（电力系统及其自动化专业论文）基于tms320dm641的视频监控系统硬件研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ea r r i v i n go fi n f o r m a t i o na g e ，t h et e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ， e s p e c i a l l yt h ev i d e oi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，h a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y ，w h i c h m a k e st h ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb e e nt h er e s e a r c hf o c u s ，a n di th a sb e e nw i d e l y a p p l i e dt ov i d e o c o n f e r e n c e ，s a f e t yd e f e n c ea n ds oo i l f o rt h em o m e n t ，m o s to f d i g i t a lv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m so i lt h em a r k e tc o l l e c tv i d e oi m a g e sb ya l li m a g e c a p t u r i n gc a r d i np c is o c k e t , w h i c hi n c l u d e ss o m ef a t a ld i s a d v a n t a g e s ：w o r s e s t a b i l i t y ，i n c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o n ，h i g h e rc o s t ，a n du n w o r k a b l ei nb a dc i r c u m s t a n c e 确e r e f o r e ，h o wt od e s i g na i le m b e d d e ds y s t e mw i 也v i d e oc o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g a n dt r a n s m i s s i o nt o g e t h e ri sb e c o m i n gt h ek e yf a c t o rf o rp r a c t i c a lv i d e om o n i t o r i n g s y s t e i n d u r i n gt h ed e s i g np r o c e s so fh a r d w a r ef o rv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m ，t h ea u t h o r c o m p a r e dm a n yd i f f e r e n tr e s e a r c hp r o j e c t s d u et ot h eh i 曲一s p e e dc a p a b i l i t ya n d a b u n d a n tp e r i p h e r a le q u i p m e n to ft m s 3 2 0 d m 6 41c h i pf r o mt ic o m p a n y ，i t d e s i g n e dt h eh a r d w a r es y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 d m 6 4 1 ，w h i c hr e a l i z e dv i d e o c o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g n l es y s t e mi sa ne m b e d d e d e q u i p m e n tw i t hv i d e oi m a g e s c o n d e n s a t i o na n dt r a n s m i s s i o n ，w h i c hc a nt r a n s f o r ma n a l o gs i g n a l st od i g i t a ls i g n a l s ， c o m p r e s s ，c o d ea n dt r a n s p o r tb ye t h e m e t t h et h e s i sp a r t i c u l a r i z e st h ep r o j e c to f h a r d w a r ef o rv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m i t i sm a d eu