（仪器科学与技术专业论文）基于dsp的车载视频压缩与存储系统.pdf

d e s i g n o ft h e d e oc o m p r e ss i o n a n ds t o r a g es y s t e mf o rv e h i c l e b a s e do nd s p at h e s i ss u b m i t t e dt o so u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i c d e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y y a n gx i l l k a i s u p e r v i s e db y p r o z h a n g w e i g o n g d e p a n i n e n to fi n s t m m e n ts c i e n c ea n de n g i n e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n u a 拶2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：立之堑：l = 厶日期： 东南大学学位论文使用授权声明 护r o 牛、己 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：壹：! ：鱼： 丝导师日期：兰型! ：竺： 东南人学硕十学位论文摘要 摘要 车载视频监控是汽车安全领域的重要技术之一，监控视频的存储对驾车安全与事故认定 有着重要的作用。随着当前电子信息技术的高速发展，嵌入式技术逐渐成为新型视频监控系 统的主流。与此同时，以传统模拟信号或p c 机做为架构的视频监控系统已经难以满足车载 产品高实时性、高稳定性的需要。目前，虽然市场上已经有了一些可用于车载的视频存储系 统，但这些产品均是由大容量硬盘监控器改装而来，没有针对车载特性从架构层级开始优化。 为了加强车载视频监控力度，促进我国的交通管理日益智能化，本课题从车载视频监控产品 的需求出发，以d s p 数字图像处理平台为依托，着重对实用型车载视频压缩存储系统进行了 研究与开发。论文完成的主要工作如下： ( 1 ) 针对当前车载视频产品普遍存在的缺陷，本课题设计完善了基于d m 6 4 2 的视频处 理平台，利用该平台强大的视频处理能力，实现了嵌入式系统下实时视频图像的采集、编码、 压缩以及传送工作。 ( 2 ) 面对数字视频文件庞大的容量，应用了压缩后存储的设计思路，并成功将h 2 6 4 视 频压缩算法移植到本课题开发的d m 6 4 2 平台上，在保证画质的基础上，大大缩小了每帧图像 所占空间，使得数字视频文件的存储变得更加可行。 ( 3 ) 利用s 3 c 2 4 4 0 芯片强大的通用处理能力，设计了控制存储端硬件平台，在该平台 上定制、移植了w i n d o w s c e 5 0 嵌入式实时操作系统，结合d m 6 4 2 平台下视频的采集、压缩 与网络传输，开发出了具有串口触发、h 2 6 4 编码配置、视频文件接收与存储等重要功能的 应用程序。 ( 4 ) 进行d m 6 4 2 与s 3 c 2 4 4 0 两平台的联合调试，在试验中不断完善t c p i p 方式下的 通讯协议，设计与以太网传输速度相匹配的高速图像存储算法。记录各种配置下的视频存储 试验结果。 目前，本课题已经完成了架构设计、硬件制作、软件开发、系统调试等工作。经试验证 明，该套嵌入式车载视频压缩与存储方案具有低功耗、易携带、高稳定性与处理能力强的特 点，能够很好的满足车载监控中视频存储的需要。 关键词：d m 6 4 2 ；w i n d o w sc e ；嵌入式技术；h 2 6 4 ；车载视频存储；t c p i p 东南人学硕十学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t v e l l i c l ev i d e om o i l i t o r i n gi so n eo fm ek e yt e c h n i q u e si i la u t o m o t i v es a f e 坶锻t l l er e c o r do f v i d e os l i | w e i l l a n c ep l a y s 觚i m p o r t 卸tr o l ei nt h ei i n r e s t i g a t i o no f “v i n gs a f e 锣a 1 1 dc a ra c c i d e