視覺監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從專線監(jiān)控到現(xiàn)在的開始利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，這是一個很大的飛躍。
傳統(tǒng)的專線布局限制了傳輸?shù)木嚯x，而通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的不足。TI公司推出的DM642是一款針對數(shù)字視頻應(yīng)用的DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器)芯片。該芯片具有支持網(wǎng)絡(luò)功能的10/100 Mb／s自適應(yīng)以太網(wǎng)MAC(Ethernet Media AccessControl，EMAC)，國內(nèi)基于該芯片成熟的網(wǎng)絡(luò)視覺監(jiān)控終端產(chǎn)品不多，因此對基于該芯片的網(wǎng)絡(luò)視覺監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文詳細(xì)分析和研究了基于DM642的網(wǎng)絡(luò)視覺監(jiān)控系統(tǒng)，并在DM642開發(fā)評估板(EVM)上實(shí)現(xiàn)了JPEG實(shí)時視頻的壓縮編碼、解碼以及網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。
1 網(wǎng)絡(luò)視覺監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)
1.1 總體結(jié)構(gòu)
該網(wǎng)絡(luò)視覺監(jiān)控系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1中，視頻采集設(shè)備選用Sony公司的EVI-100P型CCD攝像機(jī)。視頻編碼、解碼芯片采用 Philips公司的SAA7105和SAA7115H。SDRAM使用的是Hynix公司容量為128 MB的兩片HY57V283220T系列芯片。FLASH選用AMD公司的AM29LV系列芯片，容量為8 MB。以太網(wǎng)PHY(物理層)控制器為Intel公司的LXT971。RJ-45是一個以太網(wǎng)連接器。核心處理芯片是TI公司的DM642，他豐富的外圍接口和完全可編程性，使得他在數(shù)字視頻處理領(lǐng)域具備了廣泛應(yīng)用的條件。
DM642的視頻端門通過視頻解碼芯片SAA7115H能方便地實(shí)現(xiàn)和CCD攝像機(jī)的無縫連接。CCD攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號經(jīng)SAA7115H模數(shù)轉(zhuǎn)換后，形成格式的數(shù)字視頻信號，從DM642的視頻端口0輸入；在DM642中，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)JPEG陶像壓縮算法壓縮處理，編碼壓縮生成的視頻碼流數(shù)據(jù)，經(jīng)DM642芯片EMAC的MII接口到片外PHY(LXT971)芯片后，通過RJ-45 口經(jīng)以太網(wǎng)傳送到目的地的PC機(jī)網(wǎng)卡接口，通過PC機(jī)的IE瀏覽器接收視頻數(shù)據(jù)，完成網(wǎng)絡(luò)視覺監(jiān)控和通信。在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐瑫r，視頻信號可由視頻端口2經(jīng)視頻編碼芯片SAA7105數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出PAL制式模擬視頻信號到監(jiān)視器進(jìn)行本地回顯。通過DM642的EMIF接口，連接SDRAM和FLASH存儲器。
SDRAM擴(kuò)展了系統(tǒng)的可用存儲空間，系統(tǒng)的初始化代碼和配置信息則存儲在FLASH中。
1.2 視頻采集接口電路
從模擬視頻輸入口輸入的模擬視頻信號在SAA7115H內(nèi)部經(jīng)過鉗位、抗混疊濾波、A／D轉(zhuǎn)換、YUV分離電路之后，轉(zhuǎn)換成視頻數(shù)據(jù)流，輸入到壓縮核心單元DM642中進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的壓縮處理。DM642的3個視頻口，VP0，VP1，VP2與視頻編解碼芯片相接。在本系統(tǒng)中，只有一路視頻輸入和一路視頻輸出，故VP1端口未用，VP0通道配置為8位視頻輸人口。視頻數(shù)據(jù)的行／場同步信號包含往數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流的EAV(End of Active Video)和SAV(Start of Active Video)時基信號中，視頻口只需視頻采樣時鐘和采樣使能信號即可。SAA7115H內(nèi)部寄存器參數(shù)的配置和狀態(tài)的讀出通過I2C總線進(jìn)行。視頻采集接口的電路如圖2所示。
1.3 網(wǎng)絡(luò)接口電路
