网络视频编码器是一种压缩、处理音视频数据的网络传输设备。
1、8000系视频编码器是采用了的H.264视频编码技术与G.711音频编码技术，支持D1，向下兼容QCIF。
2、支持PAL/NTSC复合视频；视频编码率16Kbps-4Mbps连续可调，帧率1-25(PAL)/1-30(NTSC)连续可调。
3、支持双向语音对讲实时传输，先进的DynamicStreamControl技术，保证双向语音对讲实时传输,让远程会议、远程交流轻松实现。
4、强大的流媒体技术，支持标准RTSP协议，使用标准流媒体播放器(如VLCMediaPlayer)可直接播放。
5、内嵌WebServer，通过IE浏览器/客户端软件实现远程监控、设置；支持多用户同时访问，并支持多级用户和密码保护，三级用户密码权限管理，IP地址过滤以及HTTPS加密，OCX控件通过微软数字认证，更加安全、可靠。
6、支持USB接口外接硬盘、U盘，SD卡存储，可实现本地录像或告警图片USB备份，录像文件格式为ASF，支持MicrosoftMediaPlayer直接播放。
7、具有强大的事件管理功能、报警管理功能、智能感应技术，包括视频遮挡、视频丢失、视频移动侦测(可设区域及灵敏度)、探头等报警、报警前后图像缓存功能。
8、有RS-485和RS-232串口通讯接口支持云台控制、高速球机、摄像机、键盘，温湿度传感器等外置设备。
9、具备网络自适应技术，可以根据网络带宽自动调整视频帧率；支持动态IP地址、支持局域网、广域网、多种无线网络传输。
10、具备异常自动恢复功能，网络中断后可自动重连；
11、设备支持安全远程升级功能，提供强大的远程网络端SDK可实现软件系统集成。
12、告警自动抓拍、FTP、Email自动上传功能
13、支持802.11G无线局域网、CDMA、GPRS(附加功能)。
型号AET8001MCAET8001MDAET8002HCAET8002HDAET8004HC
视频压缩标准H.264
视频分辨率D1(PAL:720576,NTSC:720480)、HALF-D1(PAL:720288,NTSC:720240)
CIF(PAL:352288,NTSC:352240)、QCIF(PAL:176144,NTSC:176120)
视频输入路数1路CIF1路D12路CIF2路D14路CIF
视频输入接口BNC（电平：1.0Vp-p，阻抗：75Ω）
视频帧率PAL：1--25帧/秒，NTSC：1--30帧/秒
码流类型可选择单一视频流或复合流，和自定义
视频压缩码率16K～4M、无限制。也可以自定义。(单位：bps)
音频输入路数1路1路2路2路4路
音频输入接口BNC(线性输入，阻抗：600Ω)
音频输出耳机插孔/BNC接口
音频压缩标准G.711
音频压缩码率16Kbps
语音对讲输入麦克风插孔
存储接口USB、SD卡可选配
通讯接口1个RJ45、1个RS232口，1个RS485口
报警输入2路2路4路4路4路
报警输出2路2路4路4路4路
电源DC12V
功耗小于3W
工作温度-10℃--＋50℃
工作湿度10[%]--90[%]
1系统介绍
随着网络多媒体应用的推广,独立机型的嵌入式多媒体通信终端系统由于其成本低、性能好等优点已成为当前研究的热点.具有网络通信功能的嵌入式视频编码器的研究便成为设计多媒体通信终端系统中的核心内容.嵌入式网络视频编码器的工作原理将模拟视频信号数字化后按照际标准压缩编码和网络协议处理后发送到网络,客户端可以从网络接收视频数据,解码后实时回放.嵌入式视频编码器是一个高性能处理器和操作系统捆绑较为紧密、功能专一、设计专门的独立设备,不像插卡系统那样受通用计算机系统中其他软件硬件的影响,性能上更稳定可靠且易于实现系统的模块化设计,便于安装、管理和维护。
TM1300是一款高性能的多媒体处理器,可采用pSOS嵌入式实时操作系统,并提供了功能较为完善的在线调试工具.设计员可以通过在线调试工具在pSOS平台上开发TriMedia的各种资源和调试各种应用程序,从而最终实现整个系统.本文提出了一种适用于IP网络的基于TM1300的嵌入式视频编码器,并详细讨论了整个系统的软硬件设计.我们将该编码器应用于监控系统中,实现了实时的视频传输并取得了良好的图像质量.网络视频编码器实现的主要功能有:视频信号的A/D转换,H.263视频压缩编码、H.323网络协议处理、摄像头控制和透明数据传输等。
