基于ARM-Linux的

TECHNOLOGYIN-DEPTHIPCAM发展趋势和市场预测 想象这样一个场景：您在东京机场候机，从衣袋里掏出手机，打开Web浏览器，输入一个简单的域名，再输入一个密码，这时手机屏幕上出现了上海家中的清晰画面。您甚至可以很方便地浏览各个房间…… 这是新一代的视频监控技术的一个应用。业界普遍认为，新一代的视频监控系统将朝着数字化、网络化以及智能化的方向发展。数字化简化了视频内容的存储、传输和调用，便于进行加密提高安全性；网络化克服了以VCR/DVR为代表的传统监控系统无法从网络获取信息的弱点，有助于以较低的成本实现信息共享和集中化管理；智能化借助于先进的视频分析算法和高性能视频IC，尽量将智能应用集成到前端设备中，有效降低对后端设备的性能要求，从而大大降低了整个系统的成本。 IP Camera (网络摄像机)将是新一代的视频监控系统的重要组件，它集成了视频采集、图像处理、视频压缩和网络传输等功能，结合无处不在的互联网络，有助于以低成本构造大规模、分布式的视频监控网络。随着系统总体成本的下降，视频监视将不仅局限于边境，银行，电信、交通、零售网点这些传统应用领域，而且会迅速扩大到学校、医院甚至家庭应用领域中。如下图所示，IP Camera的出货量在今后数年内会呈现快速增长。 据iSuppli公司的市场研究报告，2005年IP Camera的销售收入比2004年增长了一倍，而且从2004到2010年，该市场的年均复合增长率将达到87.9%，从而达到39亿美金的市场规模。从上图可以看出，基于IP的视频监控系统将超过模拟CCTV系统，成为监控市场的主要构成部分。IP Camera市场的蓬勃发展将刺激未来数年内对负责视频压缩和图像处理的核心芯片的需求。2010年相关半导体产品的销售额将达到6亿美作 者：罗 霖上海杰得微电子有限公司 上海杰得微电子是一家无晶圆半导体公司，面向全球的消费电子和通信厂商，提供先进的多媒体SoC芯片及解决方案。于2003年由硅谷企业家欧阳合博士创立，位于上海张江高科技园区。杰得已实现0.13微米工艺的SoC芯片的量产，被财富中文杂志评为2005年度最具增长潜力的酷公司之一。基于ARM-Linux的IP Camera解决方案InformationQuarterlyNumber5,Autumn2006[30]资料来源: iSupply金，其中，核心芯片的销售额将达到约3亿美金，是该市场中最具增长潜力的半导体器件。 上海杰得微电子的Z228多媒体应用处理器是杰得针对IP Camera市场推出的第一代芯片，集成度高，多媒体功能强大。基于Z228的IP Camera解决方案具有低成本、高画质、易于开发等特点，以下我们将作详细的介绍。 Z228芯片及IPCamera方案介绍 Z228多媒体处理器是一款0.13微米工艺的低功耗SoC芯片，其模块框图如图2所示。Z228内含ARM926EJ处理器内核和支持MPEG-4格式的全硬件编解码器，还集成了丰富的外设接口用于系统扩展。Z228采用了17mm x 17mm的400-pin TFBGA无铅封装，符合RoHS标准，工作温度为-40 ~ +85oC。 下面将结合Z228的特点，具体描述以Z228为基础的IP Camera的硬件部分和软件部分。 硬件部分= Z228核心模块 不同于一些厂商双芯片方案（主控CPU加编码芯片）， Z228单芯片包含了ARM926EJ CPU和MPEG-4硬件编码器，不仅降低了系统成本，而且减少了系统复杂度。ARM926EJ的主频可达266MHz，具有16KB 指令缓存和16KB数据缓存，另有16KB TCM紧密耦合内存。内置MMU，可支持Linux, WinCE等嵌入式操作系统。ARM926EJ还集成MOVE协处理器，提供快速SAD运算，可用于加速视频监控中的运动侦测。 