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多路MPEG-4监控系统的设计与实现
摘要：介绍了一个基于PCI总线的多路MPEC-4数字监控系统的设计与实现。本系统将采集到的多路音、视频数据以MPEG-4标准进行压缩编码，将编码后的数据码流通过PCI总线传送至计算机，并进行存储、回放和检索等处理。详细介绍了整个系统的设计流程，同时介绍了板卡与主机之间实现高速数据传输的机制。本系统可在单机上实现16-32路的音、视频监控，具有很高的性价比。视频监控系统的发展经历了模拟监控和数字监控两个阶段。与模拟监控系统相比，数字监控系统不仅可以利用计算机对数据进行存储、分析和检索等处理，而且还具有抗干扰能力强、传输距离远、图像质量高等优点。数字监控系统也可以和计算机网络相结合来实现系
统的远程控制，易于维护和管理。因此，数字监控系统正逐步取代模拟监控系统，具有良好的应用前景。
目前国内的数字视频监控系统中单机的监控能力一般不超过16路，每路的图像压缩码率的调节范围较小，而且图像格式主要以CIF为主[5～6]。本文介绍的系统在单机上最多可以达到32路的监控能力，而且可以保证音、视频的严格同步。同时，本系统支持CIF和QCIF等多种图像格式，压缩码率调节范围较大，可以满足多种场合的监控需求。
图1
1 多路MPEG-4监控系统结构
本系统采用基于PCI总线板卡的架构，一块板卡可以监控4路音、视频数据。系统视频输入支持NTSC和PAL制式，采用MPEG-4标准对输入的多路音、视频信息进行压缩编码、解码，并提供运动检测等附加功能。在工控机上，利用软件可以很方便地对采集到的音、视频信息进行存储、检索和回放。系统利用高速PCI总线与微机进行通信，实现高速数据和控制码流的传输。整个硬件系统由摄像和云台模块、电源模块、视频采集模块、视频预处理模块、EPLD控制模块、音频编码模块、MPEG-4多媒体压缩编码模块和PCI总线控制模块组成，其连接框图如图1所示。
多路视频采集模块对输入的视频信号进行模/数转换。该模块支持复合视频输入，经过转换后的输出信号是符合ITU-656标准的4:2:2的数字视频信号。同时，该模块能够自动识别输入信号的制式。其支持的复合视频制式有NTSC、PAL和SECAM三种。
视频预处理模块通过对模块中芯片的内部寄存器进行设置来实现对视频输出的亮度、对比度和色度的调整，以及对视频图像尺寸、子图的大小、位置等的控制。
EPLD控制模块主要根据控制流信息将视频预处理模块输出的ITU-656数字视频进行格式转换，并输出到MPEG-4压缩编码模块中。同时，它也提供行、场等同步信号。EPLD控制模块还根据后向控制流为音频编码模块提供多路帧同步信号。
音频编码模块对输入的音频进行μ律PCM编码。MPEG-4多媒体压缩编码模块完成音、视频信号的MPEG-4压缩编码，并输出到PCI总线控制模块，同时提供运动检测等附加信息。PCI总线控制模块主要负责板卡与主机间的MPEG-4码流和控制流信息的高速传输。
2 MPEG-4压缩编码模块
MPEG-4压缩编码模块采用的是INTIME公司的IME6400芯片。IME6400是一块多通道实时数字音视频MPEG-4/2/1压缩芯片。它不仅可以支持原始的音、视频信息，而且还支持PCM编码的音频信号等。IME6400具有多种输出数据格式，这使得它在图像数据存储、传输等方面具有广泛的应用。
IME6400是按照内部的fireware工作的。在实现上，fireware软件既可以存放在一个外挂的ROM中，也可以从外部主机通过IME6400的Host Interface(主机接口)下载到芯片中去[1]。本系统中采用外挂ROM的方法，这样用户可以选择fireware的版本并定期进行软件更新。IME6400的原理框图[1]如图2所示。
在本系统中，音频编码模块和EPLD控制模块的输出与IME6400的音、视频输入模块相连接，然后由IME6400完成音、视频信号的MPEG-4压缩编码。IME6400利用主机接口和PCI总线控制模块之间的相连，构成数据和控制通道。同时，外挂SDRAM用来存储已编码的码流，而内部1KByte的FIFO用来实现编码码流的快速传输。外部主机可以按照规定的流程对一些恰当的主机接口控制寄存器进行读或写操作，还可以完成直接寄存器读写、IME6400系统内存的访问、FIFO缓冲区的访问和firmware软件的下载等操作。
除了上述功能外，IME6400还可以根据主机自定义的运动检测要求实现运动检测，并将检测到的信息以包的形式传送给主机。
3 PCl 总线控制模块
PCI总线控制模块采用的是PHILIPS公司的SAA7146A PCI桥芯片。它具有三个视频DMA通道和四个音频DMA通道，同时集成了一些单元模块，如MMU、BPS和HPS等。它还包含了众多接口，可以和众多的音、视频处理芯片实现无缝连接，为多媒体数据的传输和处理提供比较广泛的应用。SAA7146A的原理框图[2]如图3所示。
数据扩展总线接口(DEBl)为外围设备提供了8/16位的数据传输和控制功能，支持立即传输和块传输两种方式。在系统中，SAA7l46A的DEBI跟MPEG-4压缩编码模块相连接，实现MPEG-4压缩码流的接收。同时，通过PCI总线接口模块，利用DMA传输方式在计算机和硬件板卡间实现压缩码流的高速传输。SAA7146A具有I2C总线接口，可以很方便地对具有12C接口的外围芯片进行控制。
SAA7146A中的D1接口可以和视频解码芯片或视频压缩芯片相连接，利用HPS可以对视频信号进行定标、缩放等处理，也可以利用BRS对视频信号进行CIF、QCIF或者QQCIF格式转换。 除此之外，SAA7146A还提供了与音频处理芯片连接的多个接口。
4 高速数据传输机制的设计
整个系统的软件主要由两部分组成。一是设备驱动程序，主要负责硬件板卡和计算机之间的交互；二是上层应用程序，用于实现系统的功能。由于多路监控系统的数据传输量非常大，因此设计一个高效的驱动程序以实现高速数据传输对整个系统的性能具有
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