多路MPEG-4監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：介紹了一個基于PCI總線的多路MPEC-4數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。本系統(tǒng)將采集到的多路音、視頻數(shù)據(jù)以MPEG-4標準進行壓縮編碼，將編碼后的數(shù)據(jù)碼流通過PCI總線傳送至計算機，并進行存儲、回放和檢索等處理。詳細介紹了整個系統(tǒng)的設(shè)計流程，同時介紹了板卡與主機之間實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C制。本系統(tǒng)可在單機上實現(xiàn)16-32路的音、視頻監(jiān)控，具有很高的性價比。關(guān)鍵詞：數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng) MPEC-4 高速數(shù)據(jù)傳輸 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬監(jiān)控和數(shù)字監(jiān)控兩個階段。與模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比，數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以利用計算機對數(shù)據(jù)進行存儲、分析和檢索等處理，而且還具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、圖像質(zhì)量高等優(yōu)點。數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)也可以和計算機網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合來實現(xiàn)系 統(tǒng)的遠程控制，易于維護和管理。因此，數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)正逐步取代模擬監(jiān)控系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景。 目前國內(nèi)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中單機的監(jiān)控能力一般不超過16路，每路的圖像壓縮碼率的調(diào)節(jié)范圍較小，而且圖像格式主要以CIF為主[5～6]。本文介紹的系統(tǒng)在單機上最多可以達到32路的監(jiān)控能力，而且可以保證音、視頻的嚴格同步。同時，本系統(tǒng)支持CIF和QCIF等多種圖像格式，壓縮碼率調(diào)節(jié)范圍較大，可以滿足多種場合的監(jiān)控需求。圖11 多路MPEG-4監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)采用基于PCI總線板卡的架構(gòu)，一塊板卡可以監(jiān)控4路音、視頻數(shù)據(jù)。系統(tǒng)視頻輸入支持NTSC和PAL制式，采用MPEG-4標準對輸入的多路音、視頻信息進行壓縮編碼、解碼，并提供運動檢測等附加功能。在工控機上，利用軟件可以很方便地對采集到的音、視頻信息進行存儲、檢索和回放。系統(tǒng)利用高速PCI總線與微機進行通信，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)和控制碼流的傳輸。整個硬件系統(tǒng)由攝像和云臺模塊、電源模塊、視頻采集模塊、視頻預(yù)處理模塊、EPLD控制模塊、音頻編碼模塊、MPEG-4多媒體壓縮編碼模塊和PCI總線控制模塊組成，其連接框圖如圖1所示。 多路視頻采集模塊對輸入的視頻信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。該模塊支持復合視頻輸入，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的輸出信號是符合ITU-656標準的4:2:2的數(shù)字視頻信號。同時，該模塊能夠自動識別輸入信號的制式。其支持的復合視頻制式有NTSC、PAL和SECAM三種。 視頻預(yù)處理模塊通過對模塊中芯片的內(nèi)部寄存器進行設(shè)置來實現(xiàn)對視頻輸出的亮度、對比度和色度的調(diào)整，以及對視頻圖像尺寸、子圖的大小、位置等的控制。 EPLD控制模塊主要根據(jù)控制流信息將視頻預(yù)處理模塊輸出的ITU-656數(shù)字視頻進行格式轉(zhuǎn)換，并輸出到MPEG-4壓縮編碼模塊中。同時，它也提供行、場等同步信號。EPLD控制模塊還根據(jù)后向控制流為音頻編碼模塊提供多路幀同步信號。 音頻編碼模塊對輸入的音頻進行μ律PCM編碼。MPEG-4多媒體壓縮編碼模塊完成音、視頻信號的MPEG-4壓縮編碼，并輸出到PCI總線控制模塊，同時提供運動檢測等附加信息。PCI總線控制模塊主要負責板卡與主機間的MPEG-4碼流和控制流信息的高速傳輸。 2 MPEG-4壓縮編碼模塊 MPEG-4壓縮編碼模塊采用的是INTIME公司的IME6400芯片。IME6400是一塊多通道實時數(shù)字音視頻MPEG-4/2/1壓縮芯片。