po fas p e c i a lv i d e od e c o d ec h i ps a a 7 11 3 h ，f p g a ，a n dd s p ，t h em a i n c i r c u i t s i n c l u d e ：a d ，d i g i t a lp r o c e s s ，n e t w o r kt r a n s m i t i o na n ds oo n i th a sa c h i e v e d t h er e q u i r e m e n t so fa ne m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m ：h i g h - s p e e d ，s t e a d y ， f l e x i b l eb ye x p e r i m e n t , i tc a nf u n c t i o n 船a ni n d e p e n d e ms y s t e m k e yw o r d s ：v i d e om o n i t o r i n gs y s t e m t m s 3 2 0 d m 6 4 1 i m a g ep r o c e s s d s p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 、第1 章绪论 1 1 课题的提出 近年来，随着多媒体技术和电话事业的快速发展，单一语音媒体通信方式 已经不能满足信息时代的人们对通信的需求，人们迫切要求改善通信方式。远 程监控、远程教学、远程医疗诊断、远程购物、远程探视、电视电话会议等等 应用都迫切的需要进行网络视频传输。 视频压缩技术的发展是实现网络视频传输的关键。视频数据量远大于音频， 未经压缩的c i f 格式，每秒2 5 帧的数据量将达到3 8 m b y t e ，在网络上传输是 不可能的。图像压缩解压算法的蓬勃发展，为图像传输提供了基础。这些算法 在损失一些图像质量的前提下，大大的降低了码率。早在1 9 8 6 年i t u 就提出了 h 2 6 1 标准，接着又出现了j p e g ，m p e g - 4 等标准。现今以h 2 6 3 在网络视频 传输上应用最为广泛，m p e g - 4 压缩性能也不错，但是其对象层难以实现。最新 的h 2 6 4 标准能够以一半的码流达到和h 2 6 3 同样的图像质量，但是其计算 复杂度太高，在现有的处理器上难以承受【o ”。 网络是网络视频传输的载体。最早的视频传输是基于模拟电话网的。模拟 电话网覆盖广，但是其带宽小，误码率高，难以达到实时和高清晰要求n 后来 又出现了i s d n ，帧速率可达到1 5 帧秒左右，但是其价格昂贵，普及率不高。 随着互联网技术的大力发展，电信部f - j j j n 大了宽带i p 网的建设。宽带i p 网络 有着低成本，高带宽的优势，使得承载在i p 网上的视讯业务的费用大大降低了， 降低了门槛，形成了视讯通信向i p 网发展的趋势【0 2 1 。 处理器的发展是网络视频传输的硬件基础。半导体工艺的发展，使得处理 器的运算速度越来越快，价格越来越低。主频最高的是p c 机上的通用处理器 c p u 。但是其发热量高，不适于嵌入式系统。一些m p u ，控制能力强，但计算能 力弱。d s p 是最适合进行数字图像运算的，但其外围接口能力较差。多媒体通信 的需求促进了多媒体芯片的产生，它以d s p 芯片为核心，外扩了丰富的接口， 可以无缝连接音视频的输入输出，其中以t i 公司最新出品的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 最为 著名。其强大的d s p 内核，优化的总线结构，灵活的音视频接口使得它在诸多 的性能指标中遥遥领先。 目前的p c + 摄像头模式，体积庞大，操作复杂，稳定性很差。后来蓬勃发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 起来的基于嵌入式的可视电话，体积小，操作简单，但是由于种种限制，视频 传输效果一般，不能用于高清晰的实时视频传输，特别是大型的视频会议终端， 对图像的清晰度和分辨率要求都很高 0 3 1 。 基于以上需求和技术的发展，本文设计并实现了基于t i d s p ( d m 6 4 1 ) 的h 2 6 3 视频解码与显示系统。该系统以t i 公司生产的高性能多媒体处理器 t m s 3 2 0 d m 6 4 1 为核心，以网络视频编解码标准h 2 6 3 为基础，在1 m 带宽广域网 和局域网内实现了高清晰图像4 c i f 的解码与实时显示( 1 5 帧秒) 。该系统体积 小、速度快、性价比高、稳定性强，可应用在远程监控、远程教学、可视电话、 远程医疗诊断和大型的视频会议终端中畔】。 1 2 相关技术的发展 1 2 1 视频压缩技术的发展 视频是流特性业务，数据量很大。例如，数字电视图像中的c i f 格式、n t s c 制式、彩色，每帧的数据量为2 0 2 8 k b ，每秒的数据流量可达6 0 8 m b ；c c i r 格 式、p a l 制式、彩色视频的数据流量可达1 4 8 8 m b p s 。而视频压缩技术可以有 效去除图像的空间冗余性和时间冗余性，稍微降低一些图像质量，就可以大大 减少图像的数据量。 