n c e s h o w e v e r ，叫i t i o n a lv i d e o 皿【o m t o r i n gs y s t e mw i t ha n a l o gs i 印a lo rp cc o u l dn o ts a t i s 句m en e e d s o fm o b i l ec a rp r o d u c t si nt 1 1 ea s p e c to fr e a l t i m ea 1 1 dl l i g hs t a b i l i t y w i t ht 1 1 es p e e d yd e v e l o p m e n to f e l e c t r i 湘i ci n f o n n a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y ，e i i 】【b e d d e dt e c l m o l o g yh 硒翠a d u a l l yb e c o m et l l em a i n s 仃e 锄o f 1 1 e wv i d e os e i 儿a 1 1 c es y s t e m c u r r e n t l y ，t 1 1 0 u g ht l l e r eh a v eb e e ns o m em o b i l ec a rv i d e or e c o r d s y s t e m si i lt h em a r k e tm r o u 曲m o d i f i c a t i o no fk 曲c a p a c i 付h 矾d r i v e ，i th a sn o tb e e no p t i m i z e d a c c o r d i n gt ot h em o b i l ec 2 u rp r o d u c tf e a _ t u r e si nt l l ep r o s p e c t i v eo fa r c h i t e c t u r e t 1 1 i sr e p o r ti sc o m m i s s i o n e dt 0r e s e a r c ha i l dd e v e l o pt h ep r a c t i c a lm o b i l ec a rc o m p r e s s e d s t o r a g es y s t e mb a l s e do nt h ed s pd i g i 俄ii m a g ep r o c e s s i n gp l a t f o n ni nr e g a r d st 0t l l en e e d so f m a i k e t t h er e s u l t sw e r ea sf i o l l o w i n g ： ( 1 ) d m 6 4 2 - b a s e dv i d e op r o c e s s i n gp l a t f o n nw a sd e s i 印e dt 0i m p r o v ea c c o r d i n gt 0 也e c o m m o nd e f e c t so fc u n 。e n tm o b i l ec a rv i d e op r o d u c t s d u et ot h ee x c e l l e n t “d e op r o c e s s i i l g c a p a c i 劬t h ea c q u i s i t i o n ，c o d i n g ，c o n l p r e s s i o na s 、e u 舔t r a n s m i s s i o no fr e a l - t i m ev i d e oi m a g ew e r e r e a l i z e du n d e re m b e d d e ds v s t e m ( 2 ) c o m p r e s s e ds t o r a g eh a sb e e nd e s i g n e di nr e g a r d st om e1 a 玛ec a p a c i t ) ，o fd i g i t a lv i d e of i l e m o r e o v e r ，h 2 6 4v i d e oc o m p r e s s i o na l g o r i t h i l l sw a ss u c c e s s 如l l yt r a i i l s p l 枷e dt ot l l ed e s i p m e d d m 6 4 