高性能的MPEG-4硬件编码器提供VGA@30fps的实时编码，能在较低码率下CIF@15fps, 64kbps实现良好的编码质量，一般的MJPEG无法达到这样的编码效率。 由于采用了全硬件编码的策略，IP Camera的开发人员只需进行简单的配置，无须进行复杂的软件编程，可有效缩短开发时间。此外，该编码器支持VBR(可变码率)、CBR(固定码率)、VFR(可变帧率)、CFR(固定帧率)等多种码率控制模式。考虑到无线等带宽有限的应用，该编码器对防错进行了在专门优化，支持条带重同步、可逆VLC等防错功能。它还有一种低延迟模式，使端到端的延迟小于100ms, 适合于车载摄像头等特殊应用。 在编码器之前，Z228具有一个图像/视频预处理模块，实现了图像缩放、白平衡、Gamma校正、边缘增强、亮度/饱和度/对比度调节、字幕/水印叠加等功能。此模块还实现了先进的降噪算法，能有效地去除图像上的噪点，改善IP Camera在低光照下的视频质量。= 视频接口 Z228提供两种数字视频输入接口：Camera接口和ITU656/601接口。 对于输出RGB Bayer, RGB和YCbCr的CCD/CMOS照相模组，可直接连接到Z228的Camera接口。市面上主流厂商，如Micron，ST，OmniVision，Pixelplus，Sharp，Sony，Panasonic等的照相模组均可支持。对于复合视频或S-Video输入，需要通过一个外部的TV解码器连接到Z228的ITU656/601接口。 = 系统存储接口 整个系统的存储结构相当简单，由8MB的Nor Flash和16MB的SDRAM构成。用户可根据自己的需要选择合适的存储器件。= 外部存储接口 为了支持外部存储，Z228提供了两个SD控制器和一个CF/PCMCIA控制器。通过SD接口，Z228可支持高达2GB的SD/Mini SD卡，读写速度分别是4MB/s和1.5MB/s；通过将CF/PCMCIA控制器配置成True IDE模式，可外接高达大容量IDE硬盘。 在图3的电路板上，有一个SD的卡座，可以支持插入SD卡来完成警前录像的功能。图1 Z228框图TECHNOLOGYIN-DEPTHInformationQuarterlyNumber5,Autumn2006[31]= 网络接口 Z228可通过NOR FLASH接口外扩SMSC的LAN9115芯片，提供10/100M自适应的以太网接口；另外，通过将SD控制器设置为SDIO模式, Z228可外接SDIO接口的802.11g模组，提供高达54Mbps的无线连接，实现无线视频监控。= 音频接口 Z228具有I2S和AC97两种音频接口，可方便地连接市面上主流的音频编解码器，实现双向语音通信。= 其它接口 Z228提供了6个GPIO接口，可外接一些模拟开关量，实现诸如温度、湿度、烟雾等的采集和检测；此外，Z228还提供了4个UART接口，UART2和UART3可配置成红外接口，实现对IP Camera的红外遥控。 软件部分 基于Z228的IP Camera方案采用了嵌入式Linux操作系统。Linux本身作为一个桌面系统，进入嵌入式操作系统领域时，需要解决的问题主要包括硬件支持、提供二次开发的环境以及小型化（裁减内核）等，小型化的目的是在满足操作系统基本功能和用户特定需要的情况下，使内核尽可能小，作为一个操作系统，Linux内核主要负责程序的管理与调度、内存的管理及对外设的驱动和管理等。ARM公司在网站上提供了ARM-Linux开发所需的相关资源，包括ARM GNU工具链、预先编译好的映像和ARM-Linux开发者的WiKi网站。具体可见。 具体程序设计包括Bootloader启动代码、设备驱动程序（摄像头接口驱动程序、串口驱动程序、网络接口驱动程序等）、网络协议处理，监控接收转发控制程序等。加电后系统的初始化如下：a） 系统加电后复位。b） Bootloader初始化CPU、SDRAM、 分配地址空间等。