劉 嵩

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

視頻監(jiān)控是安防系統(tǒng)的重要組成部分，正朝著智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于高速公路、住宅小區(qū)等多種場(chǎng)合[1].目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案主要有：①ARM+專用視頻編解碼芯片.該方案系統(tǒng)性能穩(wěn)定、處理速度較快，很容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，但靈活性不夠，不便于升級(jí)；②FPGA+IP軟核.該方案設(shè)計(jì)周期短，容易改進(jìn)升級(jí)，但視頻處理算法占用資源較大，復(fù)雜度、體積和功耗都大大增加；③采用面向多媒體處理的專用DSP.該方案運(yùn)行速度較快，而且可以移植多種圖像處理算法，所以能夠不斷對(duì)產(chǎn)品性能改進(jìn)升級(jí)[2].本文給出了一種基于DSP芯片DM642的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

DM642是TI公司推出的一款高性價(jià)比、采用velociTI體系結(jié)構(gòu)的定點(diǎn)DSP.它具有極強(qiáng)的單核處理能力以及高度的靈活性和可編程性；在600 MHz的時(shí)鐘頻率下，數(shù)字處理能力可達(dá)4 800 MIPS；還具有兩級(jí)高速緩存L1 Cache和L2 cache、64位的DMA控制器，負(fù)責(zé)片內(nèi)L2 cache與其它外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸；三個(gè)視頻專用接口(video Port)與2個(gè)音頻串口復(fù)用，集成有10/100 M以太網(wǎng)MAC[3，4].

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

圖2 采集模塊方框圖

圖3 網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖4 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示.整個(gè)系統(tǒng)以DM642為核心，由視頻采集模塊、存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、電源模塊和時(shí)鐘模塊等幾個(gè)部分構(gòu)成.視頻采集模塊把采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為DM642可以處理的數(shù)字信號(hào)，并通過DMA控制器搬移到存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)；DM642對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮等處理；網(wǎng)絡(luò)模塊將處理后的數(shù)據(jù)打包上傳到上位機(jī)，于是遠(yuǎn)端用戶可以通過客戶端軟件監(jiān)控視頻信號(hào)；存儲(chǔ)模塊通過EMIF與DSP實(shí)現(xiàn)無縫連接，包括SDRAM和FLASH.其中SDRAM存儲(chǔ)采集到的視頻信號(hào)以及處理過程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH用來存儲(chǔ)程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自啟動(dòng)；電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能量保證，DM642芯片采用雙電源供電，核電壓1.4 V，外圍電壓3.3 V，采用開關(guān)電源來為系統(tǒng)供電[5].

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 視頻采集模塊設(shè)計(jì)

DM642有3個(gè)雙通道視頻口，每個(gè)視頻口都可以由軟件配置為輸入口或者輸出口，可實(shí)現(xiàn)與解碼芯片的無縫連接[6]，本系統(tǒng)的解碼芯片采用Philip公司生產(chǎn)的多制式視頻解碼器SAA7115，攝像頭送來的視頻信號(hào)經(jīng)SAA7115數(shù)字化后轉(zhuǎn)換為待處理的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，存入外部存儲(chǔ)器.DM642通過其I2C總線配置管理視頻解碼器SAA7115,采集模塊部分的方框圖如圖2所示.

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊負(fù)責(zé)將視頻信號(hào)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，傳輸過程符合TCP/IP協(xié)議.本系統(tǒng)采用Intel公司的LXT971作為快速以太網(wǎng)物理層自適應(yīng)收發(fā)器，因?yàn)镈M642內(nèi)部集成有以太網(wǎng)媒體存取控制器(MAC)，提供了DSP與網(wǎng)絡(luò)之間的高效接口，所以LXT971可以和DM642實(shí)現(xiàn)無縫連接.網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.DM642壓縮打包處理數(shù)據(jù)，然后通過LX971轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)物理層能接收的數(shù)據(jù)，經(jīng)過RJ45傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng).

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)采用了的參考框架RF5(Reference Frameworks 5)，參考框架保證了軟件方便容易與用戶硬件接口，每一個(gè)參考架構(gòu)均被打包成基于TI DSP的開發(fā)工具包或其他板卡的完整的應(yīng)用程序.RF5適用于含有多通道和多算法結(jié)構(gòu)的高密集度應(yīng)用程序，RF5使用線程阻塞，可用于包含線程間有復(fù)雜依賴關(guān)系的應(yīng)用程序.另外，RF5還具有可變的通道管理、高效的任務(wù)間通信，以及結(jié)構(gòu)化的線程安全控制機(jī)制，且易于替換I/O驅(qū)動(dòng)設(shè)備和易于調(diào)試，RF5使用同步通訊機(jī)制(SCOM)來實(shí)現(xiàn)線程的通訊[7，8].系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖如圖4所示.根據(jù)信號(hào)流程圖在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS靜態(tài)建立視頻輸入、視頻處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸3個(gè)線程任務(wù)來完成系統(tǒng)的監(jiān)控功能.其中輸入任務(wù)和處理任務(wù)優(yōu)先級(jí)相同且高于網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的優(yōu)先級(jí).

