一種嵌入式視頻記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

20世紀(jì)90年代以來(lái)數(shù)字多媒體技術(shù)取得了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，超大規(guī)模集成電路及專用視頻壓縮處理芯片隨之迅速發(fā)展，同時(shí)隨著半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的容量也越來(lái)越大，這為研制數(shù)字化的音視頻記錄系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)數(shù)字化的記錄方法將視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)壓縮記錄在大容量的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器上，能有效消除噪聲、加快拷貝和復(fù)制速度，快速回放和查找，同時(shí)還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送，與傳統(tǒng)的磁帶式記錄系統(tǒng)相比有著巨大的優(yōu)勢(shì)?；诖?，作者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式控制模塊DIMM-PC/520IU和專用視頻處理芯片SZ1510硬件平臺(tái)的MPEG-1編碼標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成度高、功耗低、體積小、成本低，適合大量的各類視頻監(jiān)控和記錄應(yīng)用。

1 系統(tǒng)框架及原理說(shuō)明

本系統(tǒng)選用的主要模塊是主控單元DIMM-PC/520IU[1]和視頻壓縮芯片SZ1510，周圍外部設(shè)備有視頻解碼芯片SAA7113H，音頻分頻器MK2703，音頻解碼芯片AK4550， RAM芯片，ROM芯片，IDE硬盤和電源模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)加電后[2]，主控單元DIMM-PC調(diào)用程序，對(duì)視頻壓縮芯片SZ1510和視頻解碼芯片SAA7113H、音頻解碼芯片AK4550進(jìn)行初始化配置；模擬視頻信號(hào)傳送給視頻解碼芯片SAA7113H進(jìn)行解碼，生成CCIR視頻信號(hào)，AK4550采集輸入的模擬音頻信號(hào),生成PCM數(shù)字音頻流,分別送入壓縮編碼芯片SZ1510,壓縮成MPEG－1格式的視頻流，主控單元DINMM-PC將其以文件形式存儲(chǔ)到IDE硬盤。為解決音視頻同步問(wèn)題，音視頻同步采用視頻源的同步信號(hào)鎖定音頻編碼系統(tǒng)時(shí)鐘的方式。芯片SAA7713的LLC管腳輸出27MHz時(shí)鐘，經(jīng)分頻器驅(qū)動(dòng)，一路未分頻信號(hào)校準(zhǔn)SZ1510的系統(tǒng)時(shí)鐘，另一路經(jīng)過(guò)分頻器MK2703作為音頻編碼輸出系統(tǒng)時(shí)鐘。該27MHz信號(hào)在SZ1510內(nèi)部倍頻至54MHz對(duì)輸入的音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。

2 MPEG-1壓縮算法的基本原理

MPEG-1視頻壓縮技術(shù)是針對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)[3]。為了提高壓縮比，幀內(nèi)圖像數(shù)據(jù)壓縮和幀間數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)必須同時(shí)使用。幀內(nèi)算法與JPEG壓縮算法大致相同，采用基于DCT的變換編碼技術(shù)，用于減少空域冗余信息。幀間壓縮算法，采用預(yù)測(cè)法和插補(bǔ)法，預(yù)測(cè)法有因果預(yù)測(cè)器(純的預(yù)測(cè)編碼)，和非因果預(yù)測(cè)即插補(bǔ)編碼。預(yù)測(cè)誤差可再通過(guò)DCT變換編碼處理，進(jìn)一步壓縮。幀間編碼技術(shù)可減少時(shí)間軸方向的冗余信息。從而在上述幾個(gè)方面達(dá)到了對(duì)圖像冗余信息的高效壓縮。MPEG-1視頻壓縮的基本原理如圖2所示。

圖2 MPEG-1壓縮的基本原理框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制模塊我們選擇了Kontron公司DIMM-PC/520IU，采用AM5x86TM CPU,具有16KB 片內(nèi)一級(jí)緩存,芯片組是ElanTM SC520集成,運(yùn)行頻率133MHz，工作電壓為5V電壓，支持DOS、Linux、WinCE、Vxworks等多種操作系統(tǒng)，存儲(chǔ)溫度為－40℃～80℃，工作溫度0℃～60℃。DIMM-PC的所有模板使用了一種通用的DIMM-144內(nèi)存插座作為連接件,采用144線的金手指連接方式,其CPU模板和擴(kuò)展模板的插座略有區(qū)別,以防插錯(cuò),幾個(gè)擴(kuò)展模板間沒(méi)有區(qū)別，可以隨便接插就象ISA插槽一樣。CPU模板144接線分為幾類ISA總線信號(hào)SD[0:15]、SA[0:19]數(shù)據(jù)地址信號(hào)；IOW、IOR、SMEMR等各種讀寫控制信號(hào)，OSC、SYSCLK、DRQ、DACK等特別功能信號(hào),包含了標(biāo)準(zhǔn)ISA總線上的所有數(shù)據(jù)信號(hào)。

3.2 視頻音頻編解碼模塊設(shè)計(jì)

視頻解碼器采用Philips公司的SAA7113H,是一種從模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的9位視頻輸入處理器(VIP)[4]，它是能與MPEG－1編碼芯片SZ1510實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接口的視頻解碼器之一。它由兩通道的模擬預(yù)處理電路組成，包括源選擇、自動(dòng)鉗位電路與ADC、自動(dòng)增益控制、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、數(shù)字多標(biāo)準(zhǔn)解碼器、亮度、對(duì)比度、飽和度控制電路和一個(gè)色度空間矩陣。解碼器是基于行鎖定時(shí)鐘解碼原理，能解碼PAL和NTSC的色度信號(hào)為CCIR-601的顏色分量值。SAA7113H對(duì)輸入的視頻進(jìn)行采樣，解碼后生成8 bit/像素的CCIR-601數(shù)字視頻流，其電路由I2C總線控制[5]。音頻解碼器采用AK4550,它對(duì)模擬音頻進(jìn)行高信噪比16bit數(shù)字采樣,生成PCM數(shù)字音頻流。