各自專用的ＳＤＲＡＭ；而片內(nèi)ＣＰＵ的固件程序則可載入ＶＷ２０１０外掛的ＳＤＲＡＭ。
（４）芯片的主機(jī)接口采用標(biāo)準(zhǔn)ＰＣＩ接口。符合ＰＣＩ局部總線規(guī)范２.２。
（５）為了使編、解碼性能達(dá)到最佳，ＶＷ２０１０內(nèi)部集成了一個(gè)雙通道ＤＭＡＣ。系統(tǒng)ｈｏｓｔ可直接通過(guò)主機(jī)接口對(duì)ＶＷ２０１０進(jìn)行控制，ＭＰＥＧ數(shù)據(jù)流采用ＤＭＡ方式傳輸。
（６）提供有與ＰＨＩＬＩＰＳ公司兼容的Ｉ２Ｃ總線，可方便地對(duì)外圍芯片進(jìn)行控制。
２．２ 基于ＶＷ２０１０的壓縮／解壓卡硬件設(shè)計(jì)
圖２所示是用ＶＷ２０１０設(shè)計(jì)的壓縮卡的原理框圖。圖中，ＣＶＢＳ信號(hào)先經(jīng)過(guò)視頻接收電路進(jìn)行前端處理（包括阻抗匹配、限幅和鉗位），然后通過(guò)視頻解碼電路產(chǎn)生符合ＶＷ２０１０視頻接口標(biāo)準(zhǔn)的ＩＴＵ６５６信號(hào)。 視頻解碼電路的核心是一個(gè)視頻解碼芯片，該解碼芯片用于對(duì)ＣＶＢＳ信號(hào)進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換和編碼，以產(chǎn)生ＩＴＵ６５６標(biāo)準(zhǔn)的并行數(shù)字電視信號(hào)。高檔的視頻解碼器還支持圖像尺寸縮放（ｓｃａｌｉｎｇ）和幀提取（ｄｅｃｉｍａｔｉｎｇ）功能，如ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＳＡＡ７１１４、ＳＡＡ７１１５以及Ｒｏｃｋｗｅｌｌ公司的ＢＴ８２９Ａ等。由于ＶＷ２０１０的視頻輸入為ＩＴＵ６５６／Ｄ１格式，所以只需要選擇具有基本Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換和編碼功能的視頻解碼芯片如ＳＡＡ７１１３即可。
在模擬音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬音頻接收電路進(jìn)行前端處理后，便可通過(guò)音頻ＡＤＣ電路產(chǎn)生符合ＶＷ２０１０音頻接口標(biāo)準(zhǔn)的Ｉ２Ｓ信號(hào)。
ＶＷ２０１０是壓縮卡的核心處理芯片，該芯片除可完成音、視頻信號(hào)的編碼外，還可提供對(duì)解碼器和ＡＤＣ的控制（通過(guò)Ｉ２Ｃ總線），其編碼產(chǎn)生的ＭＰＥＧ流可通過(guò)芯片內(nèi)部集成的ＰＣＩ接口輸出。ＶＷ２０１０的解壓操作是壓縮操作的逆過(guò)程，基本原理類似，基于ＶＷ２０１０的解壓卡原理框圖如圖３所示。
３ Ｌｉｎｕｘ下ＶＷ２０１０設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
３．１ 分層軟件體系結(jié)構(gòu)
按照操作系統(tǒng)的觀點(diǎn)，系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)應(yīng)為表１所列的分層結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)程序工作在核心態(tài)，并向下通過(guò)Ｃｈｉｐ ＡＰＩ實(shí)現(xiàn)對(duì)ＶＷ２０１０芯片的直接控制，向上則為應(yīng)用程序提供驅(qū)動(dòng)程序接口（Ｄｒｉｖｅｒ ＡＰＩ）。按照Ｒｕｂｉｎｉ先生的觀點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)程序提供的是機(jī)制，而不是
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