基于StrongARM的視頻采集與處理系統(tǒng)

摘要：介紹一個(gè)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的方式進(jìn)行壓縮處理，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(guò)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(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、回放等管理，同時(shí)視頻服務(wù)器也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制視頻采集器上的攝像機(jī)及云臺(tái)。該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)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StrongARM SA-1110高性能微處理器芯片作為處理平臺(tái)，使得該系統(tǒng)具有安裝方便、配置靈活、便于攜帶等突出優(yōu)點(diǎn)，具有很大的市場(chǎng)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)的快速處理能力，對(duì)其進(jìn)行壓縮、分析、存儲(chǔ)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(hào)衰減的影響，而且能夠進(jìn)行加密傳輸，因而可以在數(shù)千公里之外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)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(gè)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(huì)中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)，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(chǎng)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(jiǎn)單介紹Intel 的 StrongARM SA-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(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 Intel StrongARM SA-1110微處理器

1.1 SA-1110微處理器簡(jiǎn)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(gè)小型Cache、一個(gè)寫(xiě)緩存、一個(gè)讀緩存、一個(gè)內(nèi)存管理單元(MMU)集成在一塊芯片中。它與ARM V4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(duì)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(tái)的嵌入式操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用程序。

1.2 SA-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(gè)模塊，如圖1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(shí)鐘頻率24.576MHz，A/D轉(zhuǎn)換芯片將用此頻率來(lái)同步MJPEG壓縮芯片。模擬電路部分還包括對(duì)攝像機(jī)焦距和云臺(tái)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，相比JPEG圖像每幅都有自己的量化表和Huffman碼表。MJPEG可以?xún)H使用一張量化表和Huffman碼表對(duì)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(shí)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(shí)所需要的開(kāi)銷(xiāo)。而且，MJPEG可以分幀存儲(chǔ)，這給數(shù)據(jù)的管理和回放來(lái)了方便[4]。

邏輯譯碼電路：邏輯譯碼電路需要完成中斷請(qǐng)求的譯碼以及片選信號(hào)的譯碼，并提供降頻的時(shí)鐘信號(hào)等。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理：當(dāng)嵌入式操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先對(duì)子系統(tǒng)供電，將視頻采集系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序載入設(shè)備管理器 Device Manager ，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(guò)I2C總線讀寫(xiě)A/D轉(zhuǎn)換芯片寄存器進(jìn)行初始化；

(2)通過(guò)地址及數(shù)據(jù)總線對(duì)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(guò)中斷請(qǐng)求來(lái)完成。對(duì)于嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)講，此工作方式是合適的。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(qǐng)求及中斷服務(wù)不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)很大的負(fù)荷。系統(tǒng)采用A/D轉(zhuǎn)換芯片和MJPEG壓縮專(zhuān)用芯片進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)處理，也就是說(shuō)對(duì)4臺(tái)攝像機(jī)來(lái)講，只能分時(shí)地占用這些資源，這就要靠嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)通道選擇的控制及緩存數(shù)據(jù)的讀取。

對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片來(lái)說(shuō)，每完成一幀圖像的轉(zhuǎn)換，將輸入切換到另一個(gè)攝像頭上，開(kāi)始接受下一個(gè)攝像頭的模擬數(shù)據(jù)(這一功能由SA-1110對(duì)I2C類(lèi)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(shí)分的4個(gè)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(xiě)入緩存FIFO。

當(dāng)子系統(tǒng)正常工作后，整個(gè)系統(tǒng)是中斷驅(qū)動(dòng)的。有如下兩種中斷：

(1)MJPEG芯片對(duì)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行通道選擇，將A/D芯片的輸入切換到另一臺(tái)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(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)分復(fù)用。這一操作通過(guò)I2C總線完成，通過(guò)對(duì)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(mǎn)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(chǔ)。系統(tǒng)將通過(guò)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(guò)程已經(jīng)完成。接下來(lái)是對(duì)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(guò)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(guò)調(diào)用函數(shù)對(duì)攝像頭進(jìn)行調(diào)焦、轉(zhuǎn)向等控制。這一功能通過(guò)信令通道與嵌入式操作系統(tǒng)之間通信來(lái)完成。遠(yuǎn)端的監(jiān)控服務(wù)器將通過(guò)LAN或WAN收到的HDP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(wèn)能力，這意味著世界上任何有通信線路的地方，用戶(hù)都能夠使用PC機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到他們的數(shù)字視頻服務(wù)器，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(gè)通過(guò)電話(huà)線的撥號(hào)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)行本地化數(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(gè)小小的電子設(shè)備上。一根電話(huà)線、一根電源線、一個(gè)手持設(shè)備就可以組成一套完整的視頻監(jiān)控系統(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。

參考文獻(xiàn)
1 Microsoft Windows CE Device Driver Kit． Microsoft Press Part No.097-0002205 ISBN:1-57231-856-2
2 Intel StrongARM SA-1110 Microprocessor Developer‘s Manual． June 2000． Intel Company order number 278240-003
3 Intel StrongARM SA-1110 Microprocessor Development Board Manual． June 2000． Intel Company order number 278278-006
4 ZORAN Corporation． ZORAN ZR36060 Datasheet．1998
5 Philips Corporation．Philips SAA71113 Datasheet．1998 Sept 4
6蔡茂國(guó)，楊淑雯．基于DSP的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．電子技術(shù)應(yīng)用，2001；27(9) 52~54