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嵌入式多媒体监控系统中压缩/解压卡的设计解析
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2017-11-06
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1 MPEG-4 标准及其在多媒体监控系统中的应用
多媒体监控系统是多媒体技术在安防领域的新应用。音视频压缩技术是多媒体监控系统中的关键技术。在数字多媒体压缩领域内有很多国际标准，如ISO/ITU-T 技术委员会下的JPEG 标准，CCITT制定的H. 263标准，以及著名的MPEG标准等。
MPEG-4标准于2000年10月公布。MPEG-4 标准的主要特点是对图像中的内容进行编码， 其核心是基于内容的尺度可变性（Content - basedscalability） 。内容尺度可变性意味着给图像中的各个对象分配优先级。其中，比较重要的对象用较高的空间和（或） 时间分辨力表示。对甚低比特率应用来说，尺度可变性是一个关键的因素，因为它提供了自适应可用资源的能力。例如，这个功能允许使用者规定：对具有较高优先级的对象以可接受的质量显示，第二优先级的对象则以较低的质量显示，而其余内容（对象） 则不显示。对于监控系统来说，在绝大部分时间内，监视画面的背景都保持不变，因此在要求低比特率时，对于监视画面的背景部分可以以较低的质量显示，且不会影响整个画面的效果。本系统采用MPEG- 4 压缩标准，在实现上选择硬压缩和硬解压， 所用的压缩解压芯片为VWEB公司的VW2010 芯片。
2 硬件设计原理
2. 1 VW2010 芯片的主要特点
VW2010是VWEB公司开发的实时MPEG-4音视频压缩/ 解压芯片（CODEC） 。该芯片具有以下主要特点：
（1） 单片集成3 个信号处理/ 控制单元，包括一个视频编码（压缩） 器、一个视频解码（解压） 器和一个片内CPU（内部扩展一个音频编码DSP、一个音频解码DSP、一个多路复合单元和一个多路解复合单元） 。
（2） 为了达到可编程、高性能和低功耗，每个信号处理/ 控制单元都是由一个RISC处理器和专用的硬件加速器构成，视频编、解码器内部还集成一个专用的SDRAM。
（3） 在系统上电/ 复位时，视频编、解码器的固件程序从外部主机（host ）载入各自专用的SDRAM;片内CPU的固件程序载入VW2010外挂的SDRAM。
（4） 芯片主机接口采用标准PCI 接口。符合PCI局部总线规范2. 2 。
（5） 为了使编、解码性能达到最佳，VW2010内部集成了一个双通道DMAC。系统host直接通过主机接口对VW2010 进行控制，MPEG流数据则采用DMA方式传输。
（6） 提供了与PHILIPS公司兼容的I2C总线，方便对外围芯片的控制。
2. 2 基于VW2010 的压缩/ 解压卡硬件设计原理
压缩卡的原理框图如图1所示。CVBS信号先经过视频接收电路进行前端处理，包括阻抗匹配、限幅和钳位，然后通过视频解码电路产生符合VW2010视频接口标准的ITU656信号。视频解码电路的核心是一个视频解码芯片，解码芯片对CVBS信号进行A/ D转换和编码，产生ITU656 标准的并行数字电视信号。高档的视频解码器还支持图像尺寸缩放（ scaling） 和帧提取（decimating） 功能，如PHILIPS 公司的SAA7114 、SAA7115 以及Rockwell 公司的BT829A 等。由于VW2010的视频输入为ITU656/D1 格式，所以只需要选择具有基本A/D 转换和编码功能的视频解码芯片如SAA7113 即可。
图1 压缩卡原理图