2p i a t f o n l l b e s i d et l l ep r o t e c t i o no fi m a g eq 训i t y ，t l l i st e c h n o l o g yd r a m a t i c a l l yd e c r e a s e d s t o r a g ec a p a c 时o fe a c hf h m ew 1 1 i c he n a b l e dm eb e t t e ra p p l i c a t i o no fd i g i t a lv i d e of i l es t o r a g e ( 3 ) s t o i a g et e r i i l i n a lh a r d 、 ，a i - ep l a t f o n nh a sb e e nd e s i g 弧e di nu s eo fg e n e i 试p r d c e s s i n g c a p a c i t yo fs 3 c 2 4 4 0c h i p ，w l l i l e 、m n d o w s c e 5 oe m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mh a sb e e n c u s t o m i z e d 锄d 胁s p l 锄1 t e di n t 0t h i sp l a t f i o n n 1 1 1a d d i t i o n ，c o m b i n e dw i t l lv i d e oa c q u i s i t i o n c o r n p r e s s i o na n dt r a n s m i s s i o nu n d e rd m 6 4 2p l a t f o m l ，也ea p p l i c a t i o np r o 铲锄、i t l ls e i 试t r i g g e r h 2 6 4c o d i n gc o n f i g u r a t i o na n dv i d e of i l er e c e i v e s t o r a g eh a sb e e ns u c c e s s 如l l yd e v e l o p e d ( 4 ) j o m tc o m m i s s i o n i n 2o fd m 6 4 2a 1 1 ds 3 c 2 4 4 0h a sb e e nc o n d u c t e ds o 嬲t oo p t i m i z et 1 1 e t c p i pp m t o c o l 觚dt 0d e s i g nn l el l i g hs p e e di m a g es t o r a g ea j g o r i t h m sm a t c l l i n ge t h e m e t 缸i a n s m i s s i o ns p e e dw h e r e b yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t su i l d e rd i 彘r e n tc o n f i g l l r a t i o nh a sb e e nr e c o r d e d c u r r e n t l y ，t h i sr e p o r th a sa c l l i e v e dt h ea r c m t e c t u r ed e s i 矾h a r d w a r ep r o d u c t i o n ，s o 小v a r e d e v e l o p m e n t 嬲w e l la ss y s t e md e b u g g i n g nh a sb e e np r o v e dt h a t 谢mm ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w p o w e rc o s t ，p o n ；a _ b l e ，l l i 曲s 切b i l i t ) r 锄dp r o c e s s i n gc a p a c i 坝“se m b e d d e dm o b i l ec a rv i d e o c o m p r e s s e ds t o r a g et e c h n 0 1 0 9 yc o u l ds a t i s 匆t l l ec o m p r e h e n s i v en e e d so fv r e m c l ev i