嵌入式视频网络服务器的开发及其应用

    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IEEE802.3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。

    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。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。