王 東 張為公 孫 偉 程 寅

(東南大學儀器科學與工程學院1) 南京 210096)(南京信息工程大學信息與控制學院2) 南京 210096)

1 引言

由于視頻圖像包含的信息直觀、豐富,車載視頻記錄儀在約束駕駛人員的不良駕駛行為、保障車輛行駛安全以及道路交通事故的分析鑒定方面,相對于傳統(tǒng)的人工監(jiān)督、抽樣檢查、事后取證等方法,具有積極、重要的作用。近幾年來的統(tǒng)計資料表明:使用車載視頻記錄儀,交通事故發(fā)生率降低了52%,大大減少了人員傷亡和財產損失,產生了明顯的社會效益與經濟效益。歐盟、日本等國家早已開始以立法的形式在部分客運車輛及貨車上強制安裝使用,我國目前市場上也有類似產品,但視頻存儲的可靠性和圖像畫質不盡如人意,產品的成本也過高。本文采用嵌入式方案,設計了一種低成本的、基于TMS320DM642的車載視頻記錄儀,有效解決了圖像存儲質量低和車載環(huán)境下電源穩(wěn)定性差的問題。

2 系統(tǒng)總體方案設計

車載視頻記錄儀主要分為視頻處理和視頻存儲兩大部分,總體結構框圖如圖1所示。攝像頭采集的視頻信號,經過前向通道(選用SAA7115)將模擬信號轉成數字信號送入視頻處理芯片(選用TMS320DM642)。視頻處理芯片將沒有壓縮的視頻信號讀入后通過FPGA實現OSD(On Screen Display),送去視頻后向通道(選用SAA7105)經顯示器顯示;同時用優(yōu)化的H.264壓縮算法對視頻流進行壓縮,將壓縮后的視頻信號通過網口傳遞給以ARM為核心的存儲模塊,ARM接收數據后將其存為通用的視頻格式(AVI等)并將其存入SD卡。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2.1 視頻處理器的選擇及TMS320DM642

視頻處理,特別是視頻壓縮算法對處理器的運算能力有較高的要求。一些高品質的處理器,比如PC機、PC104等都能滿足這樣的要求,但是它們成本較高,不利于產品的推廣,而且這些處理器不能夠適應車載的顛簸環(huán)境。通過比較,選擇了TI公司C6000系列的一款芯片—TMS320DM642。該款芯片采用C64x內核,可工作在600MHz的時鐘速率下,巔峰達到4800MPIS的計算速度,足以能夠實現H.264圖像壓縮算法。另外,其兩級緩存結構能提供1個時鐘周期內2個64bit的讀取或存儲,可以實現高質量圖像的采集和存儲。同時,TMS320DM642還提供3個可配置的視頻端口(用于視頻采集和回顯);10/100兆字節(jié)每秒的以太網測量與控制模塊(傳輸壓縮視頻信號);內嵌完備的I2C總線模塊(控制視頻編解碼芯片);66兆赫茲的32位外圍設備擴展接口(通過FPGA實現OSD)等[1]。因此,選擇 TMS320DM642做為視頻處理的核心芯片是合理并且可行的。

2.2 存儲方式的選擇

視頻存儲要求存儲介質容量大、讀寫速度快、價格低廉,SD卡能適車載環(huán)境下應較為顛簸的路況環(huán)境,不容易損壞和故障,相比于傳統(tǒng)用硬盤為存儲介質的視頻記錄儀,具有明顯的優(yōu)勢,因此本文采用SD卡為存儲介質。如果直接將SD卡與TMS320DM642相連將存在以下兩個問題。一方面,TMS320DM642沒有現成的對SD卡的接口,必須自行編寫SD卡的驅動程序,工作量非常大;另一方面,即使有了驅動,TMS320DM642要完成視頻處理、視頻壓縮算法等工作,以及SD卡的讀寫,系統(tǒng)的實時性將下降,以至于不能夠實現流暢視頻的實時動態(tài)存儲。基于以上考慮,本文采用DSP+ARM的結構,因為ARM有現成的對SD卡的接口,通過它可以方便的將壓縮后的視頻信號存入SD卡中。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 DM642最小系統(tǒng)設計

