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基于StrongARM的視頻采集與處理系統(tǒng)
摘要：介紹一個基于StrongARM的視頻數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將采集到的連續(xù)視頻圖像數(shù)據(jù)以MJPEG的方式壓縮處理，然后由StrongARM進行打包處理，生成UDP包，向網絡發(fā)送。視頻服務器可以通過網絡（局域網或廣域網）獲取視頻采集器發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，并對圖像數(shù)據(jù)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(tǒng)為實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)，對監(jiān)控數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理以及視頻網絡傳輸?shù)忍峁┝私鉀Q方案，它以最新的MJPEG壓縮方式使視頻數(shù)據(jù)的管理更加方便可靠，并且使用Intel公司的StrongARMSA-1110高性能微處理器芯片作為處理平臺，使得該系統(tǒng)具安裝方便、配置靈活、便于攜帶等突出優(yōu)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(tǒng)
數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)模擬監(jiān)控相比，優(yōu)點在于數(shù)字化的視頻系統(tǒng)可以充分利用計算機快速處理能力，對其進行壓縮、分析、存儲和顯示。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)更適合遠距離傳輸。數(shù)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(shù)千公司之外現(xiàn)場實時監(jiān)控。數(shù)字化視頻處理提高了圖像的質量與監(jiān)控效率，系統(tǒng)易于管理和維護。整個系統(tǒng)是模塊化結構，體積小，易于安裝、使用和維護。正是由于數(shù)字視頻監(jiān)控具有傳統(tǒng)模擬監(jiān)控無法比擬的優(yōu)點，而且符合當前信息社會中數(shù)字化、網絡化和智能化的發(fā)展趨勢，所以數(shù)字視頻監(jiān)控正在逐步取代模擬監(jiān)控，廣泛應用于各行各業(yè)[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(tǒng)的前端視頻采集設備使用的Intel公司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(tǒng)為數(shù)字化視頻監(jiān)控提供了解決方案。本文簡單介紹Intel的StrongARMSA-1110微處理芯片，詳細介紹視頻數(shù)據(jù)采集與處理端的硬件結構，公司運用該系統(tǒng)可實現(xiàn)網絡實時監(jiān)控系統(tǒng)設計方案。
1IntelStrongARMSA-1110微處理器
1.1SA-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(shù)據(jù)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）集成在一個芯片中。它與ARMV4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(tǒng)和便攜式系統(tǒng)，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(tǒng)上開發(fā)各種應用程序。
1.2SA-1110微處理器系統(tǒng)
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。
（1）內存和PCMCIA控制模塊（MPCM）
支持ROM、同步掩膜ROM（SMROM）、Flash、DRAMSDRAM、SRAM、SRAM-like可變延遲I/O以及PCMCIA控制信號。
（2）系統(tǒng)控制系模塊（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、16550UART、紅外串行端口（115kbps、4Mbps）、同步串行接口（USB1100、UCB1200、SPI，TI，μWire）、通用串行總線（USB）設備控制器。
1.3SA-1110微處理器I/O管腳
SA-1110微處理器I/O管腳如圖2所示。
2基于SA-1110的視頻數(shù)據(jù)采集與壓縮系統(tǒng)
2.1系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)由一片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StrongARMSA-1110上的嵌入式操作系統(tǒng)（采用Intel公司的Assabet）組成。A
/D芯片、MJPEG壓縮芯片及FIFO要完成4路攝像頭的輸入轉換、MJPEG壓縮及數(shù)據(jù)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(tǒng)完成。
本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理框圖如圖3所示。
2.2系統(tǒng)工作流程
模擬輸入部分：攝像機將采集到的模擬數(shù)據(jù)發(fā)送到A/D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JMJPEG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(shù)據(jù)進行MJPEG格式的壓縮。MJPEG由JPEG圖像連接組成，相對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(xù)幾十幀甚至上百幀圖像進行壓縮，僅當數(shù)據(jù)發(fā)生丟失時才需要重新載入量化表和Huffman碼表。這一優(yōu)點大大降低了系統(tǒng)視頻解碼時所需要的開銷。而且，MJPEG可以分幀存儲，這給數(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)處理：當嵌入式操作系統(tǒng)啟動時，首先對子系統(tǒng)供電，將視頻采集系統(tǒng)的驅動程序載入設備管理器（DeviceManager），然后由應用程序調用MDD層的初始化函數(shù)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(shù)據(jù)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(tǒng)采集數(shù)據(jù)及通道切換都要通過中斷請求來完成的。對于嵌入式操作系統(tǒng)來講，此工作方式是合理的。因為基于SA-1110的嵌入式操作系統(tǒng)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(tǒng)帶來很大的負荷。系統(tǒng)采用A/D轉換芯片和MJPEG壓縮專用芯片進行視頻數(shù)據(jù)處理，也就說對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(tǒng)來完成對通道選擇的控制及緩存數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)（這一功能由SA-1110對I2C類型的A/D芯片進行控制而實現(xiàn)[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(shù)據(jù)進行壓縮，并將結果寫入緩存FIFO。
當子系統(tǒng)正常工作后，整個系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)將數(shù)據(jù)移走，以便新的數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)將通過數(shù)據(jù)總線將FIFO中的數(shù)據(jù)讀入指定緩存。
至此，視頻數(shù)據(jù)采集過程已經完成。接下來是對數(shù)據(jù)的處理，包括分辨數(shù)據(jù)源（攝像頭）、UDP打包處理進行網絡發(fā)送。這一過程也由嵌入式操作系統(tǒng)完成。遠端的服務器可以通過調用函數(shù)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操作系統(tǒng)之間通信來完成。遠端的監(jiān)控服務器將通過LAN或WAN收到的UDP數(shù)據(jù)進行處理、解碼、顯示、管理等。
3本系統(tǒng)在網絡監(jiān)控中的應用
基于小型嵌入式操作系統(tǒng)的視頻采集傳輸系統(tǒng)非常適合網絡監(jiān)控的應用。如果數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)字視頻服務順，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(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖4所示。
本文介紹的基于StrongARM的視頻采集和處理系統(tǒng)，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(tǒng)進行本地址數(shù)字處理并打包向網絡發(fā)送，使得數(shù)字視頻采集系統(tǒng)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控制系統(tǒng)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(tǒng)有廣泛的應用前景。
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