一種基于以太網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、一種基于以太網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一種基于以太網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類別：通信網(wǎng)絡(luò)摘要：本文提出了一種基于以太網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。采用TMS320DM642 為核心處理器，設(shè)計(jì)了視頻采集、顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)接口模塊，開(kāi)發(fā)了H.264 壓縮算法和流媒體實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)，并編寫了軟件，實(shí)現(xiàn)了視頻圖像的編碼壓縮、本地存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸。運(yùn)行結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求，且壓縮效率高，圖像質(zhì)量好。 1 引言 在銀行、學(xué)校、企事業(yè)等公共場(chǎng)所的安全監(jiān)控中需要大量視頻監(jiān)控系統(tǒng)。隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代。因此，使用嵌入式技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于以太

2、網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用專用的視頻編解碼芯片，很難適應(yīng)不斷完善的視頻壓縮算法，不易于升級(jí)更新，且成本較高。而且大多數(shù)采用MPEG-4 壓縮標(biāo)準(zhǔn)，壓縮率較低，對(duì)帶寬的要求高。 本文研制了一種基于以太網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。采用TI 公司的32 位定點(diǎn)DSPTMS320DM642 為核心處理器，以H.264 為視頻壓縮算法，采用流媒體實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議進(jìn)行視頻傳輸。TMS320DM642(以下簡(jiǎn)稱DM642)是一款面向數(shù)字多媒體應(yīng)用的高性能DSP，片內(nèi)集成了視頻和網(wǎng)絡(luò)外設(shè)接口，減少了視頻監(jiān)控終端的成本和開(kāi)發(fā)難度。H.264 是新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在同等的圖像質(zhì)量條件下，

3、H.264 的壓縮率比MPEG-4 高1.5-2 倍，并且引入了面向IP 包的編碼機(jī)制，能夠增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力1。用軟件實(shí)現(xiàn)視頻壓縮算法，比傳統(tǒng)的專用視頻編解碼芯片靈活性強(qiáng)，易于升級(jí)更新，且開(kāi)發(fā)周期短。 2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 視頻監(jiān)控系統(tǒng)是由核心處理器DM642，視頻采集、顯示模塊，網(wǎng)絡(luò)接口模塊和本地存儲(chǔ)模塊組成，如圖1所示。 圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖 DM642 作為核心處理器，完成圖像的H.264 壓縮、視頻壓縮數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸、本地存儲(chǔ)和系統(tǒng)流程的控制。DM642 是一款高性能多媒體處理器，在600MHz 的時(shí)鐘頻率下，處理速度可達(dá)4800MIPS。內(nèi)部具有256k 字節(jié)的二級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，

4、64 位的外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）?？梢詫?shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)多路視頻編碼運(yùn)算，非常適于開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)2。在本系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了4 通路的視頻輸入接口與1 個(gè)通路的視頻輸出接口。攝像頭采集到的模擬視頻信號(hào)先送入視頻解碼器（TVP5150），視頻解碼器將采集到的PAL/NTSC 制式的標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成BT.656 視頻數(shù)據(jù)流，傳送給DM642，DM642 對(duì)接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼，將壓縮處理后的數(shù)字視頻信號(hào)打包，通過(guò)以太網(wǎng)將視頻數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)端服務(wù)器，用戶可以通過(guò)流媒體服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)狀況?？紤]到視頻預(yù)覽和測(cè)試的需要，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了1 路的視頻顯示，將經(jīng)DM642 壓縮處理的數(shù)字視頻流送入視

5、頻編碼器（SAA7121），轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(hào)，直接輸出到本地的LCD 顯示器上。 DSP 內(nèi)部有程序/數(shù)據(jù)緩存，但容量較小，對(duì)于直接處理數(shù)據(jù)圖像是不夠的， 因此擴(kuò)展了本地存儲(chǔ)模塊作為外部存儲(chǔ)器空間。大容量的SDRAM 用來(lái)暫存原始幀、參考幀和重建幀的數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH 用來(lái)存放應(yīng)用程序，ATA 硬盤用來(lái)錄制視頻圖像。 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.1 視頻采集、顯示模塊 視頻采集、顯示模塊主要由攝像頭，視頻解碼芯片TVP5150，視頻編碼芯片SAA7121，LCD 顯示器組成，如圖2 所示。DM642 內(nèi)部集成了3 個(gè)視頻端口VP2:0，提供了與通用A/D 轉(zhuǎn)換芯片的無(wú)縫接口，因而不需要外加可編