DM642最小系統(tǒng)能夠保證視頻壓縮和處理的順利完成,這部分主要包括SDRAM、FLASH以及串口設計,DM642最小系統(tǒng)圖如圖2所示。在本文中,SDRAM采用地址總線共用的方法將兩片M T48LC4M32B合成為一個4M×64的高速SDRAM。SDRAM 的地址被配置到CE0,尋址空間為 0x8000 0000～0x81FF FFFF,時鐘則由DM642的 ECLKOUT1引腳提供(設定為133MHz)。FLASH 選用的是AM29LV033C,數據寬度為8位,地址線22位,其中最初的1K用來存放DSP的啟動代碼。串口芯片采用16c2554芯片,并和其他外設一起占用CE1從0x9008 0000開始的一段地址。CPLD(選用EPM3032A芯片)則起地址譯碼器的作用。另外用網口將壓縮好的視頻信息傳送給ARM,JTAG則用于在線仿真調試。

3.2 視頻處理通道的設計

圖2 DM642最小系統(tǒng)圖

該部分為視頻處理的前向和后向通道,高性能、高速度的視頻編解碼芯片使得高畫質視頻能夠實時的送交DM642處理并回顯。DM642有三個可配置的視頻口VP0、VP1和VP2(其中VP0、VP1為多功能復用VP2為單一定義引腳),每個視頻口又可分為A、B兩個通道,可同時配置為視頻輸入或輸出。在視頻采集前向通道中,模擬視頻信號經過Philips公司的視頻解碼芯片SAA7115以后,變成標準的 BT.656格式信號,并和DM642的VP0口相連。視頻后向輸出通道中,由DM642輸出的BT.656視頻信號加上FPGA疊加上去的信息,經過芯片SAA7105時能被分離出Y信號、Cb信號和Cr信號,并由片內數模轉換器轉換成各個不同標準的模擬信號輸出,實現視頻解碼。視頻編解碼芯片都通過I2C總線進行配置,并采用外接晶振。視頻處理通道的原理圖如圖3所示。

圖3 視頻輸入輸出通道圖

3.3 視頻存儲部分硬件設計

在視頻存儲部分,ARM芯片選用 LPC2378,在最小系統(tǒng)完成后,由于有現成的SD卡驅動,讀寫操作非常方便,只需將ARM對應的端口與SD卡相連。硬件上有9根連接線(分為電源線、地線、時鐘線、命令線和四根數據線)和若干限流電阻以及電壓保護二極管,這使得即使在顛簸的車載環(huán)境中,SD卡中的數據也不會損壞和丟失,SD卡硬件連接圖如圖4所示[2～3]。

圖4 SD卡硬件連接圖

3.4 電源調理設計

在車載環(huán)境下,電源的穩(wěn)定性對圖像的質量影響很大,車內所有的用電器都是并聯在一個蓄電池上的,互相之間會有干擾,傳統(tǒng)視頻記錄儀的圖像變形很大程度上是由電源不穩(wěn)定造成的。本文中采用了如圖5所示的電源調理電路。保險絲F1和二極管D1分別在短路和電源反接時對電路進行保護,TVS管Z1用來抑制瞬間高電壓脈沖,共模電感能有效消除共模干擾,這樣處理后就能得到較穩(wěn)定的電壓。系統(tǒng)的部分外設需要5V電壓,DSP工作時需要3.3V的外圍I/O電壓和1.4V的核心電壓,ARM則需要有3.3V的工作電壓。本文采用了開關電源芯片LM2576將電壓轉為5V,該芯片的輸出電流最高可達3A,能夠滿足系統(tǒng)的功率要求,5V電壓再分別由LP3966得到3.3V電壓,MAX1951得到1.4V的電壓。其中5V電源部分紋波和傳統(tǒng)設備相比從100mV以上下降到了50mV以內,如圖6和圖7所示[4]。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 軟件處理流程

在軟件處理過程中,視頻壓縮算法即使優(yōu)化以后也會占用大量的內存和CPU資源,為了節(jié)省開銷,系統(tǒng)只在需要進行存儲時才調用視頻壓縮程序,否則只實現采集和回顯功能。軟件處理流程圖如圖8所示。