在1 9 8 8 年，i s o i e c 颁布了m p e g 1 标准，最新发展是m p e g 一4 ，m p e g 7 和m p e g 2 1 。m p e g l 应用于v c d 领域，m p e g 2 应用于d v d 领域。m p e g 4 目前已应用于i n t e m e t 流媒体领域，并开始支持目前标准尚未全面支持的那些应 用，例如移动通信和个人通信中的声像业务，以及各种基于无线网络环境的手 持式电子产品1 0 5 】。m p e g 7 并不兼容以前的标准，而是以前标准的扩展和延伸， 主要描述各种类型的视听材料，如静止图像、图形、3 d 模型、音频、视频等， 以及关于这些视听材料在一个多媒体表达中是如何结合的等信息。m p e g 一2 1 的 目标是定义一个交互式多媒体框架，跨越大范围内不同的网络和设备，使用户 能够透明地使用多媒体资源，存取、使用并交互多媒体对象，实现多种业务模 型，包括在价值链中对版权和支付交易的自动管理，以及对内容使用者隐私的 尊重等等惭】。 早在1 9 8 4 年，i t u t 就颁布了h 2 6 1 标准，用于可视电话和会议电视。后 来又陆续发展了h 2 6 2 ，h 2 6 3 ，h 2 6 4 。它们的压缩原理是充分利用视频数掘的空 间和时间冗余，采用预测与变换的混合编码方法，对残余自勺数据进行编码，保 证了极大的压缩比。低码率图像压缩标准 l2 6 3 在h 2 6 1 标准的基础上作了一 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 些相当重要的改进，它提供了很多可选的编码技术( 比如非限制的运动矢量 ( v m v ) 模式、高级预测模式、基于句法的算法编码( s a c ) 模式、p b 帧模式) ，使 得编码后的图像质量有很大的提高。h 2 6 3 在多媒体电脑、掌上电脑、网络电 视、远程视频监控、视频会议和可视电话等都己经有了广泛的应用f 0 7 】。目前最 新的h 2 6 4 标准是i t u t 的v c e g ( 视频编码专家组) 和i s o i e c 的m p e g ( 活动 图像编码专家组1 的联合视频组( t ：j o i n tv i d e ot e a m ) 开发的标准。在相同的重 建图像质量下，h 2 6 4 能够比h 2 6 3 节约5 0 左右的码率。但是h 2 6 4 获得优 越性能的代价是计算复杂度的增加，据估计，编码的计算复杂度大约相当于h 2 6 3 的三倍，解码复杂度大约相当于h 2 6 3 的两倍，在现有的处理器上还是难 以达到实时性能的。下图为视频压缩标准的发展历程 0 8 1 。 i朋- t i i i 锄出州 洲 矿 持2 缸h 笳酗 ”瑚瓣黪雾矽 i伊 lm p e g f l 5 $ t n d a r c h fm p e g d 醒g 4 眵罗 ik 一。蠢 r1 ，。 9 1 9 8 61 蚰81 9 9 1 11 儆1 辨4t 9 9 6 1 9 蛆2 d n 1 1 22 1 1 0 4 图1 1 视频压缩标准发展历程 1 2 2 网络的发展 网络载体的发展是视频通信的前提。2 0 0 0 年，全球视像系统的市场规模达 到了3 6 4 亿美元，其中单机式的可视电话约占二成，市场规模达到8 亿美元左 右。2 0 0 1 年以来，国际上i s d n 窄带和x d s l ，h f c 等宽带应用渐热，用户越来 越多。2 0 0 1 年底，全球i s n d 用户达到1 0 4 亿。互联网络更是蓬勃发展，这给 网络视频传输的大力发展打下了坚实的基础，有利于各种网络视频应用的快速 发展。 模拟电话网p s t n 已经在中国发展了几十年，是覆盖最广、最为经济实用 的通信网。但是p s t n 的传输带宽受到很大的限制，而且p s t n 模拟线路的误 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 码率比i s d n 数字线路高，很难达到流畅的传输速率，全屏显示的图像会产生 失真和解码的马赛克现象。 i s d n 的接续时间短，视频传输帧速率可达到1 5 帧秒以上，是几种网络环 境中效果较好的，但是价格昂贵，而且这种视频传输的广泛使用还取决于i s d n 的普及程度。 随着电信部门加快了宽带域网的建设，实现了宽带到户，宽带到办公室的 梦想。2 0 0 2 年我国的宽带用户才2 0 0 多万人，2 0 0 3 年发展到1 0 0 0 万以上。宽 带m 网有着其他网络所无法比拟的低成本，高带宽的优势，使得承载在i p 网 上的视讯业务的费用大大降低了，降低了门槛，形成了视讯通信向i p 网发展的 趋势1 0 1 。 1 2 3d s p 处理器的发展 d s p 是数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 的缩写。其发展历程大致 分为三个阶段：上世纪7 0 年代理论先行，8 0 年代产品普及，9 0 年代突飞猛进。 在d s p 出现之前数字信号处理只能依靠m p u ( 微处理器1 来完成。但m p u 较低 的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，直到7 0 年代，有人才提出了d s p 的理论和算法基础。那时的d s p 仅仅停留在教科书上，即便是研制出束的d s p 系统也是由分立元件组成的。