c） Bootloader把Linux内核的压缩文件 解压到SDRAM中，同时把控制权从 Bootloader移交到Linux。Linux的 内核有两种运行方式可供选择。可 以在Flash存储器上直接运行，也 可以加载到内存中运行。Flash存储 器运行方式就是把内核的可执行映 像烧写到Flash存储器上，系统启动 时从Flash存储器的某个地址开始运 行内核，进入SDRAM继续运行，这 种做法能减少内存需要，实际上很 多嵌入式系统都采用这种方法，内 存加载方式把内核的压缩文件存放 在Flash存储器上，系统启动时自动 读取压缩文件并在内存中解压，然 后开始执行，这种方式相对较复杂， 但运行速度更快，我们采用的就是 后一种方式。 d） 开始执行SDRAM中的代码，Linux 内核初始化，完成堆栈，中断的分 配等。e） 加载串口驱动模块、摄像头驱动模 块和网络驱动模块，完成串口、摄 像头和网口的初始化。TECHNOLOGYIN-DEPTHInformationQuarterlyNumber5,Autumn2006[32]图2 基于Z228的IP Camera电路板图3 基于Z228的IP Camera的软件架构 出于可靠性和灵活性的考虑，基于Z228的IP Camera的软件采用了分层的架构。如上图3所示，其自下而上分为四层，分别是设备驱动层、OS层、中间层（多媒体库和网络）和应用层。 在OS方面采用了自行裁减和优化的嵌入式Linux，内核版本2.6.15，内核小于1.2M字节，启动代码小于100K字节。在设备驱动程序方面，提供802.3以太网、I2S/AC97、SD/CF/PCMCIA存储、SDIO、USB-OTG、视频输入设备、通用I/O、LCD显示控制器等驱动程序。 在多媒体处理方面，支持MPEG-4/H.263/JPEG/MP3/WMA/AAC/CAT/G.711/G.723/G.729等格式，其中CAT是杰得自主研发的音频格式，还提供了精准的音视频同步机制。所有的音频和语音编解码都是通过为ARM926EJ处理器专门优化的软件来实现的。 在网络协议方面，支持TCP/IP，UDP，SMTP，HTTP，FTP，Telnet，DHCP，NTP，DNS，DDNS，PPPOE 和UPnP等。音视频数据的传输采用了RTP/RTCP协议，符合RFC的相关标准。 在应用层，支持区域和灵敏度可配置的运动侦测功能，如图5所示。用户可选定多个侦测区域，这些区域的形状可以是不规则的，实现对特定区域的重点监控。用户可灵敏度(Sensitivity)来调整运动的阈值，控制报警信号的触发。 在实现运动侦测的功能时，我们用到了ARM926EJ处理器的MOVE协处理器提供的快速SAD计算。这是一个很有趣的特性，通常在视频编码中的运动估计中常被使用，由于我们的运动侦测中采用了基于宏块的SAD算法，因此利用ARM926EJ处理器的硬件加速，可以大大降低CPU的负荷，提高运动侦测的实时性能。 在侦测到运动目标、需要报警时，进行录像并保存到存储介质中，同时可把当时的图片传送到邮件服务器或文件服务器。 基于Z228的IP Camera的主机界面如图6所示，通过普通的网络浏览器，如IE，连接到IP Camera后，可直接观看到监控画面。用户可以在Setup页面对IP 图5 基于Z228的IP Camera的Webserver截图Camera进行配置，比如网络设置、视频参数、运动侦测设置、管理员密码等。 基于Z228单芯片的IP Camera方案包含完整的硬件和软件设计，具有集成度高、系统简单、成本低、开发简单、易于使用的特点，帮助用户在很短的时间内推出具有竞争力的IP Camera产品。TECHNOLOGYIN-DEPTHInformationQuarterlyNumber5,Autumn2006[33]图4 区域和灵敏度可配置的运动侦测