人類接受信息中有70%是視頻信息。相對于語音和文字信息來說，視頻信息更直觀，信息量更大，處理和傳輸技術也更為復雜。視頻監控系統作為視頻技術的一個應用領域，在軍事安全等領域發揮著重要的作用。目前視頻監控系統主要采用模擬和數字兩種技術。數字視頻技術不僅能減少視頻傳輸引起的失真，還能對視頻信息進行分析、識別及有效信息提取。因此隨著數字技術的進步，數字視頻監控將成為今后的發展方向。

數字視頻監控的一項核心技術是視頻壓縮技術。視頻信號包含大量的數據信息，通過壓縮手段把信息數據量壓下來，以壓縮形式存儲和傳輸，既緊縮了存儲空間，又提高了通信干線的傳輸效率，同時也使計算機實時處理音頻、視頻信息，以保證播放出高質量的視頻、音頻節目成為可能。MPEG-2 標準是運動圖像專家組于1995 年正式公布的。它的用處在于可以使運動視音頻數據作為一種計算機可處理的數據形式，并且可以存儲在各種存儲媒體上，可以在現存或未來的網絡上發送、接受，并且可以在現存或未來的廣播信道上傳播。本文討論的就是一種采用MPEG-2 壓縮標準的數字視頻監控系統。

MPEG-2 視頻數據壓縮原理

MPEG-2 圖像壓縮的原理是利用了圖像中的兩種特性：空間相關性和時間相關性。利用離散余弦變換（DCT） 編碼技術降低空間數據相關性；運動估計和預測技術降低鄰近幀像素的時間相關性來實現幀間數據壓縮。MPEG-2 基本編解碼模型如圖1 所示。圖中虛線上半部分完成視頻編碼功能，虛線下半部分完成視頻解碼功能。

編碼器中的預處理器對原始圖像中的噪聲進行過濾，并將圖像分割成宏塊。對于幀內編碼，宏塊經過DCT 變換、量化和變長編碼后輸出壓縮的視頻數據；對于幀間編碼，運動估計對宏塊的運動進行估測和補償來減少圖像的時序冗余；圖像預測器根據參考幀來預測當前幀，兩者之間的差值經過DCT變換、量化和變長編碼后輸出，由于差值較小可以使編碼所需比特數減少很多；逆量化和IDCT的目的是為了完成參考幀的重現。解碼器中變長解碼、逆量化和IDCT重構幀內編碼的圖像，圖像預測器根據參考幀和運動矢量完成幀間編碼圖像的重現。

圖1 MPEG-2 編解碼模型圖

系統設計

系統硬件設計

系統總體結構

系統主要由兩個部分組成：一是模擬視頻數據解碼和數字視頻數據編碼子系統。二是視頻碼流以太網傳送子系統。此外還有電源子系統、JTAG調試子系統等，這里不做詳述。系統的基本結構圖如圖2 所示。

圖2 系統原理圖

系統首先通過模擬攝像機將外部的信號轉換為PAL 制的復合視頻信號，然后模擬視頻解碼和數字視頻編碼子系統將模擬攝像機的PAL 制式復合視頻信號壓縮為MPEG-2 格式視頻流，最后，DSP 控制器將視頻流封包通過以太網傳送子系統以百兆的帶寬傳送出去。

模擬視頻解碼和數字視頻編碼子系統

模擬視頻解碼部分的任務是對輸入的PAL 制視頻信號進行采樣量化編碼后，轉換成標準數字視頻信號。我們選用的PHILIPS 公司的SAA7114 芯片。SAA7114 是一種高性能的單片NTSC/PAL/SECAM復合視頻解碼器，低功耗、低價格、具有卓越的三線自適應梳狀濾波器能克服傳統濾波器的人工痕跡而保證全屏視頻分辨率，具有靈活的像素端口，并具有外圍電路簡單和易于編程等優點。

在系統中， SAA7114將模擬信號解碼后得到的信號轉換為ITU-RBT.656 數字視頻格式，可以與SAA6752 直接相連，如圖3所示。系統中采用SAA7114的視頻輸出口為X-port作為數據輸出口。X-port的信號分為以下幾類：