随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上 诞生了首枚d s p 芯片。这种d s p 器件采用微米工艺n m o s 技术制作，虽功耗 和尺寸稍大，但运算速度却比m p u 快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器 中得到了广泛应用。d s p 芯片的问世是个里程碑，它标志着d s p 应用系统由大 型系统向小型化迈进了一大步。至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步与发 展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得 到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。此后d s p 技术因其适 应市场上对大量运算的需求而得到了迅速的发展，现在最快的d s p 已经达到了 1 g h z 的时钟频率【1 ”。 目前主流的d s p 生产厂家有t i ，a d i 公司，朗讯公司和摩托罗拉公司，产 品线覆盖了从低端的8 位定点运算到高端的3 2 位定点和浮点运算。d s p 主要适 用于需要大量重复运算的场合，目前广泛应用于通讯，医疗仪器，多媒体和雷 达信号处理等领域。相对于普通p c 计算机结构，d s p 构成的数字化系统具有 体积小，功耗低，稳定性高且性能强大的特点i l ”。 考虑到d s p 运算速度快但是接口能力差的情况，一种新型的d s p 芯片一媒 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 体处理器( m e s ap r o c e s s o r ) 应运而生，并很快得到业界的广泛关注。媒体处理器 继承了通用d s p 芯片的特点，针对多媒体应用扩充了各种接口功能，优化了中 央处理器结构。飞利浦、a d i 、1 r i 等半导体供应商都十分看好媒体处理器市场， 并推出了具有竞争力的产品【1 3 1 。高处理能力芯片的出现给视频会议带来更小的 延迟和更高的帧频。例如1 1 公司的1 m $ 3 2 0d m 6 4 2 、飞利浦的t r i m e d i a 和 e q u a t o r 的m a p c a ，它们集成了丰富的多媒体信号接口，针对多媒体信号的特 点优化了处理器结构，甚至内嵌了特殊协处理器用于进行专门操作，缓解通用 处理器的压力，例如视频编码中的变长编解码( l c v l d ) 。 1 1 的新型数字媒体处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是目前业界性能最高的媒体处理 器。它带有三个视频口，均可输入或输出，支持b t 6 5 6 、百兆以太网口、多路 音频串口、6 6 m h zp c i 等等，可支持四路d 1 图像，3 0 帧秒的m p e g 一2 的实时 压缩。t i 的数字媒体处理器不仅能够以m i c r o s o f tw m v 9 格式提供高清晰视频 流，而且还能够提供m p e g 4 ，m p e g 2 以及m p e g 1 。此外，该器件还支持h 2 6 4 t 。 采用d m 6 4 1 可简化设计，无需转接芯片就可无缝的与网络音视频输入输出 接口。由t i 提供的广泛的设计、软件和系统支持，缩短了从开发到投入使用的 时间，使设计者更容易开发出满足多媒体应用的设备来。 以上三种技术的发展使得高性能网络视频传输应用成为可能，一些相关产 品逐步开发出来，在各个领域崭露头角。 1 3 本论文的主要研究内容 在前文所述的技术和市场背景下，本课题的主要任务是设计并实现基于t i d s p ( d m 6 4 1 ) 的h 2 6 3 视频解码与显示系统。该系统实现了h 2 6 3 标准 的核心解码算法。在码流3 8 4 k b y t e s - i m b y t e s 的可变范围内，进行4 c i f 格式 ( 7 0 4 * 5 7 6 ) 的图像解码与p a l 制式每秒1 5 帧实时播放。 论文的组织如下： 第一章，简述视频压缩技术、网络技术、d s p 芯片的发展趋势。 第二章，针对系统需求分析，提出各种解决办法，选择可行的解决方案。 第三章，系统总体设计及软硬件实现原理。 第四章，结合所制作的原理图，详细介绍系统各模块的功能与原理。 第五章，简单介绍系统的p c b 布线过程及深入探讨。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章系统需求分析与方案选型 2 1 需求分析 2 1 1 系统需求分析 本文的目的是为某变电站设计出一套可通过以太网传输图像数据，实现网 络视频监控的系统。即通过本地摄像头采集原始图像数据，由s 端子或复合视 频接口输入到系统的采集卡，经过d s p 压缩处理后得到的图像数掘送到带宽为 1 m 的以太网( e t h e m e t ) 上传输，远端的p c 机能够显示每秒1 5 帧以上的4 c i f 格式的图像，并且监控效果流畅。 为满足用户的需求，如果像传统视频监控方式那样将监控系统的前端设备 与中心端设备用电缆简单地进行连接就无法达到理想的效果。