3.1 系統(tǒng)的初始化

系統(tǒng)在進(jìn)入任務(wù)調(diào)度之前，要對(duì)多個(gè)模塊初始化，其中包括：

1)處理器的初始化 ： 初始化DSP/BIOS環(huán)境，設(shè)置DM642 cache、DMA傳輸模塊等；

2)RF5模塊初始化：建立RF5的通道模塊，初始化SCOM；

3)建立視頻輸入通道.

3.2 多任務(wù)的調(diào)度

表1 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)完成初始化后，就進(jìn)入了三個(gè)任務(wù)的調(diào)度狀態(tài).三個(gè)任務(wù)通過SCOM模塊互相發(fā)消息通訊.

1)視頻輸入任務(wù)

視頻輸入任務(wù)從輸入設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中獲得圖像，并進(jìn)行降采樣，然后通過SCOM發(fā)送消息到處理任務(wù)，并等待處理任務(wù)的反饋消息.主要的源代碼如下：

yuv422to420(inBuf, outBuf, LINE_SZ, NUM_LINES);

SCOM_putMsg(fromInputtoProc, pMsgBuf);

FVID_exchange(capChan, &capFrameBuf);

pMsgBuf = SCOM_getMsg(fromProctoInput, SYS_FOREVER);

2)視頻處理任務(wù)

視頻處理任務(wù)收到輸入任務(wù)發(fā)來的消息后，立即獲得輸入數(shù)據(jù)的地址指針并對(duì)指針指向的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，處理完畢同時(shí)通知輸入任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)任務(wù).

3)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)模塊

網(wǎng)絡(luò)任務(wù)收到處理任務(wù)的消息后，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸.網(wǎng)絡(luò)傳輸采用TI公司推出的NDK(Network Developer's Kit)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包，通過socket編程完成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，本系統(tǒng)采用了UDP協(xié)議.主要的程序代碼有 ：

FD_SET(slisten, &ibits);

setsockopt( speer, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, &timeout, sizeof(timeout) );

send( speer, (UINT8 *)&jpg_size, 4,0)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在各個(gè)子模塊驗(yàn)證測(cè)試通過之后就可以進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試.系統(tǒng)首先上電自檢，然后自動(dòng)進(jìn)行視頻采集、處理與傳輸，在接收端圖像傳輸流暢，無抖動(dòng)現(xiàn)象。為了測(cè)試采集的視頻信號(hào)，在采集與處理的程序代碼首尾兩端加入定時(shí)器，定時(shí)器的計(jì)時(shí)差值換算處理后就是視頻信號(hào)采集處理所消耗的時(shí)間.測(cè)試結(jié)果如表1所示，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)的處理視頻信號(hào).

5 結(jié)束語

本文給出了一種基于DM642的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).從試驗(yàn)結(jié)果來看系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)傳輸流暢，滿足了實(shí)時(shí)性要求.該系統(tǒng)可廣泛用于智能家居、校園安全等領(lǐng)域的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控中，具有一定的實(shí)用性.

[1] 王運(yùn)濤，方彥軍，李世紅．基于Intermet的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的開發(fā)[J]．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004，17(5)：13-14．

[2] Yoo H,Anderdon D.Hardware-efficient distributed arithmetic architecture for high order digit filters[C]//Proc IEEE Interna tional Conference on Acoustics,Speech,and Signal Processing,2005:125-128.

[3] 劉文怡，楊慧梁．基于DSP和以太網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．安防科技，2009，9(9)：19-21．

[4] 晉春，徐榮青．采用DM642 DSP實(shí)現(xiàn)基于H.264的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J]．安防科技，2007，7(2)：20-21．

[5] 楊凡，李祥，涂軍．基于DSP的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[J]．湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007，22(5)：25-27．

[6] 王躍平，蘇月明，劉云生. 基于DM642的流媒體采集壓縮系統(tǒng)的研制[J]．計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2010,32(2):114-116．

[7] 崔麗珍，張祥松．基于DM642的視頻圖像實(shí)時(shí)通信和傳輸電子與封裝[J].2009,11(9):27:29．

[8] 魏宗沖，徐勝，朱彥伊．基于DM642的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J]．電視技術(shù),2008：32(5)：81-83．