6、程邏輯器件和FIFO 就可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。每個(gè)視頻口被分為上（B）、下（A）2 個(gè)通道，可被配置為視頻輸入口或輸出口，所以最多可支持6 路8位BT.656 數(shù)字視頻接口。在本系統(tǒng)中，用其中4 路（VP0A、VP1A、VP2A、VP2B）來(lái)作為視頻輸入端口，與4 個(gè)視頻解碼器TVP5150 相連，采集從TVP5150 輸出的8 位BT.656格式的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。 圖2 視頻采集模塊框圖 TVP5150 是一款高性能視頻解碼器，可將NTSC、PAL 視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字色差信號(hào)(YUV4:2:2)，可以接受2 路復(fù)合視頻信號(hào)（CVBS）輸入和1 路超級(jí)視頻信號(hào)（S-Video =Super-V

7、ideo，Y/C）輸入，輸出格式為 ITU-R BT.656。DM642 通過(guò)IIC 總線控制TVP5150的內(nèi)部寄存器，在本系統(tǒng)中，TVP5150 的IIC 總線數(shù)據(jù)傳送速率配置為100Kbits/s。來(lái)自攝像頭的視頻信號(hào)送入視頻解碼器 TVP5150 進(jìn)行數(shù)字化處理，經(jīng)TVP5150 處理后的數(shù)字視頻信號(hào)送入DSP 的視頻端口，視頻端口與TVP5150 接口處具有一個(gè)大小為2560字節(jié)的內(nèi)部FIFO，其中1280 字節(jié)存放亮度數(shù)據(jù)，剩下的1280 字節(jié)存放色度數(shù)據(jù)。依據(jù)視頻端口的內(nèi)部邏輯，TVP5150 輸出的亮度和色度數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)到相應(yīng)的FIFO 中。在視頻采集過(guò)程中，根據(jù)視頻端口內(nèi)部FI

8、FO 的狀態(tài)，使用EDMA 完成視頻數(shù)據(jù)的讀取，傳入本地存儲(chǔ)器，以供視頻應(yīng)用程序使用。 系統(tǒng)的 1 路視頻顯示用于本地監(jiān)控。這1 路視頻輸出與其中1 路視頻輸入復(fù)用VP0A通道。視頻編碼器采用Phillips 公司的SAA7121H，將DM642 處理后的8 位BT.656 視頻數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號(hào)，輸出給LCD 顯示器。 3.2 網(wǎng)絡(luò)接口模塊 網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要由網(wǎng)絡(luò)處理芯片 BCM5221，網(wǎng)絡(luò)變壓器BH1102 組成，如圖3 所示。 圖3 網(wǎng)絡(luò)接口模塊框圖 由于 DM642 上集成了以太網(wǎng)MAC 接口，所以需要一個(gè)物理層網(wǎng)絡(luò)處理芯片，本系統(tǒng)采用Broadcom 公司的BCM522

9、1 芯片。BCM5221 是10/100Base-TX 以太網(wǎng)控制器，兼容IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)，提供MII 接口，可與DM642 的MII 接口對(duì)接。BH1102 是Pulse 公司的1：1 隔離變壓器，主要作用是阻抗匹配、波形修復(fù)、雜波抑制、信號(hào)傳輸以及高電壓隔離。從DM642 傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)BCM5221 轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)物理層能接收的數(shù)據(jù)后，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)變壓器，通過(guò)RJ-45 接口傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)。 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)軟件流程 系統(tǒng)的軟件流程如圖 4 所示。在進(jìn)入任務(wù)調(diào)度之前，首先進(jìn)行以下四個(gè)步驟的初始化：（1）DM642 處理器和系統(tǒng)板的初始化：初始化DSP/BIOS 操作系統(tǒng)和

10、芯片支持庫(kù)（CSL），設(shè)置使用128K 的二級(jí)高速緩存，映射到EMIF 的CE0 和CE1 空間，設(shè)置DMA 優(yōu)先級(jí)序列長(zhǎng)度取最大值，設(shè)置二級(jí)高速緩存的請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)最高。（2）RF-5 模塊的初始化：初始化RF-5 框架中用于內(nèi)部單元通信和消息傳遞的SCOM 模塊。（3）配置視頻采集驅(qū)動(dòng)并建立一個(gè)視頻采集通道。（4）建立一個(gè)編碼單元并向RF-5 框架注冊(cè)。 圖4 系統(tǒng)軟件流程圖 初始化后，DSP/BIOS 操作系統(tǒng)開(kāi)始依次對(duì)視頻采集任務(wù)，圖像壓縮任務(wù)和編碼傳輸任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，這3 個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)相同，但高于空閑任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。模塊中各任務(wù)之間的消息傳遞是通過(guò)RF-5 參考框架中同步通信SCOM 消息

