??? 摘? 要: 介紹一個基于StrongARM的視頻數據采集處理系統。該系統將采集到的連續視頻圖像數據以MJPEG的方式進行壓縮處理,然后由StrongARM進行打包處理,生成UDP包,向網絡發送。視頻服務器可以通過網絡(局域網或廣域網)獲取視頻采集" title="視頻采集">視頻采集器發送的圖像數據,并對圖像數據進行顯示、存儲、回放等管理,同時視頻服務器也可以通過網絡控制視頻采集器上的攝像機及云臺。該系統為實現遠程實時監控系統,對監控數據的數字化管理以及視頻網絡傳輸等提供了解決方案,它以最新的MJPEG壓縮方式使視頻數據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,使得該系統具有安裝方便、配置靈活、便于攜帶等突出優點,具有很大的市場應用前景。
??? 關鍵詞: StrongARM? 視頻采集? MJPEG? 嵌入式操作系統
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??? 數字視頻監控系統與傳統模擬監控相比,優點在于數字化的視頻系統可以充分利用計算機的快速處理能力,對其進行壓縮、分析、存儲和顯示。數字視頻監控系統更適合遠距離傳輸。數字信息抗干擾能力強,不易受傳輸線路信號衰減的影響,而且能夠進行加密傳輸,因而可以在數千公里之外現場實時監控。數字化視頻處理提高了圖像的質量與監控效率,系統易于管理和維護。整個系統是模塊化結構,體積小,易于安裝、使用和維護。正是由于數字視頻監控具有傳統模擬監控無法比擬的優點,而且符合當前信息社會中數字化、網絡化和智能化的發展趨勢,所以數字視頻監控正在逐步取代模擬監控,廣泛應用于各行各業[6]。
??? 目前市場上已經投入使用的視頻采集設備多以計算機插卡的形式存在。而本系統的前端視頻采集設備使用Intel公司的嵌入式" title="的嵌入式">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立的單元存在,并且具有體積小、處理能力強且功耗低的特點。該系統為數字化視頻監控提供了解決方案。本文簡單介紹Intel的 StrongARM SA-1110微處理芯片,詳細介紹視頻數據采集與處理端的硬件結構,公司運用該系統可實現網絡實時監控系統設計方案。
1 Intel StrongARM SA-1110微處理器
1.1 SA-1110微處理器簡介[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的數據Cache、一個小型Cache、一個寫緩存、一個讀緩存、一個內存管理單元(MMU)集成在一塊芯片中。它與ARM V4結構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、內存以及視頻設備。
??? SA-1110芯片在PDA等手持計算機設備上有著廣闊的應用,對于嵌入式操作系統" title="嵌入式操作系統">嵌入式操作系統和便攜式系統,SA-1110是很好的選擇。設計者可以在以SA-1110為平臺的嵌入式操作系統上開發各種應用程序。
1.2 SA-1110微處理器系統
??? SA-1110配置了功能強大的外圍邏輯電路,可以分為幾個模塊,如圖1所示。
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??? (1)內存和PCMCIA控制模塊(MPCM)
??? 支持ROM、同步掩膜ROM(SMROM)、Flash、DRAM、SDRAM、SRAM、SRAM-like可變延遲I/O以及PCMCIA控制信號。
??? (2)系統控制模塊(SCM)
??? 28個通用I/O端口、實時時鐘、Watchdog及內部時鐘、電源管理控制器,中斷控制器、重啟控制器、兩個晶振(3.686MHz和32.768kHz)。
??? (3)外圍控制模塊(PCM)
??? 6通道DMA控制器、LCD控制器、16550 UART、紅外串行端口(115kbps、4Mbps)、同步串行接口(UCB1100、UCB1200、SPI,TI,μWire)、通用串行總線(USB)設備控制器。
1.3?SA-1110微處理器I/O管腳
????SA-1110微處理器I/O管腳如圖2所示。
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2 基于SA-1110的視頻數據采集與壓縮系統
2.1?? 系統組成
??? 本系統由一片A/D" title="A/D">A/D芯片(采用Philip公司的SAA7113)、一片MJPEG壓縮芯片(采用ZORAN公司的ZR36060)、一片高速FIFO(采用IDT公司的IDT72V271LA)、一片邏輯控制芯片(Xilinx公司)及基于StrongARM? SA-1110上的嵌入式操作系統(采用Intel公司的Assabet)組成。A/D芯片、MJPEG壓縮芯片以及FIFO要完成4路攝像頭的輸入轉換、MJPEG壓縮及數據緩存。CPLD控制中斷請求及某些片選信號。A/D芯片和MJPEG壓縮芯片的工作均由基于SA-1110的嵌入式操作系統完成。
??? 本系統數據采集及處理框圖如圖3所示。
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2.2 系統工作流程
