張桂慶 肖洪祥 張葉茂

桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院 廣西 541004

0 引言

在數(shù)字化視頻監(jiān)控技術(shù)飛速發(fā)展的今天，數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)正迅速的深入到各行業(yè)，如企業(yè)、煤礦、學(xué)校、公共場所，為人們的工作和生活帶來了一次大變革。由于能夠在達(dá)芬奇平臺中實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻、音頻、語音與話音技術(shù)，因此達(dá)芬奇技術(shù)可以為數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的當(dāng)前變革打下基礎(chǔ)。與此同時(shí)，隨著3G網(wǎng)絡(luò)的開通，更為高清移動數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)提供了實(shí)現(xiàn)的可能。

本文中要設(shè)計(jì)的3G移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種能提供視頻采集、視頻數(shù)據(jù)壓縮、聯(lián)動報(bào)警、衛(wèi)星定位及網(wǎng)絡(luò)傳輸功能于一體的一種移動實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。其主要技術(shù)瓶頸就在于：①其系統(tǒng)耗時(shí)是否能保證其實(shí)時(shí)性要求，關(guān)鍵為H.264壓縮算法耗時(shí)。由于嵌入式環(huán)境資源的限制，在視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸和圖像質(zhì)量方面，尤其是多路的情況下，其一直都得不到保證。但是隨著達(dá)芬奇技術(shù)的成熟，其ARM 926EJ-S與DSP C64x+的雙核架構(gòu)，H.264壓縮算法獨(dú)立運(yùn)行在DSP的Codec Server端，解決了系統(tǒng)耗時(shí)保證其實(shí)時(shí)性要求。②其3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸能否保證視頻質(zhì)量及實(shí)時(shí)性。在保證視頻質(zhì)量及傳輸實(shí)時(shí)性要求上，可以從兩個(gè)方面入手：①縮短視頻數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間，使用當(dāng)前最高效的H.264編碼技術(shù)縮小傳輸?shù)男畔⒘?，采用動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整視頻數(shù)據(jù)的幀碼率來減少傳輸?shù)男畔⒘?，以適應(yīng)無線帶寬及抖動。②實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS機(jī)制，自己設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了3G無線傳輸?shù)腝oS機(jī)制，選用實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP和RTP配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷實(shí)現(xiàn)傳輸效率最佳化，因此保證了視頻質(zhì)量及其實(shí)時(shí)性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

本系統(tǒng)采用的是由達(dá)芬奇處理器（TMS320DM6446）、DDR2 SDRAM（MT47H64M16）、NAND FLASH（K9F1208X0C）、視頻解碼器TVP5150、3G芯片（中興MC8360）、GPS衛(wèi)星定位芯片加上外圍接口芯片的方案。CCD攝像機(jī)采集模擬視頻信號傳入視頻解碼器內(nèi)，進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出符合ITU-BT.656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號，然后將數(shù)字視頻信號傳到視頻處理子系統(tǒng)的前端進(jìn)行預(yù)處理，將數(shù)字視頻信號通過本人設(shè)計(jì)的OSD字幕添加算法加入白底黑邊字幕后，經(jīng)過Codec Engine編碼后通過USB2.0總線端口送入3G傳輸芯片，無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程視頻監(jiān)控中心；達(dá)芬奇處理器檢測進(jìn)行衛(wèi)星定位命令，通過串口接收GPS衛(wèi)星定位信息，然后將GPS衛(wèi)星定位信息傳入到3G傳輸芯片，無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程視頻監(jiān)控中心，在地圖上標(biāo)定其坐標(biāo)點(diǎn)及其移動軌跡。DM6446上的DSP端主要負(fù)責(zé)視頻編解碼工作，ARM端做為控制視頻解碼芯片、3G傳輸芯片、GPS定位芯片和外圍接口芯片的控制器。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 視頻采集與解碼設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中選用TI公司的視頻解碼芯片TVP5150完成視頻圖像的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。TVP5150是超低功耗、支持NTSC/PAL/SECAM等格式的高性能視頻解碼器，它正常工作時(shí)功耗僅115mW，并具有32腳TQFP超小封裝。它可以接收兩路CVBS或一路S-Video信號，通過I2C總線設(shè)置其內(nèi)部寄存器，可以輸出8位4:2:2的ITU BT.656信號。

