馬文科，肖永江

（萍鄉(xiāng)學院 機械電子工程系，萍鄉(xiāng)337000）

引 言

隨著視頻終端、網(wǎng)絡技術(shù)和視頻編解碼技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻處理系統(tǒng)也快速向智能化、高清化和網(wǎng)絡化發(fā)展[1]。目前，應用較多的高清視頻系統(tǒng)有視頻會議電視、視頻監(jiān)控器、網(wǎng)絡視頻錄像、視頻服務器、行車記錄儀等。同時，以網(wǎng)絡為基礎(chǔ)的視頻終端突破了時間、地域的限制，只要有網(wǎng)絡存在的地方就可以建立網(wǎng)絡視頻系統(tǒng)，省去了傳統(tǒng)的布線和線路維護費用，降低了成本。網(wǎng)絡視頻終端將成為視頻系統(tǒng)的主流，特別是在當前移動終端和移動互聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)的大趨勢下[2]。

本文基于監(jiān)控攝像機專用單芯片GM8126，設(shè)計了一種高清視頻終端系統(tǒng)。視頻終端的軟件設(shè)計總體方案是在Linux基礎(chǔ)上建立統(tǒng)一的軟件平臺，并在底層抽象出媒體資源管理模塊，用于屏蔽視頻終端系統(tǒng)的硬件和媒體設(shè)備需求的差異。

1 總體架構(gòu)

高清視頻系統(tǒng)主要由高清視頻終端、服務器、監(jiān)控計算機、以太網(wǎng)絡及管理平臺軟件等組成。高清視頻系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 高清視頻系統(tǒng)

高清視頻終端可以直接將視頻數(shù)據(jù)保存在本地的服務器或數(shù)據(jù)存儲媒介中，也可以通過網(wǎng)絡傳送到遠程接收設(shè)備。高清視頻終端有自己的IP地址，可直接與以太網(wǎng)連接，同時支持很多網(wǎng)絡通信協(xié)議。局域網(wǎng)以及廣域網(wǎng)上的用戶使用標準的網(wǎng)絡瀏覽器就可以根據(jù)IP地址對視頻終端進行訪問，觀看通過網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r圖像[3]。另外，還可通過對鏡頭、云臺的控制，對目標進行全方位的監(jiān)控。高清視頻系統(tǒng)還包含很多其他更有吸引力的功能，例如硬件加密、圖像水印、運動探查和智能警報等[4]。

2 高清視頻終端的硬件設(shè)計

2.1 GM8126硬件平臺

系統(tǒng)硬件平臺采用升邁公司的GM8126芯片，這是一款針對在因特網(wǎng)上傳送音、視頻數(shù)據(jù)的SoC芯片。其內(nèi)核為基于ARM9＋DSP多核架構(gòu)、高性能FA626TE處理器，主頻高達600 MHz，能輕松實現(xiàn)各種智能算法；較強的H.264編碼能力，720P達到45幀，1080P達到30幀，同時支持MPEG4、MJPEG編解碼；除了集成嵌入式系統(tǒng)必備接口（如USB、SD、UART、GPIO）外，在內(nèi)部還集成了ISP（Image Signal Processing）預處理、網(wǎng)口、AudioCodec、TV-Encoder等專門用于視頻處理的接口[5]。根據(jù)視頻系統(tǒng)性價比要求，采用GM8126開發(fā)平臺是普通高清視頻系統(tǒng)比較合適的解決方案，GM8126內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GM8126內(nèi)部結(jié)構(gòu)

GM8126內(nèi)置了802.3以太網(wǎng)MAC控制器，外部只需要802.3物理接口芯片即可實現(xiàn)以太網(wǎng)的功能。此外，音頻輸入采用模擬MIC或線輸入，音頻輸出采用線輸出，視頻輸入采用圖像采集模塊，視頻輸出到網(wǎng)絡、LCD或TV設(shè)備。