d e os t o r a g e s y s t e m k 叼刑o r d s ：d m 6 4 2 ；w i n d o w sc e ；e n 慨d d e dt e c h n o l o g y ；h 2 6 4 ；v 出c l ev i d e os t o r a g e ；t c p m - l i 东南火学硕士学位论文 目录 摘要 目录 i l b s t r a c t 目 录i i i 第一章绪论l 1 1 课题研究背景l 1 2 国内外研究发展现状1 1 2 1 大容量存储介质1 1 2 2 视频压缩技术2 1 2 3 车载视频产品的发展3 1 3 课题研究内容4 1 4 论文的组织安排5 第二章系统架构与相关技术6 2 1 系统总体架构6 2 2 嵌入式系统简介6 2 2 1 嵌入式系统的定义6 2 2 2 嵌入式系统的特点7 2 2 - 3 嵌入式系统的发展方向8 2 3d m 6 4 2 介绍9 2 3 1d s p 的定义9 2 3 2d s p 的发展与分类9 2 3 3d m 6 4 2 的简介1 1 2 4s 3 c 2 4 4 0 概述。1 2 2 4 1a r m 9 系列微处理器概述1 2 2 4 2s 3 c 2 4 4 0 的特点功能1 2 2 5h 2 6 4 编码方式1 3 2 5 1h 2 6 4 的主要特点与功能优势1 3 2 5 2h 2 6 4 的关键技术1 4 2 6 本章小结15 第三章 系统硬件电路的设计 3 1d m 6 4 2 采集端的硬件设计1 6 3 1 1 视频处理端系统结构1 6 3 1 2 视频采集模块17 3 1 3 数据处理模块18 3 1 4 网络传输模块。2 0 3 2s 3 c 2 4 4 0 控制端的硬件设计。2 2 3 2 1 控制存储端系统结构。2 2 3 2 2 以太网接口的硬件设计。2 3 3 2 3 存储卡功能的实现硬件2 3 3 3 本章小结2 4 第四章视频处理端软件设计2 5 4 1 软件设计环境2 5 4 1 1 集成开发环境c c s 2 5 一i i i 东南大学硕十学位论文 目录 4 1 2d s p b l o s 实时操作系统2 6 4 2 系统总体软件流程2 7 4 3 网络任务2 8 4 3 1 网络任务流程一j 2 8 4 3 2 网络任务分析2 8 4 4 图像采集任务31 4 4 1 图像采集任务流程。3 2 4 4 2 视频采集任务分析3 2 4 4 3 关键结构体与参数设计3 4 4 5 本章小结3 5 第五章控制存储端软件设计与存储算法研究 5 1w i n d o w sc e 操作系统3 6 5 1 1m n d o w sc e 操作系统与p l a t f 0 肌b u i l d e r5 o 简介一3 6 5 1 2w i n c e 内核的定制38 5 2 系统软件设计4 0 5 2 1 系统软件流程一4 0 5 2 2 系统软件分析4l 5 2 3 软件对话界面。4 1 5 2 4 应用程序的固化4 2 5 3 基于环形队列的图像存储算法4 2 5 3 1 常规算法的分析与问题4 2 5 3 2 环形队列缓冲区的结构。4 3 5 3 3 图像存储算法的设计与软件实现。4 4 5 4 实验结果参数4 5 5 5 本章小结4 9 第六章 总结与展望 6 1 全文总结5 0 6 2 下一步的研究方向5 0 致谢 参考文献 作者简介 - - 5 2 5 3 5 5 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着交通及汽车工业的快速发展，全世界高速公路里程数及汽车保有量在迅速增加，由 汽车高速行驶引发的交通事故也急剧增加，造成很大的经济损失和人员伤亡。人机工程学的 研究表明，交通事故是在人车环境系统中产生不稳定或不平衡时发生的。道路交通事故的 直接或间接原因包括人、车、路及各种环境因素。其中人的因素，如疲劳驾驶、酒后驾驶以 及其它精力不集中情况下驾驶操作失误等是造成重大交通事故的最主要因素【1 1 。 另一方面，随着视频摄像头的高速发展，其小型化，实用化，低成本化的特点也逐渐显 现。现今的公交客运车已基本配置上了小型的低像素模拟摄像头，这些摄像头输出的模拟信 号往往直接传输给仪表盘附近的微型显示器，为驾驶员提供客车不同位置的实时视频信息， 用以方便地观察乘客行为、与乘客交流或倒车辅助等。这种车载视频信息的存储对汽车驾驶 安全，车辆行驶监控同样具有极为重要的意义，根据摄像头安放位置以及角度的不同，其作 用功能也各异，当面向驾驶员时可以监控其驾车行为，督促规范行车驾驶习惯；指向车道时 则可以为发生交通事故后的责任认定提供可靠的有效依据【2 1 。 