基于Davicn的嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能視頻監控系統設計

0 引言

視頻監控技術(shù)經(jīng)歷了3個(gè)主要的發(fā)展階段：第1代是以磁帶存儲為主要特征的本地模擬視頻監控系統(VTR時(shí)代)；第2代是以ISDN網(wǎng)絡(luò )為基礎、并綜合應用數字壓縮、時(shí)隙交換和數字硬盤(pán)錄像機的數字視頻監控系統(DVR時(shí)代)；第3代是基于IP網(wǎng)絡(luò )的視頻監控系統。伴隨網(wǎng)絡(luò )技術(shù)數字視頻技術(shù)和圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監控正向智能化的方向發(fā)展，即智能視頻監控。與非智能化得視頻監控相比，智能視覺(jué)監控能實(shí)現主動(dòng)監控，采用智能算法對監控到的畫(huà)面進(jìn)行智能分析，進(jìn)而進(jìn)行相應的動(dòng)作。

智能視頻監控有基于PC機的智能視頻監控系統和嵌入式的智能視頻監控系統。兩者相比，嵌入式的智能視頻監控系統具有便攜、低功耗、應用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)勢，隨著(zhù)嵌入式智能視頻監控系統的大量應用、批量生產(chǎn)，其成本優(yōu)勢也將得到體現。嵌入式智能監控產(chǎn)品已是監控市場(chǎng)發(fā)展趨勢。

本文設計并實(shí)現了一種基于達芬奇DM6446平臺的嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能視頻監控系統，提出了一種新型的嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能視頻監控系統構架方案，該方案由視頻分析單元、視頻服務(wù)器、一級客戶(hù)端、二級客戶(hù)端組成的，文中系統地分析了各個(gè)部分的關(guān)鍵技術(shù)并給出了具體的設計、實(shí)現方案。多級客戶(hù)端的結構可以提供對多個(gè)嵌入式智能視頻監控器的系統管理，并可以實(shí)現對多個(gè)監控場(chǎng)景的全面、無(wú)縫監控。本系統基于davicnTMS320DM6446芯片實(shí)現，實(shí)驗表明該系統安全可靠，可擴充性強，應用靈活。

1 系統體系結構

如圖1所示，整個(gè)系統由視頻采集、視頻服務(wù)、智能視頻分析、智能客戶(hù)端、網(wǎng)絡(luò )存儲、電視墻等組成。視頻服務(wù)器負責整個(gè)系統的控制與協(xié)調；智能視頻分析單元負責實(shí)現視頻數據的智能分析；智能客戶(hù)端作為一級客戶(hù)端主要是實(shí)現流媒體的實(shí)時(shí)播放，與監控管理相關(guān)的各種控制操作，與智能視頻分析相關(guān)的規則設置、分析軟件的更新等；網(wǎng)絡(luò )存儲和電視墻作為二級客戶(hù)端分別用于視頻回放，實(shí)時(shí)視頻監視。


2 軟硬件實(shí)現

本系統基于TMS320DM6446的實(shí)現。TMS320DM6446是TIC6000系列中速度達到4 800 MIPS的雙核處理器，集成了高速C64x+DSP處理器和ARM926EJ2S處理器。針對DSP核具有高速的數據處理能力和ARM核優(yōu)于對外設進(jìn)行控制的特點(diǎn)，該系統中ARM主要負責內部數據傳輸控制、外設控制，即ARM作為視頻服務(wù)器，DSP作為智能視頻分析單元。
本系統的軟件分為3個(gè)部分：視頻服務(wù)器部分采用monta vista linux嵌入式操作系統；智能視頻分析單元運行匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的視頻分析算法，無(wú)單獨操作系統，由視頻服務(wù)器Linux來(lái)調度執行；智能客戶(hù)端在PC上VC++實(shí)現，智能客戶(hù)端和視頻服務(wù)器間的通信通過(guò)Socket實(shí)現。

3 功能模塊實(shí)現方案

3．1 視頻采集

系統采用TI公司的視頻解碼芯片TVP5146實(shí)現A／D轉換，由DM6446的I2C對其控制，數字信號經(jīng)過(guò)電平轉換后送至DM6446的VPFE模塊。