2.2 圖像采集模塊

圖像采集模塊主要任務是高清圖像采集，直接輸出高清圖像數(shù)據(jù)，目前主要有CCD和CMOS兩種類型的圖像傳感器芯片。CCD圖像傳感器性能好，但價格相對較貴，不太適合于低成本的系統(tǒng)。CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD，且隨著集成電路工藝技術(shù)的提高，CMOS圖像傳感器在分辨率、噪聲等方面都有顯著的改善。系統(tǒng)中采用Omni公司的OV9712芯片，該傳感器為1/4英寸高清CMOS圖像傳感器，像素尺寸3.0μm，可輸出1280×800（WXGA）、1280×720（720P）和640×480分辨率圖像[6]。

3 高清視頻終端的軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

GM8126 SDK提供了一系列開發(fā)工具用于視頻終端系統(tǒng)的開發(fā)。采用Linux2.6.28作為操作系統(tǒng)，選用uboot作為加載，交叉編譯工具鏈為gcc4.4.0，庫為glibc2.9。平臺提供了芯片內(nèi)部控制器和開發(fā)板外設(shè)的所有應用于視頻終端的驅(qū)動，例如capture drivers、video graph drivers、I2S audio driver等，平臺還提供了 H.264/MPEG4/JPEG編解碼器驅(qū)動，可以分別支持 H.264/MPEG4/JPEG三種編碼標準。另外，它還支持大量的網(wǎng)絡協(xié)議，可以方便應用于視頻終端系統(tǒng)，比如DNS、DHCP、PPPoE、TFTP、ARP/PARP、NFS、PING等。GM8126 Linux開發(fā)平臺的軟件框圖如圖3所示。

圖3 GM8126 Linux開發(fā)平臺的軟件框圖

3.2 媒體資源管理

媒體資源管理重點關(guān)注音視頻接口及音視頻處理兩部分內(nèi)容，與硬件設(shè)計方案緊密相關(guān)。GM8126同時支持兩組BT656視頻，通過圖像傳感器采集圖像，傳送給圖像信號處理器（ISP）進行圖像預處理，以提供更高質(zhì)量的圖像。平臺提供的H.264最高支持1080P＠30 fps和720P＠45 fps編碼。為了適應不同的網(wǎng)絡速率，如局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)或手機的無線網(wǎng)，以及考慮不同的網(wǎng)絡帶寬和輸出顯示設(shè)備的分辨率[5]，平臺還分別支持 H.264/MPEG4/JPEG 3種編碼標準的多種制式。

3.2.1 媒體資源分配

不同的視頻系統(tǒng)要求輸出的視頻數(shù)目和制式不一致，實際設(shè)計中需要根據(jù)不同的系統(tǒng)和GM8126本身的編碼能力確定各種視頻終端系統(tǒng)的媒體資源分配方案。

根據(jù)實際使用場合，在GM8126平臺上設(shè)計了高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的兩種媒體資源分配方案，如圖4所示，可以輸出多種視頻制式發(fā)送到網(wǎng)絡或存儲器，此外還能發(fā)送一路160×112＠30 fps的視頻用于手機監(jiān)控。其中一種視頻監(jiān)控器的CAP1＿0路視頻編碼320×240＠30 fps發(fā)送給網(wǎng)絡或者存儲器，如圖4虛線所示連接，另外一種CAP1＿0路視頻經(jīng)過TV-Encoder編碼640×480＠30 fps接入到NTSC/PAL TV。

圖4 兩種視頻監(jiān)控器媒體資源分配方案

3.2.2 軟件方案

媒體資源管理的軟件方案主要對GM8126中音視頻相關(guān)的硬件進行抽象和適配，提供業(yè)務模塊對音視頻媒體資源進行控制，并對它們之間的協(xié)作和數(shù)據(jù)流進行管理[7]。媒體資源管理設(shè)計分為4個子模塊：設(shè)備管理、設(shè)備配置表、數(shù)據(jù)流管理及業(yè)務設(shè)備組。媒體資源管理軟件方案如圖5所示。

圖5 媒體資源管理軟件方案

通過對媒體資源管理模塊的抽象和封裝軟件設(shè)計，各種高清視頻終端系統(tǒng)的開發(fā)可以使用統(tǒng)一的媒體設(shè)備層，不同視頻終端系統(tǒng)媒體管理層的差別在于設(shè)備配置表不同。通過主控管理層的配置，啟動初始化時媒體資源管理模塊就可以切換到不同的視頻系統(tǒng)。