因此，本设计采 用的总体方案是：针对变电站共有的1 6 个监控点，分别在每个监控点通过摄像 头单独采集视频图像，并且把采集到的模拟视频信号在本地进行数字化处理， 解码为数字信号，然后通过以太网传输到远程服务器，由服务器编码后实时显 示监控图像。图2 1 给出的是实际的变电站刀闸开关监控点。 图2 1 变电站刀闸开关监控点实豳 通过以上分析可以得出，系统所要解决的关键问题在于选择哪种标准把采 集到的模拟视频信号进行压缩编码，以适合网络传输。在众多编码标准和格式 中，由i t u t 提出的h 2 6 3 视频编码标准是基于运动补偿的混合编码，它是专 为中高质量运动图像压缩所设计的低码率图像压缩标准，具有编码速度快、码 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 率低、支持多种源视频格式，很适合流媒体网络传输，因此，本设计采用h 2 6 3 为编码算法。i t u t 数字视频帧格式如表2 1 所示。 表2 - 1l t u - t 数字视频格式 格式帧大小( 像素) 4 c i f 7 0 4 5 7 6 c i f 3 5 2 2 8 8 q c i f ( q u a r t e rc l f ) 1 7 6 1 4 4 s q c i f ( s u b c i f )1 2 8 9 6 i t u - t 视频帧用于视频监控方面主要包括两种格式：c i f ( c o m m o n i n t e r m e d i a t ef o r m a t ) 和q c i f ( q u a r t e rc o m m o ni n t e r m e d i a t ef o r m a t ) 。这两种格 式在不同的帧速下会表现出不同的码率，如表2 - 2 所示。 表2 - 2c i f 和q c l f 管格式在不同帧速下的码率 码率( k b i t s )帧率( f s )视频格式 3 2 1 5 s q c i f 6 41 5 q c i f 1 2 81 5c i f 1 2 83 0 q c i f 2 5 63 0c i f 5 】21 54 c i f 根据表2 2 中的数据可以做出如下计算：当网络带宽为1 m 时，考虑到某些 时候会出现网络拥塞或者部分带宽被其他程序占用的情况，因此，实际可用的 稳定的带宽资源假设为总带宽1 m 的一半，即o 5 m ，那么它只能传输4 路1 5 f s 的c i f 格式或者4 路3 0 f s 的q c i f 格式的视频图像： o 5 m 码率1 2 8 k b i t s = 4 路 或者l 路1 5 f s 的4 c i f 格式的视频图像： o 5 m 码率5 1 2 k b i 以= 1 路 由于本系统所监控的对象是刀闸开断、闭合或者断路器开断、闭合等场景， 它具有地域分布广、图像质量要求高、实时性强的特点，因此在设计中选用了 多处理器采集数据的方式，以满足全部图像被实时采集的需求。即本系统共需 要4 个处理器( 后面的系统指只有一个处理器的视频监控系统) ，每个视频处理 器采集通道均为4 通道，通过c u p 阵列在远端监控中心根扼需要可实现单屏显 示、4 分屏和1 6 分屏显示。每个视频处理器的每路通道均单独使用网络视频图 像采集系统进行采集，采集到的模拟信号通过d s p 芯片进行处理变成数字信号， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 可支持l 4 路视频信号，每路均可实现最高为每秒1 5 帧d 1 或者4 c i f 分辨率 的独立压缩，单独动态调整编码参数( 码率、帧率、图像质量) ，可以生成视频和 音频压缩后的h 2 6 3 码流，压缩比高。支持多种分辨率，从f u l ld 1 ( 7 2 0 * 5 7 6 ) 到q c i f ( 1 7 6 + 1 4 4 ) 。图像传输主要采用t c p i p 协议族，支持p p p o e 协议，支持 d h c p 协议自动获取i p 、支持用户名、密码压缩码流等重要信息加密处理，防 止非法窃取信息。支持r s 2 3 2 和r s 4 8 5 接口等透明通道，可以通过这些接口进 行串行设备控制，例如摄像头上云台的控制，多路图像可同时以c i f 分辨率进 行网络传输，系统控制信号也可通过网络传输实现。 2 1 2 系统主要技术指标 视频图像采集网络化传输系统主要的技术参数： 实时监视图像分辨率：队l ：7 2 0 * 5 7 6 ( d 1 ) ；n t s c ：7 0 4 * 4 8 0 ( d 1 ) 回放分辨率： p a l ：1 7 6 + 1 4 4 ( q c i f ) ，3 5 2 + 2 8 8 ( c r f ) ，7 0 4 + 5 7 6 ( 4 c i f ) ，7 2 0 + 5 7 6 ( d 1 ) n t s c ；1 7 6 + 1 2 0 ( q c i f ) ，3 5 2 + 2 4 0 ( c i f ) ，7 4 0 4 8 0 ( 4 c i f ) ，7 2 0 + 4 8 0 ( d 1 ) 视频输入：1 4 路( n t s c ，p a l 制式自动识别) ，b n c ( 电平：1 0 v p p ， 阻抗：7 5 q ) 视频输出：l 路f n t s c ，p a l 可选) ，b n c ( 电平：1 0 v p p ，阻抗：7 5 q ) 视频帧率：p a l ：2 5 帧秒：n t s c ：3 0 帧，秒：帧速可调 