隨著視頻壓縮技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)不斷推出。MPEG-4是由國際運(yùn)動(dòng)圖像專家組(MPEG)在繼MPEG-1和MPEG-2之后，制訂的又一個(gè)ISO／IEC標(biāo)準(zhǔn)，即ISO／IEC 14496。它能夠獲得更高的音／視頻壓縮率，具有基于內(nèi)容的交互能力。目前，國內(nèi)外許多公司都在開發(fā)有關(guān)MPEG-4視頻標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，最具代表意義的即是數(shù)字視頻錄像機(jī)(DVR)。

1 數(shù)字視頻錄像機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

在基于S3C2410與AT2042的數(shù)字視頻錄像機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，其終端設(shè)備以Samsung公司的32位處理器S3C2410為主控處理器，利用Pentamicro公司的AT2042芯片完成雙通道視頻編碼與解碼，其視頻錄像功能具有高分辨率和高質(zhì)量。本文將介紹此終端的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，并詳細(xì)分析系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，最后給出測試結(jié)果和結(jié)論。根據(jù)市場的需求，本系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)下列幾項(xiàng)指標(biāo)：

(1)實(shí)現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的編解碼；

(2)編解碼像素為720X576像素點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)25 f／s；

(3)實(shí)現(xiàn)JPEG編碼和解碼；

(4)實(shí)現(xiàn)USB／SD卡儲(chǔ)存。

1.1 基于S3C2410與AT2042的數(shù)字視頻錄像機(jī)整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要依靠AT2042的編解碼功能，系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示，它主要由視頻編碼子系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和視頻解碼子系統(tǒng)4大部分構(gòu)成。

韓國Pentamicro公司生產(chǎn)的AT2042芯片的功能模塊如圖2所示，AT2042是一個(gè)內(nèi)置微控制器ARM946E的2通道音視頻編解碼(A／VCODEC)芯片，主要完成對視頻和語音數(shù)據(jù)的編碼和解碼，支持多種音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，可直接與IBM，Motorola，ARM，XscaIe和Axis等多種CPU接口，無需其他附加電路。

1.2 視頻編解碼電路設(shè)計(jì)

視頻編解碼電路主要包括視頻編解碼電路和視頻壓縮／解壓芯片AT2042。其中，AT2042主要負(fù)責(zé)對數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行硬件壓縮和解壓縮，而視頻編解碼電路則是基帶模擬視頻信號和AT2042之間的一個(gè)接口電路，它包括一個(gè)視頻編碼芯片和一個(gè)視頻解碼芯片，主要負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的模／數(shù)和數(shù)／模轉(zhuǎn)換，以及數(shù)字視頻信號格式的轉(zhuǎn)換。在壓縮編碼過程中，輸入的NTSC／PAL／SECAM視頻信號先經(jīng)過視頻解碼芯片進(jìn)行前端處理，產(chǎn)生符合AT2042視頻接口標(biāo)準(zhǔn)的8 b ITU-R BT.656數(shù)字視頻信號。在外部主CPU的控制下，該數(shù)字視頻數(shù)據(jù)由壓縮／解壓芯片AT2042進(jìn)行硬件壓縮編碼，產(chǎn)生的編碼數(shù)據(jù)流通過芯片內(nèi)部集成的Mux FIFO接口輸出。網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的解壓縮編碼是壓縮編碼的逆過程，需要解壓的數(shù)據(jù)流通過AT2042內(nèi)部集成的Demux FIFO接口輸入。視頻采集接口框圖如圖3所示：

攝像頭采集輸出信號為NTSC，PAL或SECAM制式的電視信號，必須經(jīng)過視頻解碼處理才能轉(zhuǎn)化成適合AT2042進(jìn)行編碼的數(shù)字信號。TVP5150是TI公司生產(chǎn)的一款電視信號解碼專用芯片，它對輸入的模擬信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)化，通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器可以使輸出信號滿足RGB格式或YUV422格式。由于在本系統(tǒng)中AT2042視頻接口滿足ITU.RBT656標(biāo)準(zhǔn)，故TVP5150輸出配置為8位YUV422格式。如圖4所示。

現(xiàn)在的數(shù)字電視視頻接口還沒有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，故在視頻輸出端設(shè)計(jì)時(shí)，仍使用現(xiàn)在比較流行的A／V接口或S-video接口。由于上述2種接口傳輸?shù)臑槟M電視信號，故在AT2042的視頻輸出端口需要增加一級處理，即將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬電視信號。在后端設(shè)計(jì)中選用SAA7121，它是一款專用的電視信號編碼芯片，可以將輸入的數(shù)字信號經(jīng)過內(nèi)部的D／A轉(zhuǎn)化為適于傳輸?shù)哪M電視信號，通過配置相應(yīng)的寄存器可以輸出滿足S-video接口或復(fù)用接口的信號。

