隨著視頻壓縮技術的迅猛發(fā)展，新的視頻壓縮標準不斷推出。MPEG-4是由國際運動圖像專家組(MPEG)在繼MPEG-1和MPEG-2之后，制訂的又一個ISO／IEC標準，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MPEG-4視頻標準的產(chǎn)品，最具代表意義的即是數(shù)字視頻錄像機(DVR)。

1 數(shù)字視頻錄像機的硬件設計

在基于S3C2410與AT2042的數(shù)字視頻錄像機的設計和實現(xiàn)中，其終端設備以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)整體設計，并詳細分析系統(tǒng)軟硬件設計，最后給出測試結果和結論。根據(jù)市場的需求，本系統(tǒng)預計實現(xiàn)下列幾項指標：

(1)實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的MPEG-4標準的編解碼；

(2)編解碼像素為720X576像素點，實現(xiàn)25 f／s；

(3)實現(xiàn)JPEG編碼和解碼；

(4)實現(xiàn)USB／SD卡儲存。

1.1 基于S3C2410與AT2042的數(shù)字視頻錄像機整體設計

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準，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 視頻編解碼電路設計

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主要負責對數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進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之間的一個接口電路，它包括一個視頻編碼芯片和一個視頻解碼芯片，主要負責視頻數(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)過視頻解碼芯片進行前端處理，產(chǎn)生符合AT2042視頻接口標準的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)絡視頻服務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行A／D轉(zhuǎn)化，通過設置相應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標準，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現(xiàn)統(tǒng)一的工業(yè)標準，故在視頻輸出端設計時，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。在后端設計中選用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，通過配置相應的寄存器可以輸出滿足S-video接口或復用接口的信號。

1.3 AT2042的主機接口

主控CPU(S3C2410)和AT2042是數(shù)字視頻錄像機的核心處理芯片，S3C2410控制整個數(shù)字視頻錄像機系統(tǒng)的運行，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負責對其進行USB存儲器處理，處理后的視頻數(shù)據(jù)可以存儲在物理介質(zhì)上，以便在需要時通過鍵盤操作進行回放。

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結構芯片；

nCS，nWAIT等為總線控制信號線；

HCLK是AT2042主機接口的工作時鐘，一般要求工作在50 MHz，當S3C2410在復位后設置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。

通過這種機制，S3C2410可以實現(xiàn)簡單的訪問AT2042。

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

2 數(shù)字視頻錄像機的軟件實現(xiàn)

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

數(shù)字視頻錄像機軟件開發(fā)的整體架構如圖7所示。

2.1 系統(tǒng)啟動Bootloader程序設計編寫

Bootloader是系統(tǒng)啟動時執(zhí)行的第一個程序，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。由于在開機時要顯示開機畫面，故除在Bootloader中初始化相應硬件資源外，還應將開機畫面的圖片數(shù)據(jù)，傳送到AT2042SDRAM中。Bootloader整體流程圖如圖8所示。

顯示開機畫面，其主要通過AT2042的JPEG解碼功能來實現(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，當需要顯示時再將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給AT2042。

2.2 Linux系統(tǒng)的配置及設備驅(qū)動程序的編寫

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內(nèi)容：由于本系統(tǒng)中要實現(xiàn)對視頻編碼數(shù)據(jù)的存儲，故要添加內(nèi)核配置中USB support選項中的USB Mass storage support；在調(diào)試時需要通過以太網(wǎng)來燒些程序，故內(nèi)核配置時需添加LAN91C111網(wǎng)卡驅(qū)動，方法為在NetWork device support選項下選擇SMC91111 support，同時內(nèi)核要支持各種文件系統(tǒng)，需在File system選項下進行相應配置。

系設備驅(qū)動程序主要完成以下的功能：

AT2042設備驅(qū)動子模塊系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和上層應用程序之間的接口，AT2042設備驅(qū)動子模塊是操作系統(tǒng)內(nèi)核和AT2042硬件設備之間的接口。操作系統(tǒng)內(nèi)核向AT2042設備驅(qū)動子模塊提供內(nèi)核API和其他的內(nèi)核支持。AT2042設備驅(qū)動子模塊為上層應用程序屏蔽了AT2042硬件的細節(jié)，這樣在應用程序看來，AT2042硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對AT2042硬件設備進行操作。AT2042設備驅(qū)動子模塊作為系統(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)的設置。包含的功能函數(shù)主要有模塊入口函數(shù)、設備操作函數(shù)集合和中斷服務程序等。

2.3 數(shù)字視頻錄像機應用軟件的設計與實現(xiàn)

(1)界面顯示與菜單功能的設計與實現(xiàn)。界面和菜單的顯示是通過AT2042的OSD(on Screen Display)功能來實現(xiàn)的，AT2042共有3個顯示層面，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自身沒有相應的ROM存儲OSD所要顯示的圖片及文字數(shù)據(jù)，故在利用OSD功能來顯示圖片或文字時，首先要將需顯示的圖片或文字數(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。

這個功能的實現(xiàn)過程中主要調(diào)用以下2個函數(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，同時設置顯示位置，即垂直、水平像素點的位置。

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

(2)MPEG-4視頻編碼實現(xiàn)。該功能主要利用AT2042來實現(xiàn)。首先，配置相應的編碼寄存器，例如編碼模式、編碼像素點、編碼幀率及設置編碼流格式(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)進行編碼。

AT2042視頻編碼的流程如圖9所示。

實現(xiàn)這一功能主要通過對以下幾個函數(shù)的調(diào)用：

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

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

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

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

(3)解碼功能實現(xiàn)。實現(xiàn)的具體流程如圖10所示。

實現(xiàn)這些功能主要通過對以下幾個函數(shù)的調(diào)用：

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

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

void video_decoder_stop(uns8 mode)該函數(shù)用來關閉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)該函主要實現(xiàn)對視頻文件的播放控制，mode控制播放模式(暫停、快進、快退)。

3 測試結果

實驗結果進行測試，可以采用2套方案來完成。

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

(2)將編碼后的視頻文件拷貝到PC機上，應用Media Player、暴風音影和風雷音影等視頻播放軟件對編碼結果進行測試，同時可以對比解碼播放的效果。因為本系統(tǒng)中視頻文件是以PES流形式保存到儲存介質(zhì)。PES滿足ISO13818標準，所以PC平臺上的普通視頻播放器都能播放該文件。圖12是用風雷音影播放器對編碼結果進行解碼播放的截圖。

由圖可以看出，解碼出的視頻文件是720X576像素點，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。由表1中的數(shù)據(jù)可得，在使用AT2042對靜止圖像編碼時，可實現(xiàn)接近100：1的壓縮比，在對動態(tài)畫面進行編碼時，可以實現(xiàn)40：1的壓縮比。

4 結 語

本文詳細介紹基于專用視頻編解碼芯片AT2042的數(shù)字視頻錄像機系統(tǒng)的硬件設計和軟件開發(fā)流程。該系統(tǒng)已實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的編碼和解碼，同時實現(xiàn)了MPEG-4／MPEG-2／MPEG-1 H.263視頻標準，并已作為成型產(chǎn)品推向市場。