基于3G網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)視頻監控系統解決方案

引言

在數字化視頻監控技術(shù)飛速發(fā)展的今天，數字化視頻監控系統正迅速的深入到各行業(yè)，如企業(yè)、煤礦、學(xué)校、公共場(chǎng)所，為人們的工作和生活帶來(lái)了一次大變革。由于能夠在達芬奇平臺中實(shí)現數字視頻、音頻、語(yǔ)音與話(huà)音技術(shù)，因此達芬奇技術(shù)可以為數字化視頻監控系統的當前變革打下基礎。

與此同時(shí)，隨著(zhù)3G 網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)通，更為高清移動(dòng)數字化監控系統提供了實(shí)現的可能。

本文中要設計的3G移動(dòng)視頻監控系統是一種能提供視頻采集、視頻數據壓縮、聯(lián)動(dòng)報警、衛星定位及網(wǎng)絡(luò )傳輸功能于一體的一種移動(dòng)實(shí)時(shí)視頻監控系統。其主要技術(shù)瓶頸就在于：①其系統耗時(shí)是否能保證其實(shí)時(shí)性要求，關(guān)鍵為H.264壓縮算法耗時(shí)。由于嵌入式環(huán)境資源的限制，在視頻數據的實(shí)時(shí)性傳輸和圖像質(zhì)量方面，尤其是多路的情況下，其一直都得不到保證。但是隨著(zhù)達芬奇技術(shù)的成熟，其ARM 926EJ-S與DSP C64x+ 的雙核架構，H.264 壓縮算法獨立運行在DSP的 Codec Server 端，解決了系統耗時(shí)保證其實(shí)時(shí)性要求。②其3G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸能否保證視頻質(zhì)量及實(shí)時(shí)性。在保證視頻質(zhì)量及傳輸實(shí)時(shí)性要求上，可以從兩個(gè)方面入手：①縮短視頻數據的傳輸時(shí)間，使用當前最高效的H.264 編碼技術(shù)縮小傳輸的信息量，采用動(dòng)態(tài)自適應調整視頻數據的幀碼率來(lái)減少傳輸的信息量，以適應無(wú)線(xiàn)帶寬及抖動(dòng)。②實(shí)現視頻數據傳輸的QoS 機制，自己設計實(shí)現了3G 無(wú)線(xiàn)傳輸的QoS 機制，選用實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP 和RTP 配合使用，能以有效的反饋和最小的開(kāi)銷(xiāo)實(shí)現傳輸效率最佳化，因此保證了視頻質(zhì)量及其實(shí)時(shí)性。

1 系統架構及工作原理

本系統采用的是由達芬奇處理器（TMS320DM6446）、DDR2SDRAM（MT47H64M16）、NAND FLASH（K9F1208X0C）、視頻解碼器TVP5150、3G 芯片（中興MC8360）、GPS 衛星定位芯片加上外圍接口芯片的方案。CCD 攝像機采集模擬視頻信號傳入視頻解碼器內，進(jìn)行模/ 數轉換，輸出符合ITU-BT.656標準的數字視頻信號，然后將數字視頻信號傳到視頻處理子系統的前端進(jìn)行預處理，將數字視頻信號通過(guò)本人設計的OSD字幕添加算法加入白底黑邊字幕后，經(jīng)過(guò)Codec Engine 編碼后通過(guò)USB2.0 總線(xiàn)端口送入3G 傳輸芯片，無(wú)線(xiàn)傳輸到遠程視頻監控中心；達芬奇處理器檢測進(jìn)行衛星定位命令，通過(guò)串口接收GPS 衛星定位信息，然后將GPS 衛星定位信息傳入到3G 傳輸芯片，無(wú)線(xiàn)傳輸到遠程視頻監控中心，在地圖上標定其坐標點(diǎn)及其移動(dòng)軌跡。DM6446 上的DSP 端主要負責視頻編解碼工作，ARM 端做為控制視頻解碼芯片、3G 傳輸芯片、GPS 定位芯片和外圍接口芯片的控制器。系統硬件結構框圖如圖1 所示。


2 硬件方案設計

2.1 視頻采集與解碼設計

本設計中選用TI 公司的視頻解碼芯片TVP5150 完成視頻圖像的模/ 數轉換。TVP5150 是超低功耗、支持NTSC/PAL/S E C A M 等格式的高性能視頻解碼器，它正常工作時(shí)功耗僅115mW,并具有32 腳TQFP 超小封裝。它可以接收兩路CVBS或一路S-Video 信號，通過(guò)I2C 總線(xiàn)設置其內部寄存器，可以輸出8位4:2:2的ITU BT.656信號。