码流类型：可选择单一视频流或复合流，自定义 视频压缩输出码率：1 6 k - 1 m 可调，也可自定义( 单位：b p s ) d s p 主频：6 0 0 m h z 音频输入：l - 4 路，b n c ( 线性电平，阻抗：1k o ) 音频输出：l 路，b n c ( 线性电平，阻抗：6 0 0 q ) 音频压缩码率：1 6 k b p s 网络接口：1 个r j 4 5 1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网口 串行接口：1 个r s 2 3 2 ，1 个r s - 4 8 5 ，均为r j 4 5 型接口 i d e 接口：1 个，支持i d e 硬盘刻录 功耗：5 2 0 w 工作温度：1 0 - - + 5 5 工作湿度：1 0 v 9 0 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第9 页 2 2 视频处理结构和方案选择 2 2 1 视频处理结构 目前比较常用的网络远程视频监控系统的监控前端可分为两类： 普通摄像头+ 视频服务器。普通摄像头可以是模拟摄像头，也可以是数字 摄像头。原始视频信号传到视频服务器，经视频服务器编码后，以t c p i p 协议 通过网络传至其他设备。 网络摄像头。网络摄像头是一种嵌入式视频通信终端，融合了摄像、视频 编码、w e b 服务于一体的高级摄像设备，内嵌了t c p i p 协议栈，可以直接连接 到网络1 1 5 】。 第一种视频监控系统主要是基于p c 机的模拟系统。这种系统架构通常是： 通过摄像头或专用的采集设备将图像转为数字信号，然后经过p c 机的处理、压 缩，再利用网络接口传输到远程终端或存储于设备之中；远程终端则进行相反 的处理过程，从网络接收压缩数据，解压之后送到视频输出模块，重现监控场 景。这样的视频监控系统在过去十几年中，为人们带来了很多便利，但也表现 出许多不足：传输距离短，监控质量不高，灵活性差，成本高，难以满足实时 性要求，系统稳定性和可靠性较差，且不便于在无人职守的现场使用【l 。图2 - 2 为两种方案的网络实现原理。 圈2 - 2 嵌入式视频监控荆基丁tp c 机视频监控网络实现原理 随着超大规模集成电路和嵌入式软硬件技术的迅猛发展，研制嵌入式视频 通信终端成为未来的发展趋势，即选择第二种监控前端。基于嵌入技术的监控 系统不需处理模拟视频信号的p c ，而是把摄像机采集的模拟视频信号通过嵌入 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 式视频编码器直接转换成数字信号。嵌入式视频编码器具备视频编码处理、网 络通信、自动控制等强大功能，直接支持网络视频传输和网络管理，使得监控 范围达到前所未有的广度。除了编码器外，还有嵌入式解码器、控制器、录像 服务器等独立的硬件模块，它们可单独安装，不同厂家设备可实现互连。此外， 基于嵌入式设备的监控系统硬件把处理器和操作系统较为紧密地捆绑在一起， 功能专一、设备独立，不像插卡式系统那样易受通用计算机系统中其它软、硬 件的影响，因此性能更稳定，易于实现系统的模块化设计，便于安装和维护。 随着现代电子技术的发展，嵌入式系统以其更加稳定、廉价、高效的优势，开 始在数字视频系统领域逐步取代p c 机的地位。表2 3 给出了基于p c 机的视频 监控系统和嵌入式视频监控系统各自的优缺点【1 7 】。 表2 - 3 基于p c 机和嵌入式视频监控系统的比较 基于p c 的视频监控系统 嵌入式视频监控系统 1 传输或存储的数据均为数字形 1 集成度高，减少了硬仆复杂度，电磁兼 式，存储和传输成本都较模拟系容性好，抗干扰能力强： 统低； 2 功耗低，无硬盘、风扇之类的机械设备， 优点 2 抗干扰性强，质量较高，传输距 减少了系统损耗： 离远； 3 嵌入式操作系统实时性高，响席速度快， 3 应用灵活性好。稳定性好，可裁减。 1 p c 机机械部分较多，： 作可椎 性差； 缺点 2 p c 机任务不单一，操作系统实 时性多数时候达不到要求： 3 维护性差，扩展性也不高。 2 2 2 视频监控方案的选择 根据本系统的需求，从稳定性角度出发，选择采用嵌入式视频监控方案， 开发嵌入式视频监控终端和视频服务器。其中视频服务器的开发方案又有多种 选择，但是市场上的主流产品一般提供两种方案：( i ) c p u + a s i c 。该方案选 择以a r m 为核的c p u 与专用媒体处理芯片搭建。优点是开发时间相对较短， 但由于采用a s i c 码，灵活性较差，产品一旦定型，很难更改。( 2 ) 采用面向 媒体处理的专用d s p 。其开发时间稍长，优点是算法采用软件代码实现，所以 可以不断对产品性能进行升级，重复丌发，节约成本。当产品需要更新或升级 时，第一种方案只能采取对设备进行更新换代的方式，而第二种方案则只需修 改软件代码，增加部分功能软件即可i l 引。综上所述，考虑到监控系统中视频图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 像的压缩编码标准众多，更新很快，因此本系统选用第二种方案，使得产品今 后面对其他的压缩编码标准时能够从容的升级，不至于设备被过早淘汰。 2 3 处理芯片的选择 2 3 1 主控芯片的选择 在视频处理系统中，视频处理主控芯片主要有三种类型：专用图像处理芯 片、通用d s p 和多媒体处理器。 