謝文濱，葉水生

（南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)正迅速深入到學(xué)校、銀行、商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、道路交通等領(lǐng)域的安防監(jiān)控。然而，視頻數(shù)據(jù)量龐大，如此廣泛的應(yīng)用，也就需要壓縮率更高的算法。H.264是目前最先進(jìn)的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，具有高壓縮率的同時(shí)還具有更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，它提供了網(wǎng)絡(luò)抽象層，使得H.264的文件更容易在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸 （例如互聯(lián)網(wǎng)、WCDMA、CDMA2000等）。為了應(yīng)對(duì)強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求，德州儀器（TI）公 司 推 出 達(dá) 芬 奇[1]（DaVinci）技 術(shù) 的 TMS320DM6446處理器，它是一種專門針對(duì)數(shù)字視頻應(yīng)用、基于信號(hào)處理的解決方案，提供了專業(yè)的集成處理器、軟件、工具和支持，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，加速產(chǎn)品創(chuàng)新，深受開(kāi)發(fā)者青睞。然而，它的開(kāi)發(fā)卻非常復(fù)雜，使得許多開(kāi)發(fā)者都未能盡可能地發(fā)揮其硬件作用。為此，本設(shè)計(jì)采用了基于達(dá)芬奇技術(shù)的TMS320DM6446處理器為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，介紹了達(dá)芬奇平臺(tái)的雙核通信機(jī)制，并以H.264進(jìn)行壓縮編碼，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)視頻編碼軟件系統(tǒng)。

1 TMS320DM6446雙核通信

TMS320DM6446集成了TMS320C64x+DSP核和ARM926EJ-S核。在ARM端基于MontaVista Linux、相關(guān)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序來(lái)管理芯片與外設(shè)的交互，DSP作為ARM的協(xié)處理器，主要是基于DSP/BIOS（TI公司的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核）來(lái)處理復(fù)雜的音視頻編解碼相關(guān)的算法。高集成度帶來(lái)了開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性，ARM和DSP間通過(guò)DSPLink完成通信，同時(shí)需要編解碼引擎Codec Engine和編解碼服務(wù)器Codec Server協(xié)助完成。

1.1 Codec Engine

Codec Engine是處理器間通信的橋梁，是介于ARM側(cè)的應(yīng)用程序和DSP側(cè)的算法之間的軟件模塊，可以通過(guò)調(diào)用一組API集合來(lái)調(diào)用和運(yùn)行符合x(chóng)DAIS標(biāo)準(zhǔn)的算法。Codec Engine包括核心引擎（Core Engine）API和VISA（Video，Image，Speech，Audio）API。 其中的 VISA API通過(guò)stub （ARM端） 來(lái)訪問(wèn)核心引擎SPIs（System Programming Interface）和 skeleton（DSP 端），skeleton 訪問(wèn)核心引擎 SPIs和 VISA SPIs，VISA SPIs則最終調(diào)用具體的算法。因此，Codec Engine的工作是通過(guò)完成VISA API的任務(wù)來(lái)體現(xiàn)的。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Codec Engine結(jié)構(gòu)圖

核心引擎操作如下：

打開(kāi)一個(gè)編解碼引擎之后，就可以創(chuàng)建、控制、處理、刪除具體的算法實(shí)例。VISA接口支持4種數(shù)據(jù)源的處理，分別是視頻、圖像、語(yǔ)音和音頻。

VISA API應(yīng)用如下：

1.2 Codec Server

Codec Server是一個(gè)二進(jìn)制文件，集成了編解碼器、框架組件以及相關(guān)的系統(tǒng)代碼，可以使用DSP/BIOS作為內(nèi)核運(yùn)行在DSP端。Codec Server類似于一個(gè)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，包括了對(duì)客戶請(qǐng)求（ARM端應(yīng)用程序?qū)SP端音視頻算法的調(diào)度）進(jìn)行響應(yīng)的相關(guān)DSP/BIOS任務(wù)線程，能夠用于創(chuàng)建編解碼器，同時(shí)也提供處理器性能信息。

Codec Engine和 Codec Server間的通信就是RPC（遠(yuǎn)過(guò)程調(diào)用）原理在雙核上的實(shí)現(xiàn)。ARM端當(dāng)成客戶機(jī)，訪問(wèn)DSP服務(wù)器的算法；而DSP端被當(dāng)成服務(wù)器，響應(yīng)ARM端應(yīng)用程序的請(qǐng)求。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于達(dá)芬奇平臺(tái)數(shù)字媒體處理器TMS320DM6446進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合128MB DDR2 SDRAM內(nèi)存、視頻解碼器 TVP5150、CCD攝像頭、10M/100M標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)芯片。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

在ARM端，使用CCD攝像頭實(shí)時(shí)采集模擬視頻信號(hào)，傳入視頻解碼器TVP5150內(nèi)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)，這部分的采集工作由視頻前端VPFE負(fù)責(zé)。為了使這些數(shù)據(jù)能被DSP處理，VPFE需要將RGB格式的原始圖像轉(zhuǎn)換為YUV格式[2]。然后使用DSPLink模塊與DSP端進(jìn)行通信，并通過(guò)Codec Engine調(diào)度DSP端的H.264編碼算法，從而得到已編碼的視頻數(shù)據(jù)。基于TCP/IP協(xié)議，將編碼過(guò)的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)接口EMAC傳輸至遠(yuǎn)程管理軟件管理。同時(shí)為了驗(yàn)證H.264編碼的正確性和編碼的質(zhì)量，調(diào)用DSP端的H.264解碼算法對(duì)已編碼視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼操作，最后通過(guò)ARM側(cè)的視頻后端VPBE將解碼過(guò)的視頻數(shù)據(jù)送到LCD進(jìn)行顯示。VPBE能將YUV格式的圖像轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)CD支持的NTSC或者PAL格式。UART0接口主要用于系統(tǒng)調(diào)試，DDR2則是視頻流數(shù)據(jù)的交換中心。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，以MontaVista Linux操作系統(tǒng)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于Linux下視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序規(guī)范V4L2[3]（Video for Linux Two）、幀緩沖機(jī)制（Frame Buffer）和多線程技術(shù)進(jìn)行視頻應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。多線程是一種多任務(wù)、并發(fā)的工作方式，能夠提高程序響應(yīng)及CPU的使用率，并能改善程序的結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)為5個(gè)線程，分別為主線程、顯示線程、采集線程、視頻線程和控制線程。