TVP5150芯片采用14.31818 MHz晶振做為輸入時(shí)鐘，數(shù)字和模擬輸入電壓為1.8V，IO口電壓為3.3V；信號輸入有AIP1A和AIP1B兩路，并且都進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，防止對輸入信號的反射；YOUT[0:7]輸出8路YcbCr信號，行場同步信號選擇引腳HSYNC和VSYNC輸出；SCLK引腳向DM6446芯片輸出27MHz時(shí)鐘信號，用來同步數(shù)據(jù)采集。

2.2 DDR2 SDRAM內(nèi)存接口設(shè)計(jì)

內(nèi)存主要用來緩存視頻輸入圖像數(shù)據(jù)，存儲ARM和DSP代碼等。DDR2內(nèi)存是一種新型高速、大容量的雙速率同步存儲器，相對于DDR，DDR2具有更高的頻寬、更低的功耗、更好的高速效能。

本設(shè)計(jì)選用Micron公司的MT47H64M16BT型號DDR2芯片，該芯片單片容量為1Gb，提供16位字長數(shù)據(jù)總線接口，芯片采用1.8V做為輸入電壓，其內(nèi)存支持差分鎖存信號，可以保證電路在高速情況下準(zhǔn)確的鎖存總線上的數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。為提高系統(tǒng)內(nèi)存容量并最大限度利用DDR2控制器的32數(shù)據(jù)總線，設(shè)計(jì)選用兩片MT47H64M16BT，分別作為數(shù)據(jù)總線的高低16位，組成32位數(shù)據(jù)總線、大小為256Mbyte的內(nèi)存系統(tǒng)。將兩片16位DDR2芯片與32位總線的DDR2控制器連接時(shí)，把數(shù)據(jù)總線和相應(yīng)的數(shù)據(jù)選通信號及字節(jié)使能信號與相應(yīng)DDR2芯片分別連接，其它信號兩片DDR2芯片公用。此時(shí)，32位數(shù)據(jù)總線的DDR2控制器可同時(shí)訪問兩片DDR2芯片。

2.3 電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用TI公司的TPS75003和TPS62040電源管理芯片，TPS75003具有兩路最大提供3A的拓?fù)潆娫春鸵宦?00mA LDO電源，每個(gè)Buck輸出電壓范圍在1.2V至6.5V之間，LDO輸出電壓范圍在0.9V至6.5V之間，輸入電壓范圍在2.2V至6.5V之間。TPS62040是高效異步開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換電源，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95%，輸入電壓范圍在2.5V至6.0V，輸出電壓在0.7V至6.0V，因此都可通過主電源+5V供電。

系統(tǒng)電源分為+5V、+3.3V、+1.8V、+1.2V四種，系統(tǒng)主供電電源為+5V，其余均由+5V電源供給。因此，采用一片TPS75003和一片TPS62040完成系統(tǒng)四種電源的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)用TPS75003的SW1引腳經(jīng)過SI2323續(xù)流整形后輸出1.2V電壓用于DM6446內(nèi)核供電，IS1引腳連接參考電壓，F(xiàn)B1引腳接輸出1.2V電壓作為反饋，SW2引腳輸出3.3V電壓用于DM6446外設(shè)接口供電。TPS62040的SW1和SW2引腳短接后輸出1.8V電壓用于DM6446存儲器接口供電，F(xiàn)B引腳連接1.8V作為反饋輸入。這樣，用一片TPS75003和TPS62040電源管理芯片就可以滿足本系統(tǒng)供電。TPS75003和TPS62040電源轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用嵌入式MontaVista Linux操作系統(tǒng)平臺，其具有安全、穩(wěn)定、高效率、高實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。本文系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，從功能角度，其軟件體系結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)澐譃橐韵挛宀糠郑翰杉K、編碼模塊、3G傳輸模塊、GPS衛(wèi)星定位模塊、設(shè)備監(jiān)測模塊。由于3G無線傳輸受到其帶寬的限制，如何能保證視頻圖像質(zhì)量和實(shí)時(shí)性尤為關(guān)鍵，因此，3G傳輸模塊是系統(tǒng)軟件的核心部分。

3.1 采集模塊

本模塊主要完成視頻的采集、圖像格式轉(zhuǎn)換。采用V4L2接口采集攝像頭的視頻數(shù)據(jù)，V4L2是Linux下開發(fā)視頻采集設(shè)備驅(qū)動程序的一套規(guī)范，這套規(guī)范使用分層的方法給驅(qū)動程序開發(fā)提供了清晰的模型和一致的接口。應(yīng)用程序處于最上層，V4L2處于中間層，而硬件設(shè)備處于下層，從而通過驅(qū)動程序，應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的操作如同一個(gè)文件一樣，屏蔽了硬件設(shè)備的具體操作。