??? 模擬輸入部分:攝像機將采集到的模擬數據發送到A/D轉換芯片" title="轉換芯片">轉換芯片進行視頻解碼,模擬電路需要提供A/D轉換芯片所需要的時鐘頻率24.576MHz,A/D轉換芯片將用此頻率來同步MJPEG壓縮芯片。模擬電路部分還包括對攝像機焦距和云臺轉向的控制電路。
??? 視頻壓縮部分:MJPEG壓縮芯片將A/D轉換芯片輸入的YUV格式的數據進行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可以僅使用一張量化表和Huffman碼表對連續幾十幀甚至上百幀圖像進行壓縮,僅當數據發生丟失時才需要重新載入量化表和Huffman碼表。這一優點大大降低了系統視頻解碼時所需要的開銷。而且,MJPEG可以分幀存儲,這給數據的管理和回放來了方便[4]。
??? 邏輯譯碼電路:邏輯譯碼電路需要完成中斷請求的譯碼以及片選信號的譯碼,并提供降頻的時鐘信號等。
??? 系統數據處理:當嵌入式操作系統啟動時,首先對子系統供電,將視頻采集系統的驅動程序載入設備管理器(Device Manager),然后由應用程序調用MDD層的初始化函數完成如下工作:
??? (1)通過I2C總線讀寫A/D轉換芯片寄存器進行初始化;
??? (2)通過地址及數據總線對MJPEG壓縮芯片進行初始化處理,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,系統采集數據及通道切換都要通過中斷請求來完成。對于嵌入式操作系統來講,此工作方式是合適的。因為基于SA-1110的嵌入式操作系統速度遠遠高于A/D轉換芯片和MJPEG壓縮芯片的工作速度,中斷請求及中斷服務不會給系統帶來很大的負荷。系統采用A/D轉換芯片和MJPEG壓縮專用芯片進行視頻數據處理,也就是說對4臺攝像機來講,只能分時地占用這些資源,這就要靠嵌入式操作系統來完成對通道選擇的控制及緩存數據的讀取。
??? 對A/D轉換芯片來說,每完成一幀圖像的轉換,將輸入切換到另一個攝像頭上,開始接受下一個攝像頭的模擬數據(這一功能由SA-1110對I2C類型的A/D芯片進行控制而實現[5])。因此它源源不斷地傳出輪流時分的4個攝像頭的視頻信息。MJPEG壓縮芯片則僅僅負責將收到的原始數據進行壓縮,并將結果寫入緩存FIFO。
??? 當子系統正常工作后,整個系統是中斷驅動的。有如下兩種中斷:
????(1)MJPEG芯片對一幅圖片壓縮完成
??? 這意味著一路攝像機輸入的圖像已經完成。此時,系統會進行通道選擇,將A/D芯片的輸入切換到另一臺攝像機上。這樣,下一幀圖像就是另一路攝像機輸入的,從而完成了攝像機對A/D轉換芯片的時分復用。這一操作通過I2C總線完成,通過對A/D芯片內部寄存器的修改,切換A/D模擬輸入的通道。
??? (2)FIFO半滿指示
??? 這意味著緩存正等待操作系統將數據移走,以便新的數據存儲。系統將通過數據總線將FIFO中的數據讀入指定緩存。
??? 至此,視頻數據采集過程已經完成。接下來是對數據的處理,包括分辨數據源(攝像頭)、UDP打包處理進行網絡發送。這一過程也由嵌入式操作系統完成。遠端的服務器可以通過調用函數對攝像頭進行調焦、轉向等控制。這一功能通過信令通道與嵌入式操作系統之間通信來完成。遠端的監控服務器將通過LAN或WAN收到的UDP數據進行處理、解碼、顯示、管理等。
3 本系統在網絡監控中的應用
??? 基于小型嵌入式操作系統的視頻采集傳輸系統非常適合網絡監控的應用。如果數字視頻監控系統提供遠程訪問能力,這意味著世界上任何有通信線路的地方,用戶都能夠使用PC機,通過網絡連接到他們的數字視頻服務器,從而選擇觀看到所需的視頻圖像。連接的網絡既可是局域網也可是廣域網,還可以是一個通過電話線的撥號網絡。
??? 這樣的監控系統框圖如圖4所示。
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??? 本文介紹的基于StrongARM的視頻采集和處理系統,采用MJPEG進行圖像壓縮編碼,并使用基于SA-1110的嵌入式操作系統進行本地化數字處理并打包向網絡發送,使得數字視頻采集系統的所有功能都集成在一個小小的電子設備上。一根電話線、一根電源線、一個手持設備就可以組成一套完整的視頻監控系統遠端設備,不需要早前的視頻采集卡等輔助設備與PC相連。集成度高、多路并行采集。這些特點使得本系統有廣泛的應用前景。
參考文獻
1 MicrosoftWindowsCE Device Driver Kit. MicrosoftPress Part No.097-0002205 ISBN:1-57231-856-2
2 IntelStrongARM SA-1110 Microprocessor Developer＇s Manual. June 2000. IntelCompany order number 278240-003
3 IntelStrongARM SA-1110 Microprocessor Development Board Manual. June 2000. Intel Company order number 278278-006
4 ZORANCorporation. ZORAN ZR36060 Datasheet.1998
5 PhilipsCorporation.PhilipsSAA71113 Datasheet.1998 Sept 4
6 蔡茂國,楊淑雯.基于DSP的遠程監控系統的設計與實現.電子技術應用,2001;27(9):52～54