高速公路视频监控系统的设计

    1 引言

    近年来，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高以及各种实用视频信息处理技术的出现，视频监控技术也从早期的模拟闭路电视监控系统向数模结合的视频监控系统和现在的数字视频监控系统逐渐演变，现在的数字监控录像系统通常分为两类：一类是基于PC机组合的计算机多媒体工作方式；另一类是嵌入式数字监控录像系统。前一种方式成本高、体积大、抗干扰能力不高，而且PC机容易受到病毒的威胁。而嵌入式视频采集系统由于体积小、成本低、功耗低、可靠性高和没有病毒威胁等优点越来越受人们重视。笔者就是基于这几种技术背景，提出了基于MPEG-4的嵌入式视频监控系统解决方案。

    目前，嵌入式数字监控系统的实现方案主要有以下几种：

    (1)DSP纯软件方式
    编解码在DSP平台上纯软件实现，系统功能(如网络传输、设备控制等)通过外部CPU控制。

    (2)嵌入式微处理器纯软件方式
    编解码和系统功能(包括网络传输、设备控制等)均在嵌入式平台上纯软件实现。

    (3)专用编解码芯片加嵌入式微处理器方式
    编解码通过专用的硬件编解码芯片实现，系统功能(如网络传输，设备控制等)通过外部嵌入式微处理器控制，以专用芯片为核心，再辅以较少的芯片即可实现MPEG-4编解码器，这是一种既快又可靠的方式。

    DSP方式是较低层的，是要在相对通用的DSP平台上实现专用的MPEG-4编解码，考虑的因素较多，开发周期长，开发难度大；嵌入式微处理器纯软件方式是较高层的，是二次开发，是其它厂家提供相对灵活、通用的高级开发平台，自然软硬件开发都比较方便；硬件芯片方式也是较底层的，但它是专用的，是可提高开发速度和可靠性的方式。选择硬件芯片，可降低开发成本。

    本设计为了缩短开发周期，减少开发难度，提高可靠性、质量、扩展能力，降低开发成本和批量成本，选择专用芯片实现MPEG-4编解码。整个编解码器系统的系统框图如图1.1所示。 

    2 MPEG-4视频监控系统硬件设计

    系统硬件设计的核心问题是选择MPEG-4编解码芯片，常见的MPEG-4编解码芯片有IME6400、EM847X、ES7901、VW2005、VW2010等。考虑编解码芯片的处理能力、对主机系统的要求、输入输出接口、对各种编码格式的兼容性(如MPEG-1/2/4，H.263等)、价格、功耗等因素，本设计选用VWEB公司的VW2010作为MPEG-4的编解码芯片。微处理器选用Freescale的MPC8245。

    2.1VW2010芯片介绍：

    VW2010是一个实时的MPEG-1、-2、-4音频/视频/系统编解码芯片，能同时压缩/解压缩或编码/解码，它完全符合ISO/IEC-11172-2、ISO/IEC-13818-2，、ISO/IEC-14496-2与ITU-TH.263标准。视频编码输入为ITU-R.BT.656数字视频格式，并将输入视频压缩为MPEG-1、-2、-4或H.263格式，音频编码接收二个独立的I2S数字音频信号，并将音频信号压缩为MPEG-1、-2，MP3，AAC或AC-3音频格式。VW2010输出音视频传输流与程序流可供存储与网络应用。视频解码输入MPEG位流，输出ITU-R.BT.656数字视频。音频解码接收MPEG-1、-2，MP3，AAC或AC-3位流，输出I2S，S/P-DIF或IEC-61937格式的音频。

    2.2编解码模块的设计：

    系统框图如图2.1所示。VW2010作为该系统的核心，通过PCI总线和主机连接，接收从主机送来的对VW2010的初始配置数据和实时控制信息、MPEG-4压缩视频流、音频流，同时VW2010压缩后的MPEG-4视频流、音频流也通过PCI总线送到主机。VW2010通过I2C总线控制各个音视频A/D、D/A，对其内部寄存器进行初始化配置。系统主要的工作流程为：模拟音频和视频信号经音视频A/D采样编码后，音频信号成为I2S格式的数据进入VW2010，视频信号成为8位并行的CCIR-656格式的数据进入VW2010，VW2010根据编程设定从主机传来的编码格式和工作方式对音视频进行同步并压缩后得到MPEG-4数据送到主机，主机对MPEG-4数据进行传输或者硬盘录像。同样，VW2010接收从主机传来的MPEG-4压缩数据，进行相应的解码，输出I2S格式和8位并行的CCIR-656格式的视、音频数据，经过音视频D/A后得到模拟的音视频信号。 

    3 系统软件模块设计

    软件系统以Linux操作系统为开发工作平台，软件设计及实现就是在该操作系统下利用相关的开发工具，编写相应的程序代码，实现预期的功能。软件模块的主要内容包括：编解码卡的控制、数据传输、OSD字幕显示、远程API控制等。软件系统的核心是VW2010应用程序，系统的工作都是围绕VW2010应用程序展开的。图3.1为VW2010分层软件体系结构参见文献[4]，VW2010应用程序的编码流程如图3.2所示。 

    以下对各个软件模块进行介绍：

    (1)编解码卡的控制

    读取配置文件，获取的配置参数(如编码格式和工作方式)，调用VW2010的SDK函数将配置参数传入VW2010编解码卡，启动或关闭编解码卡。

    (2)数据传输

    数据的传输方式包括单播和组播，使用UDP或RTP协议。

    Linux系统通过socket编程来实现数据的传输[4]，套接字有三种类型：流式套接字(SOCK_STREAM)，数据报套接字(SOCK_DGRAM)及原始套接字。

    (3)OSD字幕显示

    OSD是on-screendisplay的简称，即屏幕菜单式调节方式。通过OSD菜单可以醒目的看到系统工作的状态，并可以及时的做出调整。如今这项技术已在数字高清电视、液晶显示等显示设备上广泛的采用。

    OSD菜单的实现必须有相应的硬件支持。视频芯片VW2010提供了专门用于OSD菜单显示的内存空间和OSDAPI函数，这使得OSD菜单实现起来非常方便，在相应的C程序里调用相应的函数即可完成相应的显示。

    为了实现中英文字幕显示功能，需要设计和编写中英文点阵字库。点阵字体的详细介绍请参看文献[2]。

    (4)远程API控制

    远程API控制主要是指：提供编解码器与远端服务器通信的接口，设计二者之间的应用层通信协议，使得远端服务器上的控制软件能够很方便的的对编解码器进行控制。远程API控制必须具有可靠性，所以采用TCP传输协议。

    (5)Web服务器的设计

    Linux系统中常见的服务器有：CERN、NCSA、Apache三种方式，一般最常用的方法就是用Apache。此种方式特点明显，配置简明，具有最大的对系统兼容性。在编解码器端配置好Apache服务器后，远程控制中心就可以很方便的通过HTTP网页形式对其进行控制。Web页面的编写采用PHP语言。

    4 总结

    本系统的最大优势和特点是：发送端与接收端所用的硬件系统完全一致，即编码器与解码器的硬件系统一致。由于VW2010是一个实时的编解码芯片，能同时压缩/解压缩，接收端只需将VW2010编码应用程序换成解码程序即可恢复原始音视频信号。这使得开发周期大为缩短，也节约了开发成本。视频监控的应用领域涉及各行各业，数字化和网络化是视频监控系统的发展趋势。高画质高压缩比是视频编码追求的目标，而专用硬件编解码芯片正可以满足这个要求。专用硬件芯片的优点就是处理速度快、画质高，因此专用硬件编解码芯片应用前景广阔。