2硬件设计
2.1TM1300介绍
视频编码器的核心TM1300是Philips公司推出的针对多媒体应用的一款高性能DSP,它能够进行高质量的视频和音频处理.TriMedia提供的强大的编译器和软件开发环境使开发人员无需使用汇编语言,而是利用C或C++语言来编写应用程序。
TM1300的核心是32位的处理器,能够进行32位的线性寻址,寻址能力可达到4GB.TM1300核心处理器采用VLIW结构,可以在每一时钟周期内同时执行5条指令.TM1300支持16KB的高速数据缓存和32KB的高速指令缓存,并且高速数据缓存是双向的.TM1300还集成了PCI总线接口,既可以作为PC环境下的从CPU,也可以用于嵌入式系统作为主CPU.TM1300有别于一般的通用DSP,它有专门的视频接口、音频接口以及图像协处理器单元和可变解码器单元等专门单元.图像协处理器主要用于图像的滤波或缩放,提高处理的速度;可变长解码器则可以协助内核完成Huffman解码。
2.2硬件总体结构
网络视频编码器的硬件总体结构如图1所示.编码器将来自摄像头的模拟视频信号经AD转换芯片SAA7111A转换成YUV格式的数字视频信号,由TM1300(1)按H.263协议压缩成多种速率的图像数据码流,然后通过PCI总线传递给负责协议处理的TM1300(2),视频压缩数据在这[无忧机械电子]里封装之后通过PCI总线传给以太网接口控制器RTL8139C(L)为核心的以太网接口单元,由其送到IP网上.外围扩展模块以W77E58单片机为核心,通过两个串口分别控制摄像头和收发透明数据.CPLD主要完成地址译码、PCI总线仲裁等功能.开发的应用程序经编译连接,写入FLASH中.编码器上电复位后通过EEPROM中的自举程序将FLASH中的程序搬移到SDRAM中,系统开始运行.根据以上功能可以将网络视频编码器的硬件设计分为以下四个功能单元:(1)视频编码单元;(2)协议处理单元;(3)网络接口单元;(4)外围扩展单元。
图1网络视频编码器硬件总体结构
2.3视频编码单元
视频编码单元以TM1300(1)为核心,外围器件包括EEPROM,16MSDRAM,视频AD芯片SAA7111A,双口RAM和16MBFLASH.其中，SAA7111A是Philips的增强型视频输入处理器(EVIP),输入的模拟视频信号可以是CVBS(PAL,NTSC等)和S-Video(Y/C),A/D转换后输出符合CCIR-656的YUV4∶2∶2数字视频信号.视频输入原理图如图2所示,SAA7111A的YUV数字视频输出端口和TM1300的视频输入端口(VI)相连接,SAA7111A的工作方式由TM1300通过I2C总线进行配置。
图2视频输入原理图
SDRAM是同步动态RAM,它提供Burst访问方式,用于存取应用程序,原始的数字视频数据以及处理的中间数据.TM1300(1)外接的SDRAM采用2片(12rank接口方式),每片容量为4×1M×16bit,总容量为16MB。
在上电复位后,TM1300(1)通过I2C总线从EEPROM中读取启动信息,配置时钟分频寄存器和SDRAM寄存器,然后将EEPROM中的自举程序搬移到自DRAM-BASE开始的SDRAM中并开始执行自举程序,自举程序将FLASH中的相应的应用程序搬移到TM1300(1)和TM1300(2)的SDRAM后,便各自开始正常工作了。
2.4协议处理单元
协议处理单元以TM1300(2)为核心,扩展EEPROM和16MSDRAM,其电路与视频编码单元相应的内存接口和启动电路设计类似.TM1300(2)的工作模式为从模式,在上电复位后,通过I2C总线从串行EEPROM中读取启动信息,配置时钟分频寄存器和SDRAM寄存器.然后等待由TM1300(1)完成系统启动的剩余工作,包括MMIO空间、DRAM空间的配置等,等待TM1300(1)将FLASH中的相应的应用程序搬移到TM1300(2)的SDRAM中,TM1300(2)便可以开始正常工作了。
2.5网络接口单元
网络接口单元原理图如图3所示,以REALTEK的RTL8139C(L)以太网控制器为核心,经以太网变压器ST6118T和RJ45插座,通过双绞线连接到局域网.RTL8139C(L)接口和PCI2.1规范完全兼容,可以很方便的挂在TriMedia的PCI总线上.以太网接口把视频编码及协议处理后的数据按以太网的数据格式打包传送到以太网,同时自动监测接收端的数据变化,把接收到的数据拆包,传送到TM1300(2)。