TVP5150驅(qū)動程序以包含在Linux內(nèi)核中，本設(shè)計(jì)是基于該驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)視頻采集的，視頻采集程序基本流程如圖3所示。

圖3 視頻采集程序基本流程圖

3.2 編碼模塊

本模塊主要完成了OSD字幕信息添加及圖像的壓縮編碼。設(shè)計(jì)中充分利用了Davinci編解碼引擎接口進(jìn)行應(yīng)用程序編程，對采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行YUV格式轉(zhuǎn)換后，通過自己設(shè)計(jì)的OSD字幕算法加入OSD字幕信息，采用優(yōu)化的TI公司H.264壓縮算法，對完成處理的YUV4:2:0格式數(shù)據(jù)進(jìn)行幀間編碼壓縮。OSD字幕算法實(shí)現(xiàn)了在YUV圖像上面添加中英文字幕信息，并可設(shè)置字體的字和邊界為兩種顏色，以在不同背景色下清晰顯示字體。其基本原理為根據(jù)字符的ASCII從點(diǎn)陣字庫中讀入其點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次外圍邊界像素點(diǎn)擴(kuò)展，這樣就可以判斷每位數(shù)據(jù)中為1的相鄰8個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)位的值，為0則表示該點(diǎn)是字符的邊框，為1則表示該點(diǎn)是字符邊框內(nèi)的背景色。

3.3 3G傳輸模塊

本部分主要完成視頻數(shù)據(jù)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，用于支持視頻監(jiān)控及系統(tǒng)控制通訊等功能。設(shè)計(jì)中采用RTP/RTCP協(xié)議配合使用，由于無線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，加入了自適應(yīng)幀碼率處理機(jī)制及QoS處理機(jī)制，保證了視頻圖像質(zhì)量和實(shí)時(shí)性要求。其基本過程是壓縮編碼完成后，進(jìn)行視頻預(yù)存緩沖處理，對編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行RTP封包處理，然后經(jīng)過USB總線傳輸?shù)?G模塊中，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送；接收數(shù)據(jù)完成后，進(jìn)行命令解析處理，判斷是否有自適應(yīng)或重傳控制命令，實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整幀碼率以降低無線網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載，或者通過預(yù)存緩沖機(jī)制提取出丟失視頻數(shù)據(jù)，完成重傳數(shù)據(jù)傳輸。其3G傳輸程序基本流程如圖4所示。

圖4 3G傳輸程序基本流程圖

3.4 GPS衛(wèi)星定位模塊

設(shè)計(jì)中使用GPS統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的NMEA（National Marine Electronics Association）協(xié)議完成通訊解析，其主要實(shí)現(xiàn)了對GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的解析處理，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器軟件上，以對本3G無線移動監(jiān)控系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)其位置信息、速度信息、方向信息、可用衛(wèi)星數(shù)及狀態(tài)信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示，從而在地圖上標(biāo)定出移動平臺的地理坐標(biāo)、移動軌跡及其狀態(tài)信息等。

3.5 設(shè)備監(jiān)測模塊

本部分主要完成系統(tǒng)控制命令解析及其響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)對云臺、鏡頭等設(shè)備的控制；各種報(bào)警事件的檢測與處理，如視頻丟失、視頻遮擋、移動偵測報(bào)警等功能；系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測處理，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)或崩潰的自動重啟、系統(tǒng)程序的自動升級、系統(tǒng)程序的恢復(fù)出廠設(shè)置等功能；系統(tǒng)運(yùn)行權(quán)限及規(guī)則的檢測處理，以實(shí)現(xiàn)對使用者的權(quán)限分級管理和操作規(guī)則的合法化。

4 結(jié)論

基于3G無線移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入內(nèi)部測試階段并且功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠很好的在3G無線帶寬抖動中進(jìn)行視頻監(jiān)控，為移動視頻監(jiān)控應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，如移動警車監(jiān)控系統(tǒng)等。本文提出一種基于TI DM6446的3G移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)和軟件模塊化詳細(xì)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)很好的解決了在視頻監(jiān)控前段OSD字幕信息添加和無線帶寬抖動的問題，從而使視頻監(jiān)控流暢穩(wěn)定。

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