1 、专用图像处理芯片 专用图像处理芯片都是针对某些特定标准的，比如a d 公司的基于小波变 换的实时视频压缩解压缩芯片a d v 6x x 系列，t i 公司的t s b 4 3 c a 4 3 a 等。使 用专用图像处理芯片，必须根据实际情况和需求做出选择，因为压缩标准算法 已经固化不可修改1 1 9 1 。 2 、通用d s p、 通用d s p 灵活性较大，兼容性强，对于不同的图像处理算法通常只需修改 软件程序即可实现系统升级，完成不同的功能，此外，通用d s p 芯片捌有高效 的数学运算能力，其内核提供了低功耗、低成本的最佳组合，当然，它的缺点 就是外设接口有限，只适用于重复性较强的数据处理。代表产品有a d 公司的 a d s p 2 1 1 6 0 、a d s p 2 1 0 6 ，t i 公司的t m $ 3 2 0 c 6 0 0 0 系列1 2 0 。 3 、多媒体处理器 由于通用d s p 芯片的片内外设接口有限，需要用较复杂的外围电路构造视 频的专用外围接口，使系统成本上升、开发的难度加大；另一方面因为缺乏针 对图像位和字节操作的专门指令，使高速的d s p 处理器在视频处理方面难有出 色表现，因此，多媒体处理器( m e d i ap r o c e s s o r ) 的出现很快得到业屏的广泛关 注。多媒体处理器集成了视频接口，由此搭建的硬件平台可以完全实现单芯片 的可视电话、数字电视机顶盒、d v d 记录仪、流媒体播放器等功能弘“。目前， 使用较广的几种多媒体处理器芯片有t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 x ，p h i l i p s 公司的 t r i m e d i a ，a d i 公司的b l a c k f m 和e q u a t o r 公司的m a p c a ( m e d i aa c c e l e r a t e d p r o c e s s o rf o rc o n s u m e ra p p l i a n c e s ) 。 4 、t m s 3 2 0 d m 6 4 l 简介 通过上一节的系统需求分析，本设计选用n 公司针对多媒体处理领域推出 的一款高性能d s p t m s 3 2 0 d m 6 4 1 作为主控芯片。t m s 3 2 0 d m 6 4 1 视频监 控板上的d s p 内核是c 6 4 x 系列的3 2 位定点d s p ，时钟频率为6 0 0 m h z 时，处 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 理速度为4 8 0 0 m i p s 。d m 6 4 1 提供了2 个双通道的视频口，每个视频口有2 个 视频通道，并可由软件配置为输入或输出口，且具有视频滤波、水平缩放等功 能，可直接与视频器件无缝连接，支持i t u r bt 6 5 6 、数字t v ( s d t v 和h d t v ) 和原始视频i o 格式，每个视频1 3 均可支持8 1 0 1 6 2 0 位数掘【2 2 】。 t m $ 3 2 0 d m 6 4 1 的内部结构如图2 3 所示。 两个可配置的视频口p 0 和v p l ) ，可以支持多种视频标准，如c c i r 6 0 1 、 i t u b t 6 5 6 ，b t 1 1 2 0 ，s m p t e1 2 5 m ，2 7 4 m 和2 9 6 m 。每个视频口有两个通道， 可以配置成视频采集和输出模式，每个通道有5 1 2 0 b y t e s 的采集或者显示缓存。 3 2 位的外部内存接口o s m i f ：e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ) ，可以与同步和异 步存储器直接接口，如s d r a m ，f l a s h 。 。 叫l 1p r o g r a me , h e ( 1 6 k b ) e m i f_ + 卜 _ + 程辟取指 嚣 拄制 警 指调度 寄存器 e 暑 指令译码 d 詈 控制逻辑m 占 寄有_ ； ：；组a寄存器统ba 品 l 4奉奉奉 幸 溯试 簧 fll 外 p o n v， t 仿真 设 。 l 1i s 1 m 】 d i d 2 m 2 s 2l ” 中断 一 l 】m ：。c h 。( 1 6 k b ) 图2 3t m s 3 2 0 d m 6 4 1 内部结构框图 一个多通道音频缓冲串口( m c a s p ：m u l t i e h a n n e lb u f f e r e da u d i o s e r i a l p o a ) 。 两个多通道缓冲串口( m c b s p ：m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t ) 。 一个lo m i o o m 以太网接口。 一条1 2 c 总线，通过该总线可以使主机同外设通信，也可以将该总线配 置成s p i 模式同外设接口1 2 。 t m s 3 2 0 d m 6 4 1 提供了l 1 l 2 两级c a c h e 结构，其中l i 级c a c h e 又分为两 部分：l l 程序存储器l 1 p ( l e v e l 一1p r o g r a m c a c h e ) 和l 1 数据存储器l i d ( l e v e l 一1 d a t ac a c h e ) 。