DM642的以太網(wǎng)控制器(EMAC)屬于OSI七層模型的數(shù)據(jù)鏈路層，只有接上物理芯片(以太網(wǎng)收發(fā)器)才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)迎信。本系統(tǒng)采用Intel公司的LXT971作為快速以太網(wǎng)物理層自適應(yīng)收發(fā)器，即可實(shí)現(xiàn)10／100 Mb／s以太網(wǎng)接口。由于LXT971支持IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，提供MII(Media Independent Interface)接口，可以支持MAC，而DM642內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)功能模塊正好集成有EMAC，所以LXT971可以和DM642實(shí)現(xiàn)無縫接口。從DM642傳輸過來的數(shù)據(jù)通過LXT971轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)物理層接收的數(shù)據(jù)后，迎過RJ-45接頭傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)接口電路如圖3所示。其中T1是一個1：1的隔離變壓器。
1.4 DM642的網(wǎng)絡(luò)功能模塊
DM642的網(wǎng)絡(luò)功能由3個主要功能模塊組成：EMAC控制模塊、EMAC模塊、MDIO模塊。EMAC控制模塊是DSP核與 EMAC模塊和MDIO模塊之間的接口，他控制網(wǎng)絡(luò)模塊的復(fù)位、中斷和仔儲器接口的優(yōu)先權(quán)。EMAC模塊提供DSP核與網(wǎng)絡(luò)之間的高效接口，支持10 Mb／s或100 Mb／s模式。MDIO模塊通過雙總線，采用滿足802.3規(guī)范的串行接口控制器對以太網(wǎng)的物理層逃行監(jiān)視和控制。
2 JPEG圖像壓縮算法
JPEG是靜態(tài)圖像的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，和相同圖像質(zhì)量的其他常用文件格式相比，JPEG是目前靜態(tài)圖像中壓縮比最高的。正是由于JPEG的高壓縮比，使得他廣泛地應(yīng)用于多媒體和網(wǎng)絡(luò)程序中。JPEG另外一個優(yōu)秀特征是壓縮比可調(diào)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的實(shí)際需要選擇合適的壓縮比。
JPEG有幾種模式，本系統(tǒng)所用的是基于DCT(離散余弦變換)變換的的順序型模式，又稱為基線系統(tǒng)(baseline)。其算法描述如下：8×8的圖像經(jīng)過DCT變換后，其低頻分量都集中在左上角，高頻分量分布在右下角(DCT變換實(shí)際上是空間域的低通濾波器)。由于該低頻分量包含了圖像的主要信息(如亮度)，而高頻與之相比，就不那么重要了，所以可以忽略高頻分量，從而達(dá)到壓縮的目的。如何將高頻分量去掉，就需要對DCT系數(shù)作量化處理。量化的作用是在保持一定質(zhì)量的前提下，丟失圖像中對視覺效果影響不大的信息。為了進(jìn)一步提高壓縮比，需要對其再進(jìn)行熵編碼，當(dāng)熵編碼過程結(jié)束后，就完成了圖像數(shù)據(jù)的壓縮編碼，輸出壓縮后的圖像數(shù)據(jù)。圖像解碼的過程和編碼相反，是編碼的逆過程。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 DM642數(shù)據(jù)流程分析
數(shù)據(jù)流程框圖如圖 4所示。
SAA7115H提供的一幀圖像被采集到輸入緩存，由YUV 4：2：2格式進(jìn)行色差信號最采樣變?yōu)閅UV 4：2：0格式。然后，通過SCOM 序列，圖像被發(fā)送到處理任務(wù)模塊。在處理任務(wù)模塊，JPEG編碼庫程序產(chǎn)生定制壓縮質(zhì)量的JPEG圖像。通過一個SCOM序列，生成的圖像被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)任務(wù)模塊。同時，JPEG文件被發(fā)送到JPEG解碼器，解碼器產(chǎn)生一個YUV 4：2：0的圖像。該圖像通過SCOM序列發(fā)送的到輸出任務(wù)模塊。輸出任務(wù)模塊轉(zhuǎn)換YUV 4：2：0格式的圖像成YUV 4：2：2格式的圖像送SAA7105并顯示。
3.2 DM642程序流程分析
程序采用RF-5框架來整合JPFG的編碼、解碼庫。在進(jìn)入DSP／BIOS的調(diào)度程序之前，程序需要初始化多個要使用的模塊。包括：
(1)DM642和系統(tǒng)板的初始化：系統(tǒng)執(zhí)行BIOS和CSL的初始化，將二級緩存模式?jīng)]定為128 kB，EMIF的CE0和CE1空間設(shè)定為允許高速緩存，設(shè)定DMA優(yōu)先權(quán)隊(duì)列長度為最大值，L2請求的優(yōu)先權(quán)設(shè)定為最高，DMA管理器初始化時將其內(nèi)部和外部的堆棧進(jìn)行分配。
(2)RF-5模塊初始化：系統(tǒng)的通道模塊設(shè)定為RF-5，初始化RF-5中的ICC和SCOM模塊必需的內(nèi)部單元通信和信息傳遞，通道設(shè)定按照內(nèi)部和外部的堆棧緩沖執(zhí)行。
(3)建立捕獲和回放通道：建立和啟動一個捕獲通道，建立和啟動一個回放通道。