區(qū)別于傳統(tǒng)視頻記錄儀的單一記錄功能,本文在手動存儲的基礎上加入了基于模式識別的駕駛行為異常的自動存儲和報警,比如異常偏離車道報警、駕駛員疲勞駕駛以及營運車輛超載監(jiān)控報警等,這些報警信息將利用FPGA的OSD功能,在回顯屏幕上指示出來。通過軟件包的升級,在不變的硬件平臺上能夠集成多種功能,大大提高了駕駛的安全性。

圖8 軟件處理流程圖

4.2 H.264算法與優(yōu)化

H.264是國際標準化組織(ISO)和國際電信聯盟(IT U)共同提出的繼MPEG4之后的新一代數字視頻壓縮格式,它既保留了以往壓縮技術的優(yōu)點和精華又具有其他壓縮技術無法比擬的諸如低碼流、圖像質量高、容錯能力強、網絡適應性強等許多優(yōu)點。

要在TMS320DM642中實現H.264算法,需要對算法進行適當的優(yōu)化,過程一般分為3個階段:第一階段編寫C代碼,第二階段優(yōu)化C代碼,第三階段編寫線性匯編[5]。

H.264核心功能都是通過調用 VideoCaptureVpStart和test264Enc函數實現的。VideoCaptureVpStart負責整個流程中各幀圖像的采集,test264Enc則對VideoCaptureStart采集到的每幀圖像依次編碼,整個tskVideoCapture任務的主要代碼如下:

5 實驗結果

圖9 系統(tǒng)工作連接圖

H.264的編碼率直接影響到圖像的質量,通過對50～1600Kb/S不同編碼率下的動態(tài)圖像對比實驗,結果如圖10所示,發(fā)現碼率在 900～1600Kb/S之間時,圖像質量差距不大;碼率在50～400Kb/S之間時,圖像模糊,細節(jié)信息丟失。因此,將碼率設定在 400～900Kb/S之間為宜,對應于2GB的SD卡,各碼率的存儲極限時間如表1所示。可以看出,在使用600k的編碼率時,一張2G的SD卡可以存儲781分鐘,約13個小時的視頻文件,足以滿足正常車輛一天的使用。

表1 不同視頻編碼率下可存儲的總文件時長

圖11為傳統(tǒng)的車載視頻記錄儀存儲的視頻圖像,圖12為本文設計的記錄儀存儲的視頻圖像(右上角黑色方框為車道偏離報警提示),對比二者不難看出,本文采用優(yōu)化的H.264算法使得視頻圖像更加清晰,改進的車載電源設計讓圖像更穩(wěn)定,以SD卡為存儲介質后,使異常駕駛時的圖像信息得以長時間可靠的保存,如圖中異常偏離車道時車輛、路況以及路標等重要信息都被完整的保留下來。

6 結語

本文設計了一種實用的車載視頻記錄儀。介紹了整個系統(tǒng)的硬件構成和視頻處理軟件流程。對傳統(tǒng)視頻記錄儀圖像質量低,電源抗干擾能力差,功能單一無法擴展等缺點進行了改進。實驗結果表明,本文設計的記錄儀功能擴展性強,存儲的圖像清晰,可靠性好,適用于車載環(huán)境,可廣泛應用于車道偏離檢測、駕駛員行為監(jiān)控等領域,并能為交通事故的責任認定提供可靠依據。

[1]Texas Instruments.TMS320C6000 DSP/BIOS Application Programming Interface(API)Reference Guide&TMS320C6000 Programmer's Guide[S].2002

[2]楊忻愷,張為公,于兵,等.基于DSP的車載視頻監(jiān)控存儲系統(tǒng)的設計[J].電子器件,2009,32(4):806～808

[3]Qiang Wu,Kebin Jia,Xuwen Li.Study On Vehicle Video Blackbox with Acceleration Sensitive Function[C]//2008 International Conference on MultiMedia and Information Technology

[4]Jun Wu,Zhi-Tao Xiao.Design of Communication Interface in a Video Vehicular Detection System Based on ARMand DSP[J].ICSP2008

[5]張彤宇,蘇睿.H.264/AVC視頻編碼器在DM642平臺上的實現與優(yōu)化[J].微電子學與計算機,2005,22(12)