3．2 視頻服務(wù)器

視頻服務(wù)器由ARM子系統、控制子系統、VPSS、視頻自動(dòng)環(huán)出、外圍設置及控制電路組成，負責系統的控制與協(xié)調，視頻處理等。

視頻處理模塊VPSS(VPEE和VPBE)包括視頻的編解碼、視頻輸入輸出、視頻放大。DM6446中集成了VPSS。視頻信號輸入到視頻處理前端(VPEE)后直接通過(guò)EDMA方式送至DDR中指定的空間存儲。當VP5146轉換完一幀圖像，產(chǎn)生EDMA中斷信號，并在EDMA中斷服務(wù)程序中由DSP子系統完成智能視頻分析的任務(wù)。視頻數字信號經(jīng)處理后通過(guò)視頻后端(VPBE)放大經(jīng)網(wǎng)絡(luò )傳出，或者轉換成NTSL／PAL制式的電視信號傳輸到電視墻。
為了保證系統的魯棒性，本系統設計了視頻自動(dòng)環(huán)出功能。在視頻服務(wù)器或智能視頻分析單元出現故障的情況下，視頻自動(dòng)環(huán)出能控制視頻雙通道切換，直接輸出前端的復合視頻信號。在故障的情況下不影響視頻信號的傳輸，保證信號的連續性，保證系統的魯棒性。
另外視頻服務(wù)器中還包含網(wǎng)絡(luò )接口模塊、存儲模塊、電源管理與復位模塊、串口模塊等。

3．3 智能視頻分析單元

智能視頻分析單元負責對視頻圖像進(jìn)行編解碼、分析，得到對監控場(chǎng)景的理解，智能視頻分析系統的性能很大程度上依賴(lài)于其中智能視頻分析算法的精度和效率，所以算法的合理設計至關(guān)重要。目前智能視頻分析算法有很多種，但各自有其局限性，為某一應用選擇合適的算法，往往從速度、精度還有應用范圍等方面做綜合權衡。本系統主要針對禁區入侵智能監控的應用，為該應用設計了一套快速實(shí)用的智能視頻分析算法，其視頻分析過(guò)程如圖2所示。

本系統中的智能視頻分析單元由DM6446的DSP內核運行智能視頻分析算法來(lái)實(shí)現。

3．4 智能客戶(hù)端

智能客戶(hù)端作為監控者與視頻服務(wù)器的人機交互在智能監控系統中扮演著(zhù)重要作用，本系統在PC機Windows VC++6．0環(huán)境下實(shí)現，智能客戶(hù)端與視頻服務(wù)器之間采用C-S的模式構建，客戶(hù)端程序采用了2個(gè)類(lèi)對象分別來(lái)實(shí)現人機界面功能、網(wǎng)絡(luò )通信功能，其與視頻服務(wù)器之間的數據流圖如圖3所示。

智能客戶(hù)端能自動(dòng)搜索局域網(wǎng)中所有的設備(嵌入式智能視頻監控器)，并對搜索到的設備提供身份驗證、實(shí)時(shí)視頻場(chǎng)景監控，用戶(hù)權限管理、日期時(shí)間管理、設備信息管理、報警規則設置、報警任務(wù)設置，報警信息查詢(xún)、固件升級等服務(wù)。

智能客戶(hù)端本身不存在有數據的存取，其每一個(gè)操作都必須與視頻服務(wù)器通信，多個(gè)操作可能會(huì )同時(shí)發(fā)生(例如：固件升級和報警產(chǎn)生同時(shí)發(fā)生)，本系統中采用多線(xiàn)程的方式來(lái)實(shí)現多個(gè)任務(wù)的并行或串行，分別為自動(dòng)搜索設備線(xiàn)程、配置數據通信線(xiàn)程、視頻場(chǎng)景監控線(xiàn)程、固件升級線(xiàn)程，其流程圖如圖4所示。