a、數據信號XPD7-XPD0 ：輸出解碼后的數據值；

b、時鐘信號XCLK：作為系統參考時鐘信號；

圖3 SAA7114 與SAA6752 的接口

c、行同步信號XRH 和場同步信號XRV ：當輸出為行同步信號和場同步信號時，這兩個信號有效；

d、XDQ 作為輸出數據有效指示；

e、XDRI 控制X-port 是作為輸入口還是輸出口。

RTS0 輸出奇數場或偶數場的標志位。

MPEG-2 視頻編碼部分是整個系統的關鍵部分，它將ITU-RBT.656格式的數據編碼壓縮為ISO/IEC 13818的MPEG2傳輸流（TS） 。這一部分選用的是Philips 公司的SAA6752HS芯片。它是一款高集成度低成本的單芯片音視頻編碼芯片，可以執行全部的視頻編碼、噪聲濾波和運動估計的功能。另外，通過I2C 總線就能實現對SAA6752HS 控制，因此SAA6752HS 只需要從主控制處理器的I2C總線上傳輸少量設置編碼的參數就可以使SAA6752HS 開始編碼工作。SAA6752 與TMS320VC5502 主控DSP 的連接如圖4 所示。

SAA6752 的輸出接口各引腳功能如下：

a、PDO［7. 。 0 ］輸出數據；

b、PDIOCLK輸出參考時鐘，可以設為9MHz 或6. 75MHz ；

c、PDOAV 信號表示輸出的是視頻數據還是音頻數據；

d、PDOVAL 信號表示輸出的數據是否有效；

e、PDOSYNC 表示輸出的是數據包的第一個字節。

圖4 SAA6752HS 與TMS320VC5502 的連接圖

需要說明的是，圖4 中的移位寄存器、FIFO、計數器（模4） ，計數器2 （模47） 是用FPGA 實現。DSP 控制器我們選用的是TI 公司中的TMS320VC5502（‘5502） 芯片，它的核心電壓只有1.2V ，功耗僅0. 05mW/MIPs ，性能達600MIPS。這款芯片尤其適合于數據速率高，運算量大，又要求低功耗的系統。同時TMS320VC5502 集成了豐富外圍設備，比如32 位的外部內存接口（EMIF） ，可以與系統中的網卡連接；內部集成的I2C 總線接口，便于對Philips 的視頻芯片進行控制。另外，它還對外提供JTAG口，這使系統的調試可依靠JTAG仿真器和TI 公司最新的DSP 開發平臺CCS 而變得更為方便。

視頻流以太網傳送子系統

以太網接口部分主要用來將打好包的數據傳到遠程主機上， 我們使用的是SMSC 公司的LAN91C111 芯片，它是一塊高性能非PCI 接口的10M/100M以太網接口的芯片。LAN91C111 采用的是一種流量I/O 的工作方式。所謂流量IO 方式曾經是為磁盤與處理器接口而設計的，它比ISA 的DMA 方式具有更高的效能而且能更方便的使用。LAN91C111 對數據的處理能力也很強，其理論上最大數據處理能力為320Mbit/s = 40MB/s。由于LAN91C111 具有MMU 功能使得整個系統具有較高的網絡性能和較低的系統開銷。

圖5 LAN91C111 的接口圖

由LAN91C111 組成的網絡接口如圖5 所示。LAN91C111 通過局部總線接口把CPU 傳過來的數據，通過內部的MAC 控制器進行數據的封裝，物理層收發器（PHY） 將數據傳輸到脈沖變壓器上，這樣由噪聲產生的錯誤可以降至最低，保證數據的正確傳輸。同時，LAN91C111 的物理層收發器還能接收網絡上的數據包，并且MAC 可以進行載波偵聽、碰撞檢測協議和CRC 校驗功能；此外LAN91C111 還具有大的緩沖區可以提高整個電路的效率，LED控制器可以標識網絡接口的狀態。LAN91C111 的主機端的接口比較靈活，它可以支持異步或同步方式的傳輸，還可以支持非觸發方式和觸發方式（Burst mode） 的傳輸。為了提高系統的吞吐率，由DSP 向網卡傳送數據時，通過DSP 的EMIF 接口，采用同步觸發傳輸方式，并且使用直接32 位數據傳輸，數據不通過BIU ，直接寫入網卡FIFO ，這樣更為合理地實現TMS320VC5502 與LAN91C111 高速連接。

系統軟件設計

本系統的軟件包括兩大部分，一是硬件驅動程序，二是控制邏輯設計。下面分而述之。

系統驅動程序設計

環境下進行的。CCS 界面簡單明了，操作方便，功能強大，大大降低了開發的難度。系統的驅動程序由TMS320VC5502 初始化程序，SAA7114A ，SAA6752HS 和LAN91C111 的配置程序、數字視頻MPEG2 碼流接收存儲封包程序、MPEG2 碼流以太網發送程序和系統主控程序等多個模塊組成。圖6 為軟件系統框圖。