1.3 AT2042的主機(jī)接口

主控CPU(S3C2410)和AT2042是數(shù)字視頻錄像機(jī)的核心處理芯片，S3C2410控制整個(gè)數(shù)字視頻錄像機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行，AT2042除完成對視頻信號的硬件壓縮編碼外，還可對壓縮后的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行硬件解壓縮。AT2042壓縮編碼后的視頻數(shù)據(jù)通過芯片內(nèi)部集成的Mux FIFO接口輸出后，外部主CPU負(fù)責(zé)對其進(jìn)行USB存儲(chǔ)器處理，處理后的視頻數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在物理介質(zhì)上，以便在需要時(shí)通過鍵盤操作進(jìn)行回放。

圖5為S3C2410與AT2042接口框圖。

AT2042的CPU_SEL[2：0]是主控CPU選擇引腳，經(jīng)配置這幾個(gè)引腳的高低電平，使AT2042可選擇主控CPU，CPU_SEL[2：0]為010選擇ARM結(jié)構(gòu)芯片；

nCS，nWAIT等為總線控制信號線；

HCLK是AT2042主機(jī)接口的工作時(shí)鐘，一般要求工作在50 MHz，當(dāng)S3C2410在復(fù)位后設(shè)置FCLK為200MHz，HCLK為100 MHz，PCLK為50 MHz。故將S3C2410的PCLK引腳與AT2042的HCLK引腳相連。

通過這種機(jī)制，S3C2410可以實(shí)現(xiàn)簡單的訪問AT2042。

AT2042與CPU的通信機(jī)制如圖6所示，CPU對AT2042的控制和訪問主要通過AT2042的2個(gè)寄存器(status register和command register)和4個(gè)FIFO(Tx FIFO，Rx FIFO，Multiplex FIFO和De-Multiplex FIFO)完成。

2 數(shù)字視頻錄像機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)字視頻錄像機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括：Bootload代碼的編寫、Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核生成和Linux下驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的開發(fā)、文件系統(tǒng)的生成和配置以及用戶應(yīng)用程序4大塊。

數(shù)字視頻錄像機(jī)軟件開發(fā)的整體架構(gòu)如圖7所示。

2.1 系統(tǒng)啟動(dòng)Bootloader程序設(shè)計(jì)編寫

Bootloader是系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的第一個(gè)程序，其主要完成對硬件系統(tǒng)的初始化。具體包括：S3C2410的初始化、TVP5150功能配置、SAA7121功能配置、加載AT2042固件、以太網(wǎng)及串口初始化。由于在開機(jī)時(shí)要顯示開機(jī)畫面，故除在Bootloader中初始化相應(yīng)硬件資源外，還應(yīng)將開機(jī)畫面的圖片數(shù)據(jù)，傳送到AT2042SDRAM中。Bootloader整體流程圖如圖8所示。

顯示開機(jī)畫面，其主要通過AT2042的JPEG解碼功能來實(shí)現(xiàn)。首先配置AT2042的JPEG解碼功能，將要顯示圖像先以頭文件的形式添加到程序中，當(dāng)需要顯示時(shí)再將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給AT2042。

2.2 Linux系統(tǒng)的配置及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫

本系統(tǒng)使用的是Linux2.4.18內(nèi)核，在內(nèi)核配置中需增加以下幾個(gè)內(nèi)容：由于本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)對視頻編碼數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，故要添加內(nèi)核配置中USB support選項(xiàng)中的USB Mass storage support；在調(diào)試時(shí)需要通過以太網(wǎng)來燒些程序，故內(nèi)核配置時(shí)需添加LAN91C111網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，方法為在NetWork device support選項(xiàng)下選擇SMC91111 support，同時(shí)內(nèi)核要支持各種文件系統(tǒng)，需在File system選項(xiàng)下進(jìn)行相應(yīng)配置。

系設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要完成以下的功能：

AT2042設(shè)備驅(qū)動(dòng)子模塊系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和上層應(yīng)用程序之間的接口，AT2042設(shè)備驅(qū)動(dòng)子模塊是操作系統(tǒng)內(nèi)核和AT2042硬件設(shè)備之間的接口。操作系統(tǒng)內(nèi)核向AT2042設(shè)備驅(qū)動(dòng)子模塊提供內(nèi)核API和其他的內(nèi)核支持。AT2042設(shè)備驅(qū)動(dòng)子模塊為上層應(yīng)用程序屏蔽了AT2042硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，AT2042硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對AT2042硬件設(shè)備進(jìn)行操作。AT2042設(shè)備驅(qū)動(dòng)子模塊作為系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，主要完成對AT2042的初始化、編解碼數(shù)據(jù)的讀寫、以及編解碼功能參數(shù)的設(shè)置。包含的功能函數(shù)主要有模塊入口函數(shù)、設(shè)備操作函數(shù)集合和中斷服務(wù)程序等。