TVP5150 芯片采用14.31818 MHz 晶振做為輸入時(shí)鐘，數字和模擬輸入電壓為1.8V,IO 口電壓為3.3V;信號輸入有AIP1A 和AIP1B 兩路，并且都進(jìn)行阻抗匹配設計，防止對輸入信號的反射；YOUT[0:7]輸出8 路YcbCr 信號，行場(chǎng)同步信號選擇引腳HSYNC 和VSYNC 輸出；SCLK 引腳向DM6446 芯片輸出27MHz 時(shí)鐘信號，用來(lái)同步數據采集。

2.2 DDR2 SDRAM 內存接口設計

內存主要用來(lái)緩存視頻輸入圖像數據，存儲ARM 和DSP代碼等。DDR2 內存是一種新型高速、大容量的雙速率同步存儲器，相對于DDR,DDR2 具有更高的頻寬、更低的功耗、更好的高速效能。

本設計選用Micron 公司的MT47H64M16BT 型號DDR2芯片，該芯片單片容量為1Gb,提供16 位字長(cháng)數據總線(xiàn)接口，芯片采用1.8V 做為輸入電壓，其內存支持差分鎖存信號，可以保證電路在高速情況下準確的鎖存總線(xiàn)上的數據，使系統更加穩定可靠。為提高系統內存容量并最大限度利用DDR2控制器的32 數據總線(xiàn)，設計選用兩片MT47H64M16BT,分別作為數據總線(xiàn)的高低16 位，組成32 位數據總線(xiàn)、大小為256Mbyte 的內存系統。將兩片16 位DDR2 芯片與32 位總線(xiàn)的DDR2 控制器連接時(shí)，把數據總線(xiàn)和相應的數據選通信號及字節使能信號與相應DDR2 芯片分別連接，其它信號兩片DDR2 芯片公用。此時(shí)，32 位數據總線(xiàn)的DDR2 控制器可同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩片DDR2 芯片。

2.3 電源設計

本設計選用TI 公司的TPS75003 和TPS62040 電源管理芯片，T P S 7 5 0 0 3 具有兩路最大提供3 A 的拓撲電源和一路300mA LDO 電源，每個(gè)Buck 輸出電壓范圍在1.2V 至6.5V 之間，LDO 輸出電壓范圍在0.9V 至6.5V 之間，輸入電壓范圍在2.2V 至6.5V 之間。TPS62040 是高效異步開(kāi)關(guān)DC/DC 轉換電源，其轉換效率達到95%,輸入電壓范圍在2.5V 至6.0V,輸出電壓在0.7V 至6.0V,因此都可通過(guò)主電源+5V 供電。

系統電源分為+5V、+3.3V、+1.8V、+1.2V 四種，系統主供電電源為+5V,其余均由+5V 電源供給。因此，采用一片TPS75003 和一片TPS62040 完成系統四種電源的轉換。設計用TPS75003 的SW1 引腳經(jīng)過(guò)SI2323 續流整形后輸出1.2V 電壓用于DM6446 內核供電，IS1 引腳連接參考電壓，FB1 引腳接輸出1.2V 電壓作為反饋，SW2 引腳輸出3.3V 電壓用于DM6446 外設接口供電。TPS62040 的SW1 和SW2 引腳短接后輸出1.8V 電壓用于DM6446 存儲器接口供電，FB 引腳連接1.8V 作為反饋輸入。這樣，用一片TPS75003 和TPS62040 電源管理芯片就可以滿(mǎn)足本系統供電。TPS75003 和TPS62040電源轉換電路如圖2 所示。


3 軟件方案設計

本系統選用嵌入式MontaVista Linux操作系統平臺，其具有安全、穩定、高效率、高實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。本文系統軟件采用模塊化設計，從功能角度，其軟件體系結構主要劃分為以下五部分：采集模塊、編碼模塊、3G 傳輸模塊、GPS 衛星定位模塊、設備監測模塊。由于3G無(wú)線(xiàn)傳輸受到其帶寬的限制，如何能保證視頻圖像質(zhì)量和實(shí)時(shí)性尤為關(guān)鍵，因此，3G 傳輸模塊是系統軟件的核心部分。

3.1 采集模塊

本模塊主要完成視頻的采集、圖像格式轉換。采用V4L2接口采集攝像頭的視頻數據，V4L2 是Linux 下開(kāi)發(fā)視頻采集設備驅動(dòng)程序的一套規范，這套規范使用分層的方法給驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)提供了清晰的模型和一致的接口。應用程序處于最上層，V4L2 處于中間層，而硬件設備處于下層，從而通過(guò)驅動(dòng)程序，應用程序對設備的操作如同一個(gè)文件一樣，屏蔽了硬件設備的具體操作。