l i p 大小为1 6 k 字节，组织形式为直接映射的c a c h e ，行大小为 3 2 字节，每2 5 6 比特存放一个取指包，共5 1 2 行。读m i s s 时向l 2 请求一行， c p u 阻塞时间小于等于8 个时钟周期；读l l i t 时数据直接由l 1 p 中读出，c p u 存取时间为1 个周期，不支持l 1 p 写操作，仅作为c a c h e 操作，不映射入c 6 4 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 存储空间，不支持冻结和旁路方式。l i d 大小也为1 6 k 字节组织形式为两路 组相联的c a c h e ，行大小为6 4 字节，组数目为1 2 8 个。读m i s s 时在l i d 中指派 一行，读l l i t 时数据直接由l 1 d 中读出：写m i s s 时，不在l 1 d 中指派，数据送 给l 2 ，写l l i t 时，数据写入l 1 d 命中的地方。c p u 存取时间为一个时钟周期， 代换策略为两路最近最少使用算法，仅作为c a c h e 操作，不映射入c 6 4 x 存储空 间，不支持冻结和旁路方式。 l 2 级c a c h e 大小为1 2 8 k 字节，l 2 一部分可以配置为s r a m ，映射到c 6 4 x 寻址空间内，由c p u 直接进行存取。l 2 另一部分可以配置为4 路组相联c a c h e ， 任何被配置为c a c h e 的l 2s r a m 绝不能处于存储器映象中，也不能被存取。复 位时l 2m o d e = 0 0 0 b ，l 2r a m 全部配置为映射r a m 。l 2 操作方式有血种，选 取哪一种取决于c c f g 2 0 1 ，即对l 2m o d e 域的编程【2 4 1 。c p u 调用存储器数 据的过程如图2 4 所示：， c p u 要求 调用数据 致据岔。竺 l 1 中 把数据发 送到c p u 从外部存储 器请求数据 y i 把数据放l yi 把数据放 1 置到l ir 1 置刽l 2 酗2 - 4c p u 调t 【 j 存储器数据的过程 除此之外，t m s 3 2 0 d m 6 4 1 还有其他外设接口，支持j t a g ，是一款性价比 很高的多媒体处理芯片。 2 3 2 视频芯片的选择 高性能视频编解码器的出现为嵌入式视频系统的发展注入了强大的动力。 p h i l i p s 公司在这方面入手较早，它推出的单片视频编解码器s a a 7 1 l x 种类最多， 在国内外应用的最广。视频解码芯片有s a a 7 1 1 0 a 、s a a 7 1 1 i a 、s a a 7 1 1 2 、 s a a 7 1 1 4 、s a a 7 1 1 3 h 、s a a 7 1 1 5 、s a a 7 1 1 8 等，视频编码芯片有s a a 7 1 2 8 7 1 2 9 、 s a a 7 1 0 2 7 1 0 3 、s a a 7 1 2 0 7 1 2 1 、s a a 7 1 2 6 7 1 2 7 、s a a 7 1 0 4 7 1 0 5 等。其他厂家 的视频解码芯片还有m i c r o n s 公司的v p x 3 2 2 x 系列、a d i 的a d v 7 1x x 系列和 t i 公司的t v p 5 1 x x 系列等等。p h i l i p s 、m i c r o n s 和t i 公司的视频编解码芯片都 使用了1 2 c 总线进行寄存器配置1 2 “。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 根据系统设计的要求，考虑到输入输出通道的数目、输入输出信号的标准、 转换的分辨率、价格等因素，选择了p h i l i p s 公司的s a a l l 3 h 和s a a 7 1 0 5 h 分 别作为视频解码和编码芯片。 s a a 7 1 1 3 h 是数字p a l n t s c 编码器，有9 位视频模数转换( a d c ) 芯片， 输入可以被配最成4 路c v b s 或2 路s 视频( y c ) 信号，对所选的c v b s ( 或 y c ) 通道进行编程可实现静态增益控制或自动增益控制，且有两个内置的模拟 抗混叠滤波器1 2 6 】。其输入兼容p a l ，n t s c ，s e c a m 多种制式，可以自动检测 5 0h z 或6 0h z 的场频，在p a l 、n t s c 制式之间切换，输出为标准的i n j 6 5 6 y 1 4 ：2 ：2 ( 8 b i t ) 信号。通过1 2 c 总线配置芯片内的各个功能寄存器，速率可达 4 0 0 k b i t s s 。s a a 7 1 1 3 h 的内部结构如图2 5 所示，包括四个数模转换器( d a c s ) 、 c v b s 、r e d 、g r e e n 和b l u e 。其中r e d ，g r e e n 和b l u e 为9 位分辨率， c v b s 信号为1 0 位分辨率，系统像素频率1 3 5 m h z l 2 “。 2 3 3 音频芯片的选择 图2 - 5s a a 7 1 1 3 h 结构图 本系统对音频功能的需求为：模拟音频输入要求2 路标准麦克风输入或l i n e 输入；模拟音频输出要求2 路标