基于VW2010的視頻存儲系統的設計

摘要：在研究了視頻壓縮算法的基礎上，提出了一種基于VW2010編解碼芯片的視頻壓縮存儲設計方案，此系統采用DSP作為主控芯片并使用FPGA設計各模塊接口電路，然后詳細闡述了此方案的硬件構架與軟件設計流程?

關鍵詞：VW2010；MPEG-4；FPGA；視頻壓縮

DOh 10.3969/j.issn.1005-5517.2011.08.005

引言

常見的視頻壓縮技術有JPEG/2000、M-JPEG，MPEG1/2/4、H.263及H.264，其中MPEG4是基于第二代壓縮編碼技術制定的國際標準，具有高壓縮比、可擴展性和可交互性等優點。對視頻流壓縮倍數可達450倍，分辨率輸入可從320×240到1280×1024。與MPEG4和MPEG以往的版本相比，最大不同之處在于MPEG4使用“圖層”(layer)方式，能夠智能化選擇影像的不同之處、在壓縮編輯畫面時、使圖文件容量大幅縮減，從而加速音/視頻的傳輸，適合于嵌入式視頻存儲系統體積小，存儲容量適中的特性。

系統硬件設計

視頻編解碼芯片VW2010

VW2010是VWEB公司開發的實時MPEG-4音視頻壓縮/解壓芯片，可以把未經壓縮的符合ITU-R.BT-656標準的視頻信號，包括29.97幀/秒的NSTC制式和25幀/秒的PAL制式的電視信號壓縮為MPEG.1/2/4或H.263格式，把I²C的音頻信號壓縮為MPEG-1、MP3、AAC或AC3格式。VW2010芯片結構如圖1所示，圖中給出了芯片的內部視頻處理模塊以及外部接口模塊。

VW2010的編碼部分有視頻輸入和音頻輸入兩個輸入模塊，一個輸出模塊MUX，壓縮數據輸出CDO端口和Hot/PCI端口。內部的視頻編碼視頻輸入單元(VIU)將視頻信號讀入，利用水平方向的8通道濾波器和垂直方向的4信道濾波器將視頻信號進行縮放，把視頻圖像調整為從sub-QCIF到全DI的格式，并可以對圖像進行亮度色度變換、視頻輸入解碼和提取時間信息等操作。VW2010的解碼部分有兩個輸入模塊：DEMUX和HIU：兩個輸出模塊：視頻輸出單元(VOU)和音頻輸出單元(AOU)；兩個輸入端口：CDI和Host/PCI，系統host可直接通過主機接口對VW2010進行控制，MPEG數據流采用DMA方式傳輸。

基于VW2010的視頻壓縮系統硬件設計

本系統集成一片VW2010芯片對一路音視頻流進行編解碼，FPGA采用Altera公司的EP3C16Q240C8N，用來設計各種接口連接各芯片，DSP采用TI的TMS320C2812，用來存儲和加載各芯片初始化程序和配置信息。具體的系統硬件框圖如圖2所示。

DSP TMS320C2812從FLASHSST39VF400A由讀取引導程序后系統開始運行，通過串口命令選擇系統工作在視頻存儲方式或者視頻回放方式。

DSP通過其內部12C總線初始化AD SAA711S及DASAA7121，并通過FPGA設計的HIU接口將VW2010的固件及微碼序下載到SDRAM中完成VW2010編碼初始化。

當系統接收到視頻存儲指令時，系統開始視頻編碼及存儲操作，SAA7115產生8位格式4：2：2 ITU-R.BT656格式數字信號，VW2010通過FPGA設計的編碼存儲器接口傳送給Encoder SDRAM，由內部RISC根據固件程序控制對Enoder SDRAM的讀寫訪問，對視頻數據進行運動估計(MEU)、運動矢量提取(MRU)、色度補償(CCU)、率控制(RCU)、視頻編碼(VEU)等動作。編碼完成的視頻數據可以通過VW2010HIU口輸出到FPGA，再由FPGA轉存到NANDFLASH中。

當系統接收到視頻播放指令時，FPGA將視頻數據從NAND FLASH(閃存)中取出并通過HIU口傳送到VW2010進行解碼，輸出解碼好的MPEG-4視頻信號，SAA7121將此8位視頻數據信號轉為PAL制模擬電視信號送入顯示終端。

系統軟件設計

本系統的軟件流程主要分為DSP初始化程序、12C器件SAA7115初始化程序、VW2010初始化程序、DSP主控制程序和FPGA接口控制程序的設計。除了FPGA接口控制程序事先燒寫進EPCS4中，在上電時自動加載進FPGA，其余程序全部在DSP上完成。軟件設計流程如圖3所示。

本系統的軟件設計細分為3個模塊：VW2010控制模塊、FLASH控制模塊和SDRAM數據傳輸及接口模塊。VW2010控制模塊是程序設計的核心模塊，主要工作是下載固件和微碼以及一些參數的配置。FLASH控制方法和SDRAM接口設計在很多文獻中已有詳細討論，本文不再贅述，下面主要分析如何通過HOST總線控制VW2010的初始化以及固件下載。

VW2010初始化程序(init2010.C)主要完成以下功能：

1.校驗和配置VW2010內部直接寄存器和間接寄存器：

2.加載編解碼模式下VW2010所需的固件程序：

3.對固件配置寄存器進行配置。設置其工作狀態：

4.判斷固件是否加載成功，若成功則VW2010進入運行狀態。

VW2010固件下載流程如圖4所示。

系統性能分析

根據上述硬件和軟件設計方法、作者設計了測試程序，對視頻存儲模式和視頻播放模式分別做了測試，系統所能達到的指標如表1所示。

以上指標已能滿足大多數視頻存儲播放系統要求，在各模式中都能穩定運行。