TVP5150 驅動(dòng)程序以包含在Linux內核中，本設計是基于該驅動(dòng)程序實(shí)現視頻采集的，視頻采集程序基本流程如圖3所示。


3.2 編碼模塊

本模塊主要完成了OSD 字幕信息添加及圖像的壓縮編碼。

設計中充分利用了Davinci 編解碼引擎接口進(jìn)行應用程序編程，對采集到的視頻數據進(jìn)行YUV 格式轉換后，通過(guò)自己設計的OSD 字幕算法加入OSD 字幕信息，采用優(yōu)化的TI 公司H.264 壓縮算法，對完成處理的YUV4:2:0 格式數據進(jìn)行幀間編碼壓縮。

OSD 字幕算法實(shí)現了在YUV 圖像上面添加中英文字幕信息，并可設置字體的字和邊界為兩種顏色，以在不同背景色下清晰顯示字體。其基本原理為根據字符的ASCII 從點(diǎn)陣字庫中讀入其點(diǎn)陣數據，進(jìn)行一次外圍邊界像素點(diǎn)擴展，這樣就可以判斷每位數據中為1 的相鄰8 個(gè)像素點(diǎn)對應位的值，為0則表示該點(diǎn)是字符的邊框，為1 則表示該點(diǎn)是字符邊框內的背景色。

3.3 3G傳輸模塊

本部分主要完成視頻數據及系統數據的3G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸，用于支持視頻監控及系統控制通訊等功能。設計中采用RTP/RTCP 協(xié)議配合使用，由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的不穩定性，加入了自適應幀碼率處理機制及QoS 處理機制，保證了視頻圖像質(zhì)量和實(shí)時(shí)性要求。其基本過(guò)程是壓縮編碼完成后，進(jìn)行視頻預存緩沖處理，對編碼數據進(jìn)行RTP 封包處理，然后經(jīng)過(guò)USB總線(xiàn)傳輸到3G 模塊中，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行發(fā)送；接收數據完成后，進(jìn)行命令解析處理，判斷是否有自適應或重傳控制命令，實(shí)現動(dòng)態(tài)調整幀碼率以降低無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸負載，或者通過(guò)預存緩沖機制提取出丟失視頻數據，完成重傳數據傳輸。

其3G 傳輸程序基本流程如圖4 所示。


3.4 GPS衛星定位模塊

設計中使用GPS統一標準的NMEA（National Marine ElectronicsAssociation）協(xié)議完成通訊解析，其主要實(shí)現了對GPS衛星定位數據的解析處理，并實(shí)時(shí)傳輸到遠程服務(wù)器軟件上，以對本3G 無(wú)線(xiàn)移動(dòng)監控系統平臺實(shí)現其位置信息、速度信息、方向信息、可用衛星數及狀態(tài)信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)監控顯示，從而在地圖上標定出移動(dòng)平臺的地理坐標、移動(dòng)軌跡及其狀態(tài)信息等。

3.5 設備監測模塊

本部分主要完成系統控制命令解析及其響應，以實(shí)現對云臺、鏡頭等設備的控制；各種報警事件的檢測與處理，如視頻丟失、視頻遮擋、移動(dòng)偵測報警等功能；系統運行狀態(tài)檢測處理，以實(shí)現系統運行出錯或崩潰的自動(dòng)重啟、系統程序的自動(dòng)升級、系統程序的恢復出廠(chǎng)設置等功能；系統運行權限及規則的檢測處理，以實(shí)現對使用者的權限分級管理和操作規則的合法化。

4 結論

基于3G無(wú)線(xiàn)移動(dòng)視頻監控系統已經(jīng)進(jìn)入內部測試階段并且功能強大，性能穩定，擴展性強，能夠很好的在3G 無(wú)線(xiàn)帶寬抖動(dòng)中進(jìn)行視頻監控，為移動(dòng)視頻監控應用打下了堅實(shí)的基礎，如移動(dòng)警車(chē)監控系統等。本文提出一種基于TI DM6446 的3G 移動(dòng)視頻監控系統設計方案，并進(jìn)行了系統硬件詳細設計和軟件模塊化詳細設計。該系統很好的解決了在視頻監控前段OSD 字幕信息添加和無(wú)線(xiàn)帶寬抖動(dòng)的問(wèn)題，從而使視頻監控流暢穩定。