11、來(lái)完成的。在視頻采集任務(wù)中，主要操作是循環(huán)采集一幀圖像，發(fā)送消息給圖像壓縮任務(wù)并等待傳輸完成消息；在圖像壓縮任務(wù)中，主要操作是循環(huán)等待視頻采集任務(wù)發(fā)來(lái)的采集完成消息，然后調(diào)用H.264 編碼模塊壓縮圖像，當(dāng)H.264 碼流形成，發(fā)送編碼完成消息給碼流傳輸任務(wù)；在碼流傳輸任務(wù)中進(jìn)行的操作也是在不斷循環(huán)等待編碼任務(wù)信號(hào)，使用TCP/IP 協(xié)議傳輸H.264 碼流，再發(fā)送傳輸完成消息給編碼任務(wù)。三個(gè)任務(wù)互相協(xié)作，完成圖像的采集、壓縮、傳輸功能。 4.2 H.264 壓縮算法 H264 壓縮算法的突出特點(diǎn)在于基于宏塊層率失真優(yōu)化理論，用小尺寸、多模式預(yù)測(cè)提高空域和時(shí)域壓縮率，用整數(shù)變換量化提高頻域壓縮

12、率，用增強(qiáng)的熵編碼高效壓縮符號(hào)冗余，從而達(dá)到在各種開(kāi)放環(huán)境下高壓縮率的設(shè)計(jì)目標(biāo)3。由于H.264 算法較為復(fù)雜，在本設(shè)計(jì)中，結(jié)合DM642 芯片的體系結(jié)構(gòu)，對(duì)H.264 編碼程序進(jìn)行規(guī)劃。采用C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，對(duì)一些關(guān)鍵耗時(shí)模塊采用線性匯編語(yǔ)言編寫，以提高代碼效率。 H264 編碼時(shí)需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中通常保存一幀原始圖像和至少一幀預(yù)測(cè)圖像，因此編碼時(shí)首先要確定輸入的一幀圖像編碼是I 幀還是P 幀，然后采用小幀模式，對(duì)圖像進(jìn)行片組劃分和片劃分，以確定每個(gè)宏塊所屬的片。劃分完后，先編碼一個(gè)片頭，再對(duì)每個(gè)宏塊進(jìn)行編碼，直到編寫完所有的片。宏塊編碼完成后，對(duì)重建圖像進(jìn)

13、行1/4 像素精度插值處理、參考幀緩沖區(qū)處理等工作，用于下一幀的高精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì)，至此，編碼一幀的工作完成。 4.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇 由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高，同時(shí)又允許在性能要求范圍內(nèi)存在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率和丟失率。因此，本系統(tǒng)的傳輸層協(xié)議選用UDP 協(xié)議。UDP 協(xié)議是無(wú)連接的傳輸協(xié)議，不提供可靠性措施，不必在數(shù)據(jù)報(bào)丟失或出錯(cuò)時(shí)要求服務(wù)器再重發(fā)，適合于實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合。 但是由于 UDP 存在不可靠性，基于UDP 的應(yīng)用程序，必須自己解決諸如報(bào)文丟失、重復(fù)、失序和流量控制等問(wèn)題。因此，在UDP 協(xié)議之上，還必須使用流媒體實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP。RTP 協(xié)議提供實(shí)時(shí)的、端到端

14、的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。采用RTP 協(xié)議對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，即使在某些包被丟失的情況下也能對(duì)其他包進(jìn)行解碼。RTP 與實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP 一起配合使用。RTCP 用于監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)接收雙方的信息傳遞，提供關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的反饋，該功能與其他傳輸協(xié)議的流量控制和擁塞控制機(jī)制相對(duì)應(yīng)4。 由多媒體應(yīng)用程序生成的視頻數(shù)據(jù)塊被封裝在 RTP 信息包中，每個(gè)RTP 信息包在傳輸層被封裝在UDP 消息段中，然后被封裝在IP 數(shù)據(jù)包中。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，把RTP 執(zhí)行程序看成是應(yīng)用程序的一部分。在發(fā)送端，應(yīng)用程序把RTP 信息包發(fā)送到UDP 的套接接口(socket interface)。同樣，在接收端，應(yīng)用程序從套接接口處接收RTP 信息包，并從RTP 信息包中取出視頻數(shù)據(jù)塊。