目前，对造成道路交通事故的责任人的认定主要是通过交警部门对事故现场的勘查分析、 调查取证来进行的，由于是事后处理，取证往往很困难，且推断认定或多或少的存在一定的 主观因素，这给事故责任的准确认定带来了不利。若能开发出车载视频图像的实时动态存储 装置，在发生事故的瞬间将现场信息存储下来，并且事后能将视频再现，就可以为交通事故 的责任认定提供形象直观、准确可靠的科学决策依据，实现真正可视化的车辆“黑匣子”记录 功能。 传统模拟摄像头输出的视频信号虽然实时性强，但通用性差，存储介质极为单一，所以 在处理前必须首先将其转换为易储存的数字信号，但数字视频信号由于信息量大，传输网络 带宽要求高，就像一辆庞大的货车只有在宽阔的马路上才能行驶一样。于是，传送前还需要 将视频信号先进行压缩编码，即进行视频源压缩编码，使视频信号数字化后巨大的数据量达 到一个合理并可利用的大小，然后在网络上进行传送，以便节省传送的带宽和存储空间。本 课题旨在设计出一种适合车载环境的嵌入式视频处理系统，来独立完成视频信号的数字压缩 与存储。 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 大容量存储介质 存储介质的发展历经打孔纸卡、计数电子管、盘式磁带、盒式录音磁带、磁鼓、软盘、 硬盘、光盘的发展。除了存储容量越来越大以外，存储设备也越发的便携，存储性能愈加优 越。介于车载系统的特殊要求，目前的车载存储产品广泛使用大容量硬盘或者存储卡做为存 储介质。 ( 1 ) 硬盘 最早的硬盘诞生于上世纪5 0 年代，历经5 0 多年的发展，在这几十年的历程里，硬盘的 体积越来越小而容量则越来越大，硬盘的转速与接口也在与时俱进。第一款硬盘面世的时候， 它有两个冰箱那么宽，内部安装了5 0 个直径两英尺的磁盘，重量约1 吨，而现在微硬盘、 东南大学硕十学位论文 c f 硬盘仅仅力硬币大小。当前的硬盘容量已经发展到了t b 级别，存储容量极大，存储速度 也很快，市场上成熟的视频存储设备基本都使用硬盘做为存储介质，但由于微硬盘产品成本 较高且不够成熟，在车载视频存储领域，普通硬盘高功耗，低抗震性能的缺点就突显了出来， 需要使用更加合适的介质存储。 ( 2 ) 存储卡 存储卡又称闪存卡( f l a s hc a r d ) ，是利用闪存( f 1 2 u s hm e m o r y ) 技术达到存储电子信息的存储 器，一般应用在数码相机，掌上电脑，m p 3 等小型数码产品中作为存储介质，由于样子小巧， 有如一张卡片，所以称之为闪存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概可分为 s m a n m e d i a ( s m 卡) 、c o m p a c tf l a l s h ( c f 卡) 、m u l t i m e d i a c a r d ( m m c 卡) 、s e c u r ed i g i t a l ( s d 卡) 、 m e m o 巧s t i c k ( 记忆棒) 、x d p i c t l 鹏c a r d ( x d 卡) 和微硬盘( m i c r o d 对v e ) ，这些闪存卡虽然外 观、规格不同，但是技术原理都是相同的。 ( 3 ) s d 卡 本课题选用了当前使用最多的s d 卡做为存储介质。s d 卡是s e c w ed i g i t a lc 莉卡的简 称，直译成汉语就是“安全数字卡”。s d 卡是由日本松下公司、东芝公司和美国s a n d i s k 公 司共同开发研制的存储卡产品。s d 卡在外围尺寸上与m u l t i m e d i ac a r d 卡( m m c ) 保持一致， 但比m m c 卡略厚，容量也大很多，并且兼容m m c 卡接口规范。s d 卡表面具有9 个引脚， 目的是通过把传输方式由串行变成并行，从而提高传输速度。它的读写速度比m m c 卡要快， 同时，安全性也更高。s d 卡最大的特点就是通过加密功能，可以保证数据资料的安全保密。 由于性能优秀，s d 卡还衍生出众多基于其的存储卡，如m 诚s d 卡，m i c r o s d 卡等等，并且 更加广泛的应用在手机、随身听等数码设备中。下图是几种常见的s d 卡格式。 1 2 2 视频压缩技术 图1 1 几种常见的s d 卡格式 视频压缩技术就是指将视频文件进行处理，减少其所占据的磁盘空间，以方便保存与日 后调用，同时还必须保证能够及时还原为动态图像。压缩视频文件时所使用的压缩编码不同， 生成的视频文件结构与文件大小也就不同，这种压缩视频文件的编码方法就称为视频压缩格 式【2 2 1 。 