它不僅可以支持原始的音、視頻信息，而且還支持PCM編碼的音頻信號等。IME6400具有多種輸出數(shù)據(jù)格式，這使得它在圖像數(shù)據(jù)存儲、傳輸?shù)确矫婢哂袕V泛的應(yīng)用。 IME6400是按照內(nèi)部的fireware工作的。在實現(xiàn)上，fireware軟件既可以存放在一個外掛的ROM中，也可以從外部主機通過IME6400的Host Interface(主機接口)下載到芯片中去[1]。本系統(tǒng)中采用外掛ROM的方法，這樣用戶可以選擇fireware的版本并定期進行軟件更新。IME6400的原理框圖[1]如圖2所示。在本系統(tǒng)中，音頻編碼模塊和EPLD控制模塊的輸出與IME6400的音、視頻輸入模塊相連接，然后由IME6400完成音、視頻信號的MPEG-4壓縮編碼。IME6400利用主機接口和PCI總線控制模塊之間的相連，構(gòu)成數(shù)據(jù)和控制通道。同時，外掛SDRAM用來存儲已編碼的碼流，而內(nèi)部1KByte的FIFO用來實現(xiàn)編碼碼流的快速傳輸。外部主機可以按照規(guī)定的流程對一些恰當?shù)闹鳈C接口控制寄存器進行讀或?qū)懖僮?，還可以完成直接寄存器讀寫、IME6400系統(tǒng)內(nèi)存的訪問、FIFO緩沖區(qū)的訪問和firmware軟件的下載等操作。 除了上述功能外，IME6400還可以根據(jù)主機自定義的運動檢測要求實現(xiàn)運動檢測，并將檢測到的信息以包的形式傳送給主機。 3 PCl 總線控制模塊 PCI總線控制模塊采用的是PHILIPS公司的SAA7146A PCI橋芯片。它具有三個視頻DMA通道和四個音頻DMA通道，同時集成了一些單元模塊，如MMU、BPS和HPS等。它還包含了眾多接口，可以和眾多的音、視頻處理芯片實現(xiàn)無縫連接，為多媒體數(shù)據(jù)的傳輸和處理提供比較廣泛的應(yīng)用。SAA7146A的原理框圖[2]如圖3所示。 數(shù)據(jù)擴展總線接口(DEBl)為外圍設(shè)備提供了8/16位的數(shù)據(jù)傳輸和控制功能，支持立即傳輸和塊傳輸兩種方式。在系統(tǒng)中，SAA7l46A的DEBI跟MPEG-4壓縮編碼模塊相連接，實現(xiàn)MPEG-4壓縮碼流的接收。同時，通過PCI總線接口模塊，利用DMA傳輸方式在計算機和硬件板卡間實現(xiàn)壓縮碼流的高速傳輸。SAA7146A具有I2C總線接口，可以很方便地對具有12C接口的外圍芯片進行控制。 SAA7146A中的D1接口可以和視頻解碼芯片或視頻壓縮芯片相連接，利用HPS可以對視頻信號進行定標、縮放等處理，也可以利用BRS對視頻信號進行CIF、QCIF或者QQCIF格式轉(zhuǎn)換。 除此之外，SAA7146A還提供了與音頻處理芯片連接的多個接口。 4 高速數(shù)據(jù)傳輸機制的設(shè)計 整個系統(tǒng)的軟件主要由兩部分組成。一是設(shè)備驅(qū)動程序，主要負責硬件板卡和計算機之間的交互；二是上層應(yīng)用程序，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。由于多路監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量非常大，因此設(shè)計一個高效的驅(qū)動程序以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸對整個系統(tǒng)的性能具有重要的影響。圖34.1 驅(qū)動程序的設(shè)計 本系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序采用了Windows 2000下的Windows Driver Model(WDM)驅(qū)動程序。在Windows2000中，系統(tǒng)有兩種命名設(shè)備的方法：一種是使用符號連接名，但它的安全陛不是很好[4]；另一種是利用具有唯一性的GUID號表示設(shè)備接口。上層應(yīng)用程序可以通過上面兩種方法獲得有效的設(shè)備句柄，并利用這個設(shè)備句柄實現(xiàn)對設(shè)備驅(qū)動程序的訪問。當上層應(yīng)用程序調(diào)用WIN32AHI函數(shù)后，將由Win32子系統(tǒng)調(diào)用I/O服務(wù)接口，并傳送給內(nèi)核模式下的I/O系統(tǒng)服務(wù)模塊。接著，I/0管理器將檢查這個請求的參數(shù)，然后創(chuàng)建一個合適的I/O請求包(1RP)。這個IRP經(jīng)過分層驅(qū)動程序的處理傳送給一個合適的設(shè)備驅(qū)動程序，并由這個程序通過硬件抽象層對硬件進行操作，完成這個IRP請求。最后，I/O管理器把結(jié)果和數(shù)據(jù)還回給應(yīng)用程序[3]。 在本系統(tǒng)的Windows2000的WDM驅(qū)動程序中，除了基本的功能模塊[3](如PNP模塊、Dispatch模塊、Power模塊等)外，可以把其余部分大概分為板卡初始化模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、中斷服務(wù)模塊和DMA傳輸模塊等。 為了能夠使PCI總線控制模塊實時地從壓縮編碼模塊中讀取壓縮碼流，并及時地傳送給計算機，本系統(tǒng)采用了中斷機制。