2.3 數(shù)字視頻錄像機(jī)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(1)界面顯示與菜單功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。界面和菜單的顯示是通過AT2042的OSD(on Screen Display)功能來實(shí)現(xiàn)的，AT2042共有3個(gè)顯示層面，分別為底層是背景層、中間是回放層，頂層是OSD層。

OSD層支持16色的調(diào)色板。由于AT2042自身沒有相應(yīng)的ROM存儲(chǔ)OSD所要顯示的圖片及文字?jǐn)?shù)據(jù)，故在利用OSD功能來顯示圖片或文字時(shí)，首先要將需顯示的圖片或文字?jǐn)?shù)據(jù)加載到AT2042的SDRAM中，然后調(diào)用顯示功能將圖片或文字顯示在OSD層上。

這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)過程中主要調(diào)用以下2個(gè)函數(shù)：

void at2042_load_font(uns8 * font_data，uns32font_data_size)該函數(shù)的主要功能是把要顯示的數(shù)據(jù)加載到AT2042的SDRAM中，同時(shí)設(shè)置顯示位置，即垂直、水平像素點(diǎn)的位置。

void osd_on_off(uns8 temp)該函數(shù)的功能是打開或關(guān)閉OSD模式。

(2)MPEG-4視頻編碼實(shí)現(xiàn)。該功能主要利用AT2042來實(shí)現(xiàn)。首先，配置相應(yīng)的編碼寄存器，例如編碼模式、編碼像素點(diǎn)、編碼幀率及設(shè)置編碼流格式(PES，PS，TS)等。本系統(tǒng)中采用MPEG-4模式、720X576、每秒25幀及生成PES流來對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

AT2042視頻編碼的流程如圖9所示。

實(shí)現(xiàn)這一功能主要通過對以下幾個(gè)函數(shù)的調(diào)用：

void set_encoder_parameter(uns16 hsize，uns16vsize，uns8 rate，uns8 mode)該函數(shù)用來設(shè)置編碼參數(shù)；

void video_encoder_start(uns8 mode)該函數(shù)用來啟動(dòng)AT2042的編碼功能；

void video_encoder_stop(uns8 mode)該函數(shù)用來關(guān)閉AT2042的編碼功能；

void encoding_stream_read(uns8 * data，uns32 data_size)該函數(shù)實(shí)現(xiàn)將編碼數(shù)據(jù)從MuxFIFO中讀出。

(3)解碼功能實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的具體流程如圖10所示。

實(shí)現(xiàn)這些功能主要通過對以下幾個(gè)函數(shù)的調(diào)用：

void set_decoder_parameter(uns16 hsize，uns16 vsize，uns8 rate，uns8 mode)該函數(shù)用來設(shè)置解碼參數(shù)；

void video_decoder_start(uns8 mode)該函數(shù)用來啟動(dòng)AT2042的解碼功能；

void video_decoder_stop(uns8 mode)該函數(shù)用來關(guān)閉AT2042的解碼功能；

void get_file_length(const char * file_name)該函數(shù)用來獲取文件的長度；

void video_replay(const char * file_name，uns8mode)該函主要實(shí)現(xiàn)對視頻文件的播放控制，mode控制播放模式(暫停、快進(jìn)、快退)。

3 測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測試，可以采用2套方案來完成。

(1)使用自行設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)，在該平臺(tái)上完成對視頻編解碼的測試。圖11為在本系統(tǒng)平臺(tái)上對編碼數(shù)據(jù)的解碼播放截圖。 

(2)將編碼后的視頻文件拷貝到PC機(jī)上，應(yīng)用Media Player、暴風(fēng)音影和風(fēng)雷音影等視頻播放軟件對編碼結(jié)果進(jìn)行測試，同時(shí)可以對比解碼播放的效果。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中視頻文件是以PES流形式保存到儲(chǔ)存介質(zhì)。PES滿足ISO13818標(biāo)準(zhǔn)，所以PC平臺(tái)上的普通視頻播放器都能播放該文件。圖12是用風(fēng)雷音影播放器對編碼結(jié)果進(jìn)行解碼播放的截圖。

由圖可以看出，解碼出的視頻文件是720X576像素點(diǎn)，解碼播放的速率為25.59 f／s。畫面沒有出現(xiàn)失真現(xiàn)象，沒有明顯的塊效應(yīng)。由表1中的數(shù)據(jù)可得，在使用AT2042對靜止圖像編碼時(shí)，可實(shí)現(xiàn)接近100：1的壓縮比，在對動(dòng)態(tài)畫面進(jìn)行編碼時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)40：1的壓縮比。

4 結(jié) 語

本文詳細(xì)介紹基于專用視頻編解碼芯片AT2042的數(shù)字視頻錄像機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)流程。該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的編碼和解碼，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了MPEG-4／MPEG-2／MPEG-1 H.263視頻標(biāo)準(zhǔn)，并已作為成型產(chǎn)品推向市場。