数字视频文件包含了大量图像信息，所以，文件的“身材”往往不可小觑，动辄就是几百 m b 甚至达到几十g b 。而这些还是经过视频压缩过后的文件，原始文件更是大得恐怖。用原 始文件直接在个人电脑上播放的话，不光容量不能接受，现有存储设备的传输速度也无法满 足。所以h d t v 文件均是采用了视频压缩格式格式来存放。面对h d t v 庞大的体积，在尽可 能低的存储情况下获得好的图像质量和低带宽图像快速传输已成为视频压缩格式的任务。目 前视频压缩文件主要采用了以下格式： ( 1 ) m p e g 2 【3 l m p e g 的全称是运动i 蛩像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t s ) ，m p e g 压缩标准是针对运动图 像而设计的、基本方法是在单位时间内采集并保存第一帧信息，然后就只存储其余帧相 第一辛绪论 对第一帧发生变化的部分，以达剑j 玉缩的目的。m p e g 压缩标准可实现帧之问的压缩，其平 均压缩比可达5 0 ：1 ，压缩率比较高，且又有统一的格式，兼容性好。 m p e g - 2 标准是在继以v c d 、m p 3 为代表的m p e g 1 产品成功受到肯定后，于1 9 9 4 年 所推出的压缩标准，目标是实现视音频服务与应用互操作的可能性。m p e g 2 标准是针对标 准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，编码码率从每秒 3 兆比特到1 0 0 兆比特，标准的正式规范在i s o i e c l 3 8 1 8 中。m p e g 一2 不是m p e g 1 的简单 升级，m p e g 2 在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。m p e g 2 特别适用 于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为s d t v 和h d t v 的编码标准。现有的d v d 影 碟里面就是采用的m p e g 2 压缩标准。一般采用m p g 、t p 和t s 为后缀的文件就是采用m p e g 2 压缩的。 ( 2 ) m p e g - 4 m p e g 4 于2 0 0 0 年经国际标准组织i t u 和i s o 审核后，成为国际视频压缩标准之一。 m p e g 4 压缩采用了m p e g 4 的视频压缩方式，配上m p e g 一1 的音频压缩方式( m p 3 ) ，生成 了图像质量接近d v d ，声音质量接近c d ，却有着更高压缩比的文件。与以往的“老前 辈”m p e g 2 相比，m p e g 4 不仅具有惊人的数据压缩比：经过m p e g 4 压缩的文件尺寸可以 达到m p e g 2 的1 3 ，还依然保有极佳的音质和画质。可以用最少的数据获得最佳的图像质量， 因此满足了低码率应用的需求。但是由于m p e g 4 标准派生出各种规格，例如d i v x 、x v i d 等等，代表着不同规格利益的商业集团和一些支持免费共享资源的技术团体相互争斗的结果， 导致各种m p e g 4 规格的兼容性很差。在播放m p e g 4 压缩的视频文件时，人们往往不知道 如何选择。采用m p e g 一4 压缩的视频文件的后缀名一般为a v i ，很容易与微软的a v i 格式混 淆，不容易直接从后缀名辨认，只能通过解码器来识别。 ( 3 ) h 2 6 4 h 2 6 4 是由国际电信联盟( i t u t ) 所制定的新一代视频压缩格式。h 2 6 4 最具价值的部分 无疑是更高的数据压缩比。在同等的图像质量条件下，h 2 6 4 的数据压缩比能比当前d v d 系 统中使用的m p e g 2 高2 3 倍，比m p e g 4 高1 5 2 倍。正因为如此，经过h 2 6 4 压缩的视频 数据，在网络传输过程中所需要的带宽更少，也更加经济。在m p e g 2 需要6 m b p s 的传输速 率匹配时，h 2 6 4 只需要l m b p s 2 m b p s 的传输速率。与m p e g 一4 一样，经过h 2 6 4 压缩的视 频文件一般也是采用a v i 作为其后缀名，同样不容易辨认，只能通过解码器来自己识别。 ( 4 ) w m v - h d w m v h d 是由软件业的巨头微软公司所创立的一种视频压缩格式。其压缩率甚至高于 m p e g 2 标准，同样是2 小时的视频文件，如果使用m p e g 2 最多只能压缩至3 0 g b ，而使用 w m v - h d 这样的高压缩率编码器，在画质丝毫不降的前提下都可压缩到1 5 g b 以下。 