在完成初始化工作之后，系統(tǒng)進(jìn)入DSP／BIOS調(diào)度程序管理下的6個任務(wù)模塊。6個任務(wù)模塊通過RF-5的SCOM模塊互相發(fā)送消息，在圖4中顯示了 4個任務(wù)模塊。第5個任務(wù)是控制任務(wù)模塊，他使用一個郵箱發(fā)送消息給處理仃務(wù)模塊，處理任務(wù)模塊從郵箱接收消息，并根據(jù)消息中指定的圖像質(zhì)量調(diào)節(jié)圖像幀率。第6個是網(wǎng)絡(luò)初始化模塊，他由CDB文件定義處理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的初始化。這6個任務(wù)模塊的具體功能為：
輸入任務(wù)模塊 使用驅(qū)動程序提供的FVID ex-change調(diào)用從SAA7115H獲得一幀最新視頻圖像。獲得的圖像是YUV 4：2：2格式的，他被重采樣成YUV 4：2：0。輸入任務(wù)模塊接著發(fā)送SCOM消息到處理任務(wù)，消息中包含了幀的指針。接著等待發(fā)送的消息返回以繼續(xù)處理。
處理任務(wù)模塊 包含JPEG編碼單元和JPEG解碼單元。JPEG編碼單元接受YUV 4：2：0格式的圖像，產(chǎn)生定制壓縮質(zhì)量的JPEG圖像，處理任務(wù)模塊發(fā)送附帶JPEG文件的SCOM消息給網(wǎng)絡(luò)任務(wù)模塊，同時，JPEG解碼單元接收J(rèn)PEG壓縮圖像并生成解壓縮圖像，解碼的圖像格式是YUV 4：2：0的。在解碼完成后，處理任務(wù)等待發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)任務(wù)模塊的SCOM消息返回，然后發(fā)送消息給輸出任務(wù)模塊，通知新的輸出文件已經(jīng)就緒。
輸出任務(wù)模塊 將圖像回放在顯示設(shè)備上。他使用輸出驅(qū)動程序提供的FVID exchange調(diào)用實(shí)現(xiàn)圖像的顯示，得到的圖像的格式是YUV 4：2：0的，需要重新采樣成YUV 4：2：2格式，然后等待處理任務(wù)發(fā)來的消息以繼續(xù)運(yùn)行。
控制任務(wù)模塊 用來設(shè)定傳輸過程中的一些控制參數(shù)，包括圖像幀率和壓縮質(zhì)最。控制任務(wù)模塊檢測參數(shù)的改變，這些參數(shù)定義在一個全局結(jié)構(gòu)“External Control”中，同時將更新的參數(shù)復(fù)制到任務(wù)自定義的結(jié)構(gòu)“External Controlprev”中，并向處理任務(wù)模塊的郵箱中發(fā)送消息。處理任務(wù)模塊定時檢測這些消息并調(diào)用相應(yīng)單元的控制函數(shù)。
網(wǎng)絡(luò)初始化任務(wù)模塊 啟動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備備好后，建立網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。
網(wǎng)絡(luò)任務(wù)模塊 用于支持系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)功能調(diào)用。當(dāng)他初始化完成后，開始進(jìn)入等待處理任務(wù)模塊發(fā)送的SCOM消息的狀態(tài)。本系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)任務(wù)模塊取得處理任務(wù)模塊發(fā)送來的JPEG圖像，建立一個存在RAM上的圖像文件IMAGE1.JPG，這個同像可以由HTTP服務(wù)器識別并發(fā)送給HTTP客戶端，接著回發(fā)一個SCOM消息給處理模塊，通知他已經(jīng)準(zhǔn)備好處理下一個JPEG文件。
4 系統(tǒng)功能測試
在正確配置和連接DM642開發(fā)評估板(EVM)后，運(yùn)行CCS，編譯、連接、下裁并運(yùn)行程序。若CCS的“sdout”窗口最后顯示“l(fā)ink Status：100 Mb／s Full Duplex”，說明網(wǎng)絡(luò)連接被正常初始化。讀取“sdout”窗口中的“NetworkAdded：”項(xiàng)中的IP地址：192．168．。打開IE瀏覽器，在地址欄輸入此IP地址，運(yùn)行?？梢钥吹絀E瀏覽器顯示的是經(jīng)DM642壓縮處理，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給PC機(jī)的視頻圖像，同時，此視頻圖像也在本地經(jīng)監(jiān)視器回顯。測試結(jié)果顯示，兩者幾乎是同步的。通過修改壓縮質(zhì)量數(shù)據(jù)(取值為1～100，1壓縮率最大，質(zhì)量最差，100壓縮率最小，質(zhì)量最好)，設(shè)計(jì)者可以得到定制的壓縮質(zhì)量的視頻。系統(tǒng)測試結(jié)果見圖5，圖6，壓縮質(zhì)量分別取1，50。
5 結(jié) 語
本文對基于DM642 DSP芯片和JPEG圖像壓縮算法的網(wǎng)絡(luò)視覺監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時視頻的壓縮編碼、解碼以及網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。該系統(tǒng)可廣泛用于智能交通、金融、公共安全等領(lǐng)域的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控中，具有一定的實(shí)用性。下一步將在本文工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合新一代網(wǎng)絡(luò)流媒體視頻壓縮算法，研究實(shí)現(xiàn)基于DM642的雙通道網(wǎng)絡(luò)視覺監(jiān)控系統(tǒng)。