圖6 軟件系統框圖

TMS32VC5502 的初始化程序完成對‘C5502 的堆棧和運行狀態位，中斷使能位的設置，以及DSP內核頻率的設置。SAA7114 和SAA6752HS 的配置程序通過‘C5502 的I2C 接口完成對其的設置，使其能正常地進行模擬解碼和數字編碼。LAN91C111 的初始化程序完成對該芯片的一些寄存器設置，使其能正常運轉起來。數字視頻MPEG2 碼流接收存儲封包程序是通過‘C5502 將SAA6752HS 傳過來的數據按照RTP 協議標準打成網絡上的數據包，然后再通過MPEG2碼流以太網發送程序將數據包發送出去。數據傳輸時都是使用的DMA 傳輸方式，這樣可以節省大量的時間，提高系統運行的效率。

在整個驅動程序設計當中，時序的把握是十分關鍵的。比如SAA7114 的配置程序，當中需要用到I2C 總線，而I2C 總線對時序要求是相當嚴格的，如果在發出START 命令之后，不加上一定的時延，而立即傳送數據，由于DSP 的速度太快，可能會造成前后數據的覆蓋，導致程序出錯。另外，由于系統是進行實時處理的，中斷程序設計是必不可少的。在程序設計時有幾個問題需要注意：

第一， 當外部中斷信號不穩定時，比如波形前后跳動、毛刺過多等，都有可能造成能檢測到中斷，但無法進入中斷服務程序的情況。

第二， 若將程序單步執行，這樣會造成仿真器出錯，無法檢測到中斷。

第三， 在修改兩個中斷矢量指針IVPD 和IVPH 之前，應確信：

a、禁止所有的可屏蔽中斷（ INTM= 1） 。這可以在修改中斷矢量指針，使之指向新中斷矢量之前，防止產生一個可屏蔽中斷。

b、每個硬件非屏蔽中斷對新舊IVPD 值分別有一個中斷矢量和一個中斷服務程序。這樣在修改IVPD 過程中，產生一個硬件非屏蔽中斷時，可以防止非法指令代碼。

FPGA 邏輯設計

該系統中使用了一塊Altera 公司的ACEXEP1K30QC208-3Q 型號的FPGA ，主要利用該FPGA實現SAA6752 與TMS320VC5502 之間的接口。如上SAA6752HS 與TMS320VC5502 的連接圖4 所示，移位寄存器負責將SAA6752HS 輸出的8 位數據方式擴展成32 位寬度，以提高數據的吞吐效率。通過時鐘信號PDIOCLK、有效位信號PDOVAL 和音視頻標志位PDOAV 來控制移位寄存器的工作。FIFO是一個寬度為32 位的緩沖器，TMS320VC5502 通過片選信號CE3 和讀信號ARE/SRE/SDRE 控制對FIFO 數據的讀操作。

當SAA6752HS 采用傳送流的數據結構時，每讀完4 個數據包（每個數據包為188個字節） ， 計數器2 就會產生一次中斷，TMS320VC5502 從FIFO 中讀入這些數據包，完成信道編碼后向網絡上傳輸。FPGA 邏輯正是依據這一思想設計的。為了提升系統的穩定性，避免累積錯誤，該邏輯中采用了一種雙FIFO 輪流切換的方法。在系統開始運行，只往FIFO1 里寫，當寫完4 個數據包，產生一次中斷，通知DSP 來讀數據；接下來，系統自動切換到往FIFO2 里寫，此時DSP 同時在讀FIFO1里的數據，直到往FIFO2 里寫完4 個數據包（由于DSP 讀數據的速度遠遠快于SAA6752 往FIFO 里寫數據的速度，故此時FIFO1 已被讀空） ，便又產生中斷；接下來，DSP 讀FIFO2 里的數據，同時往FIFO1里寫，依次輪流切換。

圖7 DIO 主模式下輸出傳輸流分組的時序圖

SAA6752 的輸出采用DIO 主模式，其輸出端口的時序如圖7 所示，每個數據包包含188 個字節，這是MPEG2 傳輸流分組的特性。在MAX+PLUSII 下設計其邏輯，運行正常。

結束語

本文針對數字視頻壓縮及網絡傳輸作了較為深入的研究，并針對嵌入式網絡視頻服務器的設計和實現作了初步而有益的探索，其中既有經驗也有教訓。由于時間及其它因素的限制，研究工作留有許多需要完善的地方。Non-PCI 結構網絡接口性能的優化和客戶端軟件的具體實現及形成嵌入式網絡視頻服務器原理樣機是我們下一步的目標。

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