图3网络接口单元原理图
2.6外围扩展单元
外围扩展单元原理图如图4所示,以WINBOND公司的具有两个串口的单片机W77E58为核心,扩展IDT7130双口RAM,MAX232和MAX485.W77E58通过串口0根据RS-485接口标准实现对摄像头及云台的控制,通过串口1传送RS-232透明数据.W77E58和TM1300(1)之间通过自定简单协议对双口RAM进行存取,从而相互传递控制信息和数据.外围扩展单元的功能是通过对W77E58编程来实现的,为了提高程序运行的可靠性,在我们的单片机程序开发中还使用了看门狗定时器。
图4外围扩展单元原理图
3软件结构
3.1编码器软件体系结构TSSA
TSSA(TriMediaSoftwareStreamArc2hitecture)是由应用层模块(Application)与若干功能模块(Component)组成的建立在数据包交换上的一种流结构.沿用了COM技术中软组件对象(SoftwareComponent)交互的思想,提出了对多媒体数据流进行处理的一种组件对象模型.其中应用层模块负责系统的初始化,采用软件流体系结构可以大大简化多媒体应用开发.TSSA体系分为以下几层(见表1):
各个功能模块的创建、启动、关闭以及状态的改变,接收某个功能模块的响应.每个功能模块由OL层、操作系统抽象层、AL层、设备库层组成.功能模块之间、功能模块与应用层模块之间通过数据包交换数据,数据包在消息队列中传递,消息队列将各个功能模块、功能模块与应用层模块连接起来。
3.2编码器软件组成结构
编码器软件组成结构如图5示(不包括单片机编程部分).主控模块相当于TSSA中的应用层模块,负责创建、运行视频编码模块、协议处理模块和信道接口模块,并通过响应队列与命令队列在各功能模块之间转发控制与状态消息.视频编码模块实现遵循H.263协议的视频压缩编码;协议处理模块实现H.323协议栈;信道接口模块实现将数据报封装成MAC帧送上具体的物理信道.各个功能模块之间通过双向消息队列交换数据。
图5 编码器软件组成结构
主控模块和各个功能模块在pSOS操作系统中都作为任务(task)独立运行,它们之间任务状态的变化完全靠对资源的获取是否能够满足(通过调用pSOS系统内核)来实现.pSOS根据任务的优先级来动态地切换各个任务,以保证系统的实时性.为提高主控模块对状态消息的响应灵敏度,我们将主控模块的优先级设计比功能模块高.视频编码模块作为编码器的核心部分占用了系统的绝大部分资源从而决定了编码器的性能.针对多媒体通信系统的实时性要求,我们在编码软件模块的实现过程中采用了多种优化策略.除了对编码程序代码进行结构和局部优化,视频压缩中选取快速运动估计算法等方法外,特别针对TM1300的CPU体系结构,将循环展开进行并行处理,充分利用TM1300提供的多媒体指令和编译优化等其它策略.实践表明在使用上述优化策略后编码器的图像编码帧率提高了一倍以上。
4结束语
基于TM1300芯片的嵌入式网络视频编码器具有成本低,可靠性好的优点,并且由于在设计和实现过程中充分利用TriMedia专门针对多媒体信息处理设计的硬件结构和TSSA软件体系,因此同时获得了良好的性能.嵌入式编码器遵循ITU-TH.263协议,可以与兼容H.323协议的终端实现互联互通,实现了实时的视频传输,获得了清晰流畅的运动图像.码率可以从64kbps～1920kbps选择来调节帧率和获得不同级别的图像质量.在64kbps带宽下,解码后的QCIF和CIF图像的帧率可达到15fps以上.通过适当提高码率,QCIF和CIF图像的帧率均可达到25fps。
经过近几年的发展，目前已经由单功能的视频传输,逐渐发展成为带WIFI网络，带本地SD卡存储，或USB存储或IDE硬盘存储等；传输通道也从原来单路逐渐发展成为：单路D1，两路HD1，四路CIF和多路兼容的多菜单操作与管理的集成系统。目前，网络视频服务器的通讯方式也由原来单纯的有线网络，逐渐发展成为：有线与无线WIFI（802.11abg通讯协议）兼容,无线的传输距离也由原来的几十米（30-100米），发展成为目前的几十公里（30-50公里）。