w m v - h d 基于w m v 9 标准，是微软开发的视频压缩技术系列中的最新版本，尽管w m v - h d 是微软的独有标准，但因其在操作系统中大力支持w m v 系列版本，从而在桌面系统中得以 迅速普及。在性能上，w m v - h d 的数据压缩率与h 2 6 4 一样，两者的应用领域也极其相似， 因此在新一代主流视频编码标准霸主地位的争夺之中，双方展开了针锋相对的斗争，而斗争 的焦点集中在下一代光盘规格“h d d v d ”和数字微波广播电视等领域。一般采用w m v 为后缀 的h d t v 文件就是采用w m v 二h d 压缩的。 1 2 3 车载视频产品的发展 早年市场上就有了实时动态视频存储系统，典型的如基于c p c i 总线和p c i 0 4 总线的产品。 c p c i 和p c i 0 4 是两种高性能工业用总线，利用这两种总线结构可以实现大量视频数据的实时 动态存储。但是这两种总线都存在两个问题：一是两种方案都以p c 机为基础，成本非常高、 便携性差，对于交通事故鉴定来说，所要保存的视频数据量只有短短几十秒，采用p c 机是一 种资源浪费。另外，由于应用环境是车载，强颠簸与电源干扰不可避免，p c 机的抗干扰性能 东南大学硕f ：学位论文 显然无法达到要求。 车载视频系统发源于常规视频存储系统，有着自己独特的需求，包括便携性、防震性、 抗干扰性。早在上世纪9 0 年代，美国部分特殊车辆就安装了具备车载视频存储功能的摄像仪 器，但介于存储介质的限制，当时的产品主要都是使用卡带进行模拟信号存储；进入2 l 世纪 以来，大容量数字存储介质迅速发展，尤其是硬盘容量呈级数增长，与此同时，国际电联的 h 2 6 x 系列与国际标准化组织的m p e g 系列在数据压缩比、压缩质量上也在不断成长，数字 视频发展条件逐渐成熟，使用硬盘做为存储介质的d v r ( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) 产品中开始出 现一些使用微硬盘的嵌入式分支，由此视频存储开始全面进入车载领域； 当今国际市场的车载视频存储产品已基本定位于车载全功能安全监控系统，比如美国 a e g i s o n 公司生产的车载硬盘录像监控产品包括高清晰监控、录像、g p s 全球定位、 c d m a ，g p r s 无线通讯网图像传输，w l a n 无线局域网传输等功能。其强大的中心数据s a s 服务器管理系统，做为车辆中心监控管理的工具，可接入管理几千台车辆。 中国的车载视频监控发展的比较晚，目前主要应用于公共交通市场，仍属于一个被忽视 的领域。生产车载产品的公司都是国内安防视频监控行业的主流厂商，其早期产品多数是在 a t m 监控等嵌入式应用的基础上通过更改电源设计以及加装硬盘减震部件来完成的。随着不 断的发展，现在很多公司的产品已经比较成熟，能实现宽电压适应、多路信号输入，回放检 索等实用的功能。且很多厂商已经开始设计基于u 盘或者存储卡的产品，如图1 2 所示。 1 3 课题研究内容 图1 2 国内公司生产的车载视频存储产品 本课题主要来源于实验室与苏州金龙客车股份有限公司合作的车道偏离报警系统项目。 在项目前期开发完成的基于d m 6 4 2 的图像处理硬件系统的基础上，结合s 3 c 2 4 4 0 平台，设 计出了具有高实时性、高存储性能的视频存储系统。 本论文主要阐述了一种基于d m 6 4 2 与s 3 c 2 4 4 0 平台的视频采集处理系统的软件功能实 现，包括处理端的视频采集压缩，控制端的数据存储以及这两者间的t c p i p 协议传输，具体 研究内容可分为以下几个部分： ( 1 ) 采用先进的d m 6 4 2 视频处理芯片，来完成摄像头输入信号的数字编码，视频压缩以 及t c p 】p 传输。 ( 2 ) 应用高效的图形化嵌入式系统、斩n c e 实现控制端的功能。应用w i n c e 完成s 2 c 2 4 4 0 平台中各个设备之间的协调与调配，实现视频数据流的实时高效存储。利用p b 5 0 完成了 w i n c e 在s 3 c 2 4 4 0 平台上的移植。 ( 3 ) 研究了h 2 6 4 编码的部分结构，将其移植于实验室自行开发的d m 6 4 2 工程板上，实 现压缩视频编码文件的功能。 第一章绪论 ( 4 ) 基于t c p i p 协议，确定了两系统问的通讯规则，利用高速1 0 0 m 网络，达到了高速 传输的要求。 ( 5 ) 通过完善已有的d m 6 4 2 工程板的网络部分，配合s 3 c 2 4 4 0 开发板调试了系统的软件 功能，达到了系统的基本要求。 