客戶(hù)端系統啟動(dòng)后，進(jìn)入到自動(dòng)搜索界面，創(chuàng )建自動(dòng)搜索設備線(xiàn)程，在該線(xiàn)程中與視頻服務(wù)器通信，采用TCP／IP協(xié)議，確認對方設備在工作狀態(tài)后，顯示所有正常工作的設備，創(chuàng )建配置數據通信線(xiàn)程、視頻場(chǎng)景監控線(xiàn)程，并銷(xiāo)毀自動(dòng)搜索設備線(xiàn)程。

配置數據通信線(xiàn)程負責顯示視頻服務(wù)器端發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，發(fā)送用戶(hù)的配置數據給視頻服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò )通信采用TCP／IP協(xié)議。

視頻場(chǎng)景監控線(xiàn)程實(shí)現解碼視頻圖像并顯示，網(wǎng)絡(luò )通信采用UDP協(xié)議，在該線(xiàn)程中使用了CXIMAGE類(lèi)對象來(lái)解碼和顯示視頻圖像。配置數據通訊線(xiàn)程和視頻場(chǎng)景監控線(xiàn)程在客戶(hù)端程序運行時(shí)一直存在。

固件升級線(xiàn)程只有在用戶(hù)進(jìn)行了“版本升級”操作時(shí)才啟用，其中的網(wǎng)絡(luò )通信采用FTP協(xié)議，當固件升級完畢，銷(xiāo)毀該線(xiàn)程。

3．5 二級容尸端

二級客戶(hù)端包括網(wǎng)絡(luò )存儲單元和電視墻。

網(wǎng)絡(luò )監控存儲單元通過(guò)DM6446的ATA接口，存儲經(jīng)過(guò)智能視頻分析后的視頻數據，以供監控視頻回放。由于存放的是處理后的視頻數據，可以實(shí)現智能搜索，從海量的視頻數據中迅速定位，大大提高系統的使用效率。智能客戶(hù)端(一級客戶(hù)端)本身沒(méi)有存儲功能，只提供實(shí)時(shí)監控功能，網(wǎng)絡(luò )監控存儲單元作為智能記憶單元，為一級客戶(hù)端提供時(shí)間上的補充。
智能客戶(hù)端主要的功能在于配置管理視頻服務(wù)器，在監控功能上只能提供一個(gè)場(chǎng)景點(diǎn)的監控。電視墻可同時(shí)監控多個(gè)場(chǎng)景，給系統提供更加全面完善的監控，為一級客戶(hù)端提供空間上的補充。

4 系統測試

本文提出的構架方案和實(shí)現方案已通過(guò)測試。圖5～圖7為某場(chǎng)景禁區入侵測試報警效果截圖。其中圖5為某室內場(chǎng)景圖，圖6中為該場(chǎng)景設置了禁區規則，圖中的黑色粗實(shí)線(xiàn)就是通過(guò)客戶(hù)端設置的禁區絆線(xiàn)，從線(xiàn)上通過(guò)則會(huì )觸發(fā)報警，圖7為規則觸犯后報警圖，線(xiàn)框部分為檢測到的入侵目標。


5 結語(yǔ)

提出了一種新型的嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能視頻監控的構架方案，并給出了具體的實(shí)現方案，該方案實(shí)現的系統采用集中式統一管理，多點(diǎn)分布式布控，可以應用于多場(chǎng)景、多點(diǎn)監控。系統采用多級客戶(hù)端結構，一級客戶(hù)端提供集中式統一管理，二級客戶(hù)端提供對多個(gè)監控場(chǎng)景的全面、無(wú)縫監控?？蓴U展性強，系統中可以隨時(shí)加入新的布控點(diǎn)，智能客戶(hù)端通過(guò)重新搜索功能就可實(shí)現對新布控點(diǎn)的控制和管理。智能視頻分析算法可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )更新；針對不同的場(chǎng)景、監控的不同要求，可以采用不同的智能視頻分析算法，提供個(gè)性化的視頻智能分析服務(wù)，這些都給系統的應用帶來(lái)極大的靈活性。