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硬压缩视频服务器
针对软压缩视频服务器的这些缺点，本文设计开发了采用硬压缩芯片的视频服务器，如图2所示。
多路视频数据的采集、A/D及传输格式
摄像机的模拟视频信号输入到视频解码器后，转换为数字视频信号。以Philips的SAA7113为例，说明视频解码器解码后的数据格式。
SAA7113支持NTSC/PAL/SECAM制式，A/D精度是9位，并行8位输出。在PAL制式下每一帧模拟视频信号数字化后的输出图像大小是1728×625，实际有效像素数是720×576，每一秒为25帧，所以视频输出带为27MHz。每一个时钟周期(1/27MHz)并行输出一个字节，每两个时钟周期输出一个完整的像素点，即每个像素点占用2个字节。输出的数据格式遵循ITU-R656标准，即YUV为4:2:2，所以每个像素点亮度信号占8位，两个色度信号共占8位。除了输出数字像素外，A/D还需传输同步时钟信号。CPU可以通过I2C总线设置SAA7113的相关寄存器，以对转化后的数字图像进行参数控制。
打包和视频信号的本地显示
ADC将多路模拟视频图像数字化后，为了便于压缩，需要将多路图像打包成一路数据，可以用AT4012来实现。
多路数据打包器将4路数字视频信号整合成1路视频数据流，并在每路视频数据头上打上ID号，以供压缩芯片分别压缩。同一时间它只能为某一路视频数据打包。例如当为第1路数据打包时，暂时还不能处理其他3路数据，这时它将其它3路数据暂存到SDRAM中。待完成当前数据的打包后，再将SDRAM中的数据取出处理。
除了将多路数据打包外， AT4012还有画面分割功能，即给AT4012接上视频D/A芯片后，可将1路复合数字视频流转换为模拟图像， 这样用户就可以在本地的1个监视器上看到4路摄像机摄到的图像，如果在多路打包器前接9路摄像机，用户就可以在一个监视器上看到9个画面。
视频数据的压缩
多路数据打包器将数据整合为一路后，输入给专用硬件压缩芯片处理。以AT2021(集成MPEG-2协议)芯片为例，硬件压缩算法由几部分构成。
视频输入接口：提供视频信号输入接口，并进行一些压缩前的预处理以提高压缩比。
运动预测补偿单元：根据MPEG推荐的BMA算法进行图像的运动预测补偿压缩。
DCT/量化单元：为每幅图像的宏块进行DCT和逆DCT变换，然后再依据试验得到的量化矩阵对DCT系数进行量化。
VLC和熵编码单元：对量化后的DCT直流系数进行DPCM编码，以及对量化后的DCT交流系数进行变长编码，最后再对交直流系数进行熵编码。

系统CPU部分及其它
多路视频数据压缩以后，需要输入到CPU中打包，以发送到网络上。
CPU选取三星公司的32位RISC芯片S3C4510， 该芯片是专为嵌入式以太网应用开发的，内核为ARM7TDMI，支持高代码密度的THUMB指令集。通过其外设I2C总线，可以控制前端的视频采集、压缩模块芯片的工作模式，如可以设置视频解码器解码时的亮度、色度、饱和度控制寄存器，S3C4510支持UART，外接上RS-232口后，可以将视频服务器与主机相连以进行主机与服务器的数据交换。
S3C4510支持10M、100M单工和双工模式的以太网传输。在单工模式下，它支持CSMA/CD协议，在双工模式下，支持IEEE 802.3的MAC层。因此还需给S3C4510连接上控制网络物理层的芯片，如Intel的LXT970A，从而构成了以太网从应用层到物理层完整的网络结构。
图3中，压缩芯片以AT2021、CPU以S3C4510为例，给出压缩芯片与CPU的接口。
S3C4510通过地址总线LA[0..3]寻址AT2021的相关寄存器，通过数据总线LD[0..15]读写数据以设置AT2021的工作参数、监控AT2021内核的工作状况，并获取压缩后的数据。例如可以设置压缩后的视频输出流的格式为IPP或IBBP。
S3C4510将数据取到内存后，按照每路视频数据前的ID号，区分当前数据，然后给数据分块打包，设置好其IP目的地址，然后传送到网络上，远端就可以接收。当然打包后的数据也可以直接存储到本地的硬盘中，以供以后查询，即硬盘录像机(DVR)。

视频服务器功能扩展
由于采用压缩芯片和CPU分离设计，极大地提高了系统灵活性。将图2中的CPU替换为PCI9054 总线主控芯片，就变成基于PC的多路实时图像采集压缩卡，这是基于PC的硬盘录像机的关键设备。

视频服务器软件体系
由于本系统的RISC芯片核是ARM7TDMI，没有内存管理模块(MMU)，所以Linux选用mClinux。它具有强大的网络功能，支持PPP、Ethernet等多种网络连接方式，包括完整的TCP/IP协议栈及大量的其他协议。嵌入式Linux软件开发平台的系统结构如图4所示。
在某些实时性要求较高的场合，需要加入一些实时控制补丁。标准的Linux内核没提供嵌入式应用程序所需要的可预测响应时间，这主要是过长的中断反应时间和任务切换反应时间造成的。在一个标准的Linux内核里，系统调用或者运行在内核里的其他代码会不停地运行，直到完成或者直到代码主动地对其他线程发起控制。在这期间，内核不会在线程之间切换。线程切换时，漫长的反应时间不能为多线程的实时应用程序所接受。
抢先任务补丁改变了这个状况：它允许线程几乎在内核里的任何地方以及任何时间被抢先运行。它通过用对称多处理(SMP)自旋块(spinlock)来指示内核中关键的非抢先任务区域实现。内核的所有其他区域都被认为是抢先任务的。

应用实例
在幼儿园或小学教室里安装视频服务器，学生家长就可以通过互联网观看到孩子在校学习生活情况。如图5所示，在每个教室里安装一台摄像机，在操场上安装2台摄像机，然后将摄像机连接到视频服务器上，视频服务器将压缩后的多路图像上传到网络。家长就可以观看孩子在校情况，同时也可以通过视频服务器外接监视器观看。视频网络服务器也可以将图像存储在本地硬盘中，家长通过访问校方的视频服务器实现视频点播(VOD)。

结语
采用专用压缩芯片进行数据压缩，既降低了视频服务器的开发难度和成本，也易于压缩协议升级。随着嵌入式技术快速发展和普及，嵌入式设备将在整个后PC时代越来越多地替代传统PC，渗透到工业生产和人们的日常生活中去。