3.2.3 軟件流程

媒體資源管理初始化流程如圖6所示。媒體資源管理模塊初始化過程是從媒體設(shè)備配置表獲取各種媒體資源分配方案，以及媒體資源分配方案下的媒體設(shè)備配置數(shù)據(jù)，生成不同媒體資源分配方案下的業(yè)務模塊，為媒體資源配置做好準備。此外，系統(tǒng)啟動時是從底向上進行初始化，在媒體資源管理系統(tǒng)初始化完成之前不允許業(yè)務模塊控制媒體設(shè)備子系統(tǒng)。

圖6 媒體資源管理初始化流程圖

數(shù)據(jù)流管理采用兩種不同的配置方式，分別用于兩種不同情況：第一，采用靜態(tài)配置的方式，由視頻終端硬件和媒體設(shè)備需求決定各邏輯設(shè)備之間的關(guān)系，這種方式用在媒體資源管理初始化的時候。第二，在初始化完成后，數(shù)據(jù)流采取動態(tài)配置的方式，由業(yè)務模塊來觸發(fā)，例如視頻輸入的視頻源切換、視頻編碼方式切換和視頻輸出源的切換等。主控管理層的界面通知業(yè)務模塊切換視頻，業(yè)務模塊設(shè)置下發(fā)命令到數(shù)據(jù)流管理模塊，以更改邏輯設(shè)備的數(shù)據(jù)流連接狀態(tài)。一個邏輯設(shè)備的輸入端口不能同時連接多個邏輯設(shè)備的輸出，所以在進行端口連接時需要首先刪除原有端口連接，再建立新的數(shù)據(jù)連接，否則原輸出端口的數(shù)據(jù)與新輸出端口的數(shù)據(jù)會發(fā)生混亂。

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)圖4中兩種視頻監(jiān)控器媒體資源分配方案，創(chuàng)建不同的設(shè)備配置表，在應用界面增加終端類型的選擇項。默認設(shè)置為第一種，系統(tǒng)啟動后CAP1＿0輸出320×240＠30 fps碼流。然后改變選擇項為第二種，重啟系統(tǒng)，CAP1＿0輸出經(jīng)過TV-Encoder編碼的640×480＠30 fps碼流。

在該系統(tǒng)中一路輸出固定為160×112＠30 fps，另外一路可以切換不同的制式以及不同的輸出端口。根據(jù)界面上設(shè)置的輸出制式，媒體數(shù)據(jù)流管理模塊可以將CAP0＿0和CAP0＿1縮放到相應制式，選擇不同的通道送給編碼器，然后再根據(jù)終端類型選擇輸出到網(wǎng)口還是TV端口。

實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)可以正確初始化媒體資源管理模塊，并能根據(jù)設(shè)備配置表，創(chuàng)建功能不同的視頻終端系統(tǒng)。數(shù)據(jù)流管理模塊能通過界面切換視頻終端的處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在線、動態(tài)地改變視頻資源的處理方式和流程。

結(jié) 語

本文提出的視頻終端媒體資源管理軟件方案滿足可靠性、可擴展性和兼容性的設(shè)計要求，可以應用到其他視頻終端系統(tǒng)的設(shè)計，具有較強的實用性。

[1]李昂，寧海聲，蘇小蕓.基于Android的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應用，2012，38（7）：138-143.

[2]張宏祥，李宇成.基于ARM11的嵌入式無線視頻終端的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2011，19（11）：2778-2780.

[3]任克強，劉蘇，謝斌.基于ARM11和Linux的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].電視技術(shù)，2014，38（5）：155-159.

[4]張凱，莊梁，張強.基于視頻動態(tài)檢測的車庫監(jiān)控報警系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應用，2013，39（11）：30-33.

[5]Grain Media Inc.GM8126 Linux Software Development Kit.Version 0.1，2010.

[6]楊奇.基于Nios II的嵌入式標清高清視覺檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技促進發(fā)展，2010（6）：14-15.

[7]Khronos Group.Open Max Application Layer Application Programming Interface Specification（version 1.0.1）[M].New York：The Khronos，2009.