1 4 论文的组织安排 本论文共分六章，内容安排如下： 第一章“绪论”，系统介绍了课题的研究背景，国内外当前的发展现状和本课题涉及的研 究内容； 第二章“系统架构与相关技术”，首先介绍了嵌入式系的基本概念，接着分别介绍了 d m 6 4 2 平台以及s 3 c 2 4 4 0 平台，并阐述了以这两者做为核心的系统总体架构，最后简述了选 用的h 2 6 4 视频压缩格式； 第三章“系统硬件电路的设计”，对视频处理端与控制存储端的硬件架构进行了总体的介 绍和简单的分类，然后介绍了关键电路的设计； 第四章“视频处理端软件设计”，介绍了d m 6 4 2 端的软件开发环境c c s 以及d s p b i o s 实时操作系统。描述了系统总体的软件流程，并根据软件各部分的功能分类讲解其关键代码 的设计思想； 第五章“控制存储端软件设计与存储算法研究”，描述了w i n c e 操作系统下控制存储端 软件的开发，从w i n c e 内核的定制，到软件的流程设计思想，高效率图像存储算法的研究， 直到最后的实验结果参数。 第六章“总结与展望”，总结了课题的成果，归纳了本论文主要的研究工作并展望下一步 的研究改进方向。 东南大学硕l j 学位论文 2 1 系统总体架构 第二章系统架构与相关技术 整个系统根据功能可分为视频处理端与控制存储端两部分。正如本章前面所述，视频采 集部分使用完善后的d m 6 4 2 平台作为功能核心，主要完成视频信号的前端采集、a d 转换、 数据压缩编码以及网络传送等功能；控制存储部分则选用了s 3 c 2 4 4 0 平台，具体负责系统的 控制、网络接收和数据的实时存储。整个系统的供电均由车载蓄电池提供，避免了繁杂电源 转换模块的设计，也保证了各个模块能够长时间安全稳定的工作2 1 。系统结构框图如图2 1 所示： 图2 1 系统整体架构图 系统上电以后，d s p 板上的d m 6 4 2 芯片首先读取平台中f l a s h 内的d s p b i o s 代码， 实现d s p b i o s 的启动，d s p b i o s 是一个微型实时多任务操作系统( r 1 的s ) ，其最关键的部 分是实时多任务内核，d s p b i o s 主要是为需要实时调度和同步，以及主机目标( h o 刚陆g e t ) 系统通信和实时监测的应用而设计。d s p b i o s 启动后再陆续执行视频采集、编码、压缩、传 输等任务，视频采集模块的功能开始有序运作。s 3 c 2 4 4 0 平台同样通过板上的f l a s h 芯片进 行启动，在读取w i n c e 代码，启动实时操作系统后，再运行应用程序，开始对d m 6 4 2 平台 的控制以及数据存储。视频采集模块与控制存储模块的具体软件流程将分别在第四章，第五 章做具体阐述。 2 2 嵌入式系统简介 嵌入式系统( e n l b e d d e ds y s t e m ) 自上世纪后期投入实用后，随着大规模集成电路技术的发 展，其应用领域也愈发宽广，从2 0 世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处 理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近3 0 年的发展历史，目前嵌入式系统几 乎占据了生活中的所有电器设备，在手提电话、多媒体电器、办公设备、汽车、家电、计算 机网络设备、自动柜员机、工业自动化仪表与医疗设备等领域中都有广泛的应用，人类生活 已经无法离开嵌入式系统的帮助。 2 2 1 嵌入式系统的定义 广义上来看，嵌入式系统包含嵌入式硬件系统与嵌入式操作系统两个部分，两者相互协 作，共同实现嵌入式系统的功能。嵌入式系统都是非p c 系统，有计算机功能但又不需要称 第帚系统架构与相天技术 之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，一个嵌入式系统就是一 个计算机硬件和软件的集合体，工作方式类似于p c 中的b i o s ，具有软件代码小、高度自动 化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系【4 】。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组 成，它是可独立工作的“器件”。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控 制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质， 而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或