模拟音频信号先经过模拟音频接收电路进行前端处理，然后通过音频ADC 产生符合VW2010音频接口标准的I2S 信号。VW2010是压缩卡的核心处理芯片，除了完成音视频编码外，还提供对解码器和ADC 的控制（通过I2C 总线） ，编码产生的MPEG流则通过芯片内部集成的PCI 接口输出。
多媒体监控系统是多媒体技术在安防领域的新应用。音视频压缩技术是多媒体监控系统中的关键技术。在数字多媒体压缩领域内有很多国际标准，如ISO/ITU-T 技术委员会下的JPEG 标准，CCITT制定的H. 263标准，以及著名的MPEG标准等。
MPEG-4标准于2000年10月公布。MPEG-4 标准的主要特点是对图像中的内容进行编码， 其核心是基于内容的尺度可变性（Content - basedscalability） 。内容尺度可变性意味着给图像中的各个对象分配优先级。其中，比较重要的对象用较高的空间和（或） 时间分辨力表示。对甚低比特率应用来说，尺度可变性是一个关键的因素，因为它提供了自适应可用资源的能力。例如，这个功能允许使用者规定：对具有较高优先级的对象以可接受的质量显示，第二优先级的对象则以较低的质量显示，而其余内容（对象） 则不显示。对于监控系统来说，在绝大部分时间内，监视画面的背景都保持不变，因此在要求低比特率时，对于监视画面的背景部分可以以较低的质量显示，且不会影响整个画面的效果。本系统采用MPEG- 4 压缩标准，在实现上选择硬压缩和硬解压， 所用的压缩解压芯片为VWEB公司的VW2010 芯片。
2 硬件设计原理
2. 1 VW2010 芯片的主要特点
VW2010是VWEB公司开发的实时MPEG-4音视频压缩/ 解压芯片（CODEC） 。该芯片具有以下主要特点：
（1） 单片集成3 个信号处理/ 控制单元，包括一个视频编码（压缩） 器、一个视频解码（解压） 器和一个片内CPU（内部扩展一个音频编码DSP、一个音频解码DSP、一个多路复合单元和一个多路解复合单元） 。
（2） 为了达到可编程、高性能和低功耗，每个信号处理/ 控制单元都是由一个RISC处理器和专用的硬件加速器构成，视频编、解码器内部还集成一个专用的SDRAM。
（3） 在系统上电/ 复位时，视频编、解码器的固件程序从外部主机（host ）载入各自专用的SDRAM;片内CPU的固件程序载入VW2010外挂的SDRAM。
（4） 芯片主机接口采用标准PCI 接口。符合PCI局部总线规范2. 2 。
（5） 为了使编、解码性能达到最佳，VW2010内部集成了一个双通道DMAC。系统host直接通过主机接口对VW2010 进行控制，MPEG流数据则采用DMA方式传输。
（6） 提供了与PHILIPS公司兼容的I2C总线，方便对外围芯片的控制。
2. 2 基于VW2010 的压缩/ 解压卡硬件设计原理
压缩卡的原理框图如图1所示。CVBS信号先经过视频接收电路进行前端处理，包括阻抗匹配、限幅和钳位，然后通过视频解码电路产生符合VW2010视频接口标准的ITU656信号。视频解码电路的核心是一个视频解码芯片，解码芯片对CVBS信号进行A/ D转换和编码，产生ITU656 标准的并行数字电视信号。高档的视频解码器还支持图像尺寸缩放（ scaling） 和帧提取（decimating） 功能，如PHILIPS 公司的SAA7114 、SAA7115 以及Rockwell 公司的BT829A 等。由于VW2010的视频输入为ITU656/D1 格式，所以只需要选择具有基本A/D 转换和编码功能的视频解码芯片如SAA7113 即可。
图1 压缩卡原理图
模拟音频信号先经过模拟音频接收电路进行前端处理，然后通过音频ADC 产生符合VW2010音频接口标准的I2S 信号。VW2010是压缩卡的核心处理芯片，除了完成音视频编码外，还提供对解码器和ADC 的控制（通过I2C 总线） ，编码产生的MPEG流则通过芯片内部集成的PCI 接口输出。
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