當壓縮編碼模塊中的FIFO滿時，壓縮編碼模塊產(chǎn)生一個中斷信號，通知PCI總線控制模塊啟動DMA，利用塊傳輸方式讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。同時，IME6400將后面的編碼數(shù)據(jù)暫存在外掛的SDRAM中。 PHILIPS公司的SAA7146A是一片具有總線主控DMA控制器的PCI橋芯片，可以實現(xiàn)內(nèi)存和設(shè)備間快速的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用“基于包”的DMA傳輸方式；同時，為了進一步提高速度，使DMA將數(shù)據(jù)直接搬移到用戶應(yīng)用程序中所申請的循環(huán)緩存區(qū)中。DMA的流程如圖4所示。其中，Saa7l46Read例程的主要功能是進行DMA的初始化操作，并啟動編碼碼流輸出。AdapterCon-trol例程確保計算機處理器高速緩存中的內(nèi)容為當前使用的內(nèi)存緩沖區(qū)中的內(nèi)容。DpcForIsr例程完成內(nèi)存物理地址和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度的獲得，并把它們寫到DMA控制寄存器中，該例程還在合適的條件下與應(yīng)用程序利用事件進行通信。 4.2 傳輸機制的設(shè)計 在數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，應(yīng)該仔細設(shè)計設(shè)備驅(qū)動程序和上層應(yīng)用程序間的數(shù)據(jù)傳輸機制，來確保數(shù)據(jù)的完整性和實時性。 Windows2000操作系統(tǒng)把虛擬內(nèi)存地址空間分為用戶模式的虛擬地址空間和內(nèi)核模式的地址空間。一般來講，內(nèi)核模式驅(qū)動程序幾乎不使用用戶模式的虛擬地址來訪問內(nèi)存。實際上，Windows2000操作系統(tǒng)為驅(qū)動程序訪問用戶模式的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)提供了一種方法：通過應(yīng)用程序調(diào)用DeviceIoControl、ReadFile和WriteFile等API函數(shù)，傳遞給這些函數(shù)用戶模式的虛擬地址和數(shù)據(jù)長度等參數(shù)，這樣就相當于向I/O管理器提供了一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。I/O管理器再根據(jù)設(shè)備驅(qū)動程序中指定的三種不同機制[3](buffer方式、direct方式和neither方式)中的一種，利用不同的實現(xiàn)方法來實現(xiàn)用戶模式和內(nèi)核模式間數(shù)據(jù)的共享。圖4Buffer方式是一種在對速度要求不高的情況下常用的方法。在本系統(tǒng)的板卡初始化模塊和參數(shù)設(shè)置模塊中，由于對速度、數(shù)據(jù)量的要求都不是很高，所以采用了這種方式的共享方法。但是在DMA傳輸模塊中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)大量的MPEG-4碼流的高速實時傳輸，本系統(tǒng)設(shè)法省去了數(shù)據(jù)傳輸中間的復制過程，將編碼碼流數(shù)據(jù)直接搬移到應(yīng)用程序的一個循環(huán)緩沖區(qū)中去。本系統(tǒng)采用的這種方法有點像neither方式，具體的實現(xiàn)方法如下：應(yīng)用程序申請并鎖定一塊循環(huán)緩沖區(qū)，然后將得到的這塊內(nèi)存的用戶模式虛擬地址和長度傳送給內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動程序。在設(shè)備驅(qū)動程序中，利用傳送下來的用戶模式地址和緩沖區(qū)長度為這塊用戶模式緩沖區(qū)創(chuàng)建MDL(內(nèi)存描述符)，并將它映射到內(nèi)核模式地址空間，得到一個內(nèi)核模式的虛擬地址，這樣驅(qū)動程序就可以通過這個地址直接訪問應(yīng)用程序申請的共享內(nèi)存塊。 除了上述的方法外，共享內(nèi)存塊也可以由內(nèi)核驅(qū)動程序申請的系統(tǒng)緩沖區(qū)來充當，并通過轉(zhuǎn)換得到用戶模式的虛擬地址，應(yīng)用程序就可以通過這個地址直接訪問系統(tǒng)地址。 另外，為了實現(xiàn)應(yīng)用程序和驅(qū)動程序的同步，采用了共享事件的方法[4]。在Windows2000中，應(yīng)用程序和內(nèi)核驅(qū)動程序可以共享同一命名的事件，這個事件可以由任意一方創(chuàng)建。當其中一方創(chuàng)建了一個事件后，就可以把這個事件的句柄傳送給另一方來實現(xiàn)事件的共享，然后通過一方捕獲事件信號態(tài)、另一方設(shè)置事件信號態(tài)的方法實現(xiàn)兩者間的通信。 在一臺CPU速度為1.8G、內(nèi)存為512M的工控機上，本系統(tǒng)可支持8塊壓縮板卡同時工作，從而提供對32路音視頻數(shù)據(jù)的監(jiān)控能力，系統(tǒng)的壓縮率在較寬的范圍內(nèi)可調(diào)。