3.1 主線程

主線程用于執(zhí)行必要的初始化，解析用戶程序提供的命令行參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)的值產(chǎn)生其他線程。初始化任務(wù)主要包括視頻標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，使用了幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的 ioctl（FBIO_GETSTD）；用戶命令行參數(shù)解析；Codec Engine初始化；創(chuàng)建顯示、采集和視頻三個(gè)線程；調(diào)用控制線程的函數(shù) ctrlThrFxn（ ），從而主線程轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂凭€程。控制線程負(fù)責(zé)用戶接口，可用于響應(yīng)鍵盤接口輸入的命令；還能在OSD（On-Screen Display，達(dá)芬奇平臺(tái)的在屏顯示技術(shù)）上顯示和更新文字、圖形，使用setOsdTransparency（ ）函數(shù)設(shè)置 OSD窗口的透明度；同時(shí)能夠在OSD上繪制按鈕并對(duì)文字著色。具體的流程如圖3所示。

3.2 采集線程

ARM端的采集線程基于V4L2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)獲取實(shí)時(shí)的視頻緩沖數(shù)據(jù)，并傳給視頻線程處理。采集線程的流程如下：

（1）打開(kāi)視頻采集設(shè)備

圖3 主線程流程圖

（2）初始化設(shè)備

首先，查詢?cè)O(shè)備的性能，獲取視頻采集設(shè)備的capability，辨別是否具有視頻輸入特性。

然后，選擇視頻輸入的功能。

設(shè)置視頻制式和幀格式。

（3）設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸方式

采用內(nèi)存映射模式。在這種模式下，應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序之間只有指向視頻數(shù)據(jù)buffer的指針被交換，數(shù)據(jù)本身不會(huì)被復(fù)制，提高了效率。

（4）實(shí)際的采集操作

V4L2中有兩個(gè)隊(duì)列：輸入和輸出[4]。先把映射好的內(nèi)存片段入隊(duì)，接著開(kāi)始采集視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)入read循環(huán)，此時(shí)應(yīng)用程序等待輸出隊(duì)列被填滿時(shí)可以將內(nèi)存片段出隊(duì)，出隊(duì)的數(shù)據(jù)就是攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)。將出隊(duì)的內(nèi)存片段處理完后重新入隊(duì)列尾，這樣可以循環(huán)采集。入隊(duì)和出隊(duì)操作使用V4L2中的VIDIOC_QBUF和VIDIOC_DQBUF的 ioctl（ ）函數(shù)調(diào)用。

同時(shí)，應(yīng)用程序可以調(diào)用VIDIOC_STREAMON的ioctl（ ）來(lái)啟動(dòng)視頻采集，VIDIOC_STREAMOFF 的 ioctl（ ）則用來(lái)停止視頻采集。

（5）關(guān)閉設(shè)備

3.3 視頻線程及其交互

視頻線程基于Codec Engine機(jī)制調(diào)用DSP端的視頻編碼算法對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264編碼，經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)、量化、熵編碼等一系列的操作，大幅減小視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)容量，從而降低視頻傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。已編碼的視頻數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在本地硬盤或者基于TCP/IP協(xié)議發(fā)送至遠(yuǎn)程管理軟件管理。同時(shí)為了驗(yàn)證視頻編碼算法的正確性與質(zhì)量，調(diào)用DSP端H.264解碼算法對(duì)已編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼操作，并且送入顯示線程，使用frame buffer機(jī)制將其顯示在LCD屏幕上。詳細(xì)的交互流程如圖4所示。

圖4 視頻線程交互流程圖

3.4 實(shí)際效果

采用 PAL制式，分辨率為 720×480，幀率 25 f/s。 當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)速度過(guò)快時(shí)，視頻的清晰度會(huì)較大程度降低。實(shí)際視頻效果如圖5所示。

結(jié)合達(dá)芬奇TMS320DM6446中ARM和DSP處理器各自的優(yōu)勢(shì)，提出了基于H.264壓縮算法的視頻編碼軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)視頻采集、視頻編解碼、視頻顯示和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?，在以后的工作中將加入行為分析和追蹤等功能，以使系統(tǒng)更加智能。本設(shè)計(jì)可應(yīng)用于學(xué)校、交通、商業(yè)、銀行等多個(gè)領(lǐng)域，具有較好的前景。

[1]王銘銘，方千山，顏佳泉，等.圖像處理和達(dá)芬奇技術(shù)在紡紗斷線檢測(cè)中的應(yīng)用 [J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31（17）：44-45.

[2]HAN Peicen， YE Zhaohui， YANG Shiyuan.The Design and Implementation of Network Video Surveillance System Based on Davinci Chips[C].Qingdao China：Advances in Information Technology and Education，2011，201：296-302.

[3]Bill Dirks.Video for Linux Two[EB/OL].（2003-6-26）http：//www.thedirks.org/v4l2.

[4]趙勇，袁譽(yù)樂(lè)，丁銳.DAVINCI技術(shù)原理與應(yīng)用指南[M].南京：東南大學(xué)出版社，2008.