遠程多媒體監控系統的軟硬件開(kāi)發(fā)

摘要：介紹了單機多媒體監控系統的軟、硬件實(shí)現方法以及系統的功能等。著(zhù)重描述了基于高速ＤＳＰ芯片的系統各模塊組成、原理及具體的設計方法。最后，從技術(shù)和社會(huì )效益角度對系統進(jìn)行了展望。本系統具有廣闊的應用前景。

關(guān)鍵詞：多媒體 數字信號處理器 數據通信 數據壓縮

在一些重要的單位，例如金融機構的營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)，為了實(shí)現及時(shí)地報警，報警裝置能夠自動(dòng)撥號報警或人工撥號報警。然而，保安人員或警務(wù)人員接到報警信號后，在不了解現場(chǎng)情況下就立即趕到報警點(diǎn)，這種比較盲目的方式給事件的妥善處理帶來(lái)了不利的因素。所以，對于處理報警的工作人員迫切需要在收到報警信號的同時(shí)能直觀(guān)地獲取現場(chǎng)圖象及聲音，為準確、及時(shí)地處理突發(fā)事件提供參考。另外，在一些工業(yè)部門(mén)中，很多設施和崗位要實(shí)行２４小時(shí)無(wú)人職守，完成諸如遙視、遙控等信息的傳輸，對于這種分布廣、持續工作時(shí)間長(cháng)的應用場(chǎng)合，采用自動(dòng)的遠程監控系統是比較合適的解決方案。

現在，國內的部分地區和部門(mén)開(kāi)始應用多媒體通信技術(shù)實(shí)現公共安全防范。然而，他們采用的設備大多是基于ＰＣ機插卡式的系統，或是國外的單機設備。這些設備要么實(shí)用性差，要么價(jià)格昂貴，使得多媒體遠程監控技術(shù)難以普及和推廣。

在此背景下，我們和廈華電子合作，研制開(kāi)發(fā)了單機的監控系統。本系統參照ＩＴＵ－Ｈ．３２４協(xié)議中的通信協(xié)議構建通信過(guò)程，采用高速ＤＳＰ技術(shù)，用軟件實(shí)現音頻和視頻的壓縮編碼，試圖以新技術(shù)為基礎，用最簡(jiǎn)化的硬件結構，力求最高的性能價(jià)格比，獲得較好的社會(huì )效益。

１ 系統構成及功能簡(jiǎn)介

１.１ 系統構成介紹

遠程多媒體監控系統是一種遠程圖像、語(yǔ)音自動(dòng)傳輸監控裝置，由監控點(diǎn)的終端機和控制中心的主控微機兩大部分組成（見(jiàn)圖１）。終端機的主要功能及構成是：通過(guò)Ａ－Ｌａｗ ＣＯＭＢＯ ＣＯＤＥＣ器件ＴＰ３０５７采集監控點(diǎn)的語(yǔ)音信號，形成ＰＣＭ信號；由圖像編碼器ＢＴ８１９Ａ采集監控點(diǎn)的原始圖像信號，形成數字視頻信號；把浮點(diǎn)數字信號處理器ＡＤＳＰ２１０６１作為系統的圖像協(xié)處理器，控制視頻圖像采集、存儲并實(shí)現視頻圖像的實(shí)時(shí)壓縮處理（符合Ｈ．２６３建議）；用定點(diǎn)數字信號處理器ＡＤＳＰ２１８１作為整個(gè)系統的主控處理器，在完成音頻采集和語(yǔ)音的實(shí)時(shí)壓縮處理（符合Ｇ．７２３．１建議）的同時(shí)，還完成對監控點(diǎn)實(shí)施數據采集與控制、通過(guò)ＭＯＤＥＭ與主機交互命令并把圖像和語(yǔ)音的編碼數據按一定的格式打包，通過(guò)ＭＯＤＥＭ送到遠端的主機等操作；經(jīng)過(guò)打包后的編碼數據由ＡＤＳＰ２１８１送出，這里使用異步通信器件ＴＬ１６Ｃ５５０Ｂ連接ＤＳＰ和ＭＯＤＥＭ，這樣做簡(jiǎn)化了ＤＳＰ軟件的實(shí)現，提高了系統的可靠性和可擴展性。

１.２ 系統功能與組網(wǎng)配置

系統具有的主要功能如下：

·報警聯(lián)動(dòng)功能：當報警探測器被觸發(fā)時(shí)，就自動(dòng)切換到指定的攝像機，同時(shí)開(kāi)始發(fā)送現場(chǎng)采集的圖像和聲音信息。

·遠程監視功能：可通過(guò)普通電話(huà)線(xiàn)在異地進(jìn)行可視化監視，包括切換不同攝像畫(huà)面、靜止或活動(dòng)圖像，并可遠程控制現場(chǎng)有關(guān)設備工作。

·數字化處理功能：可以將攝像圖像以數字方式保存在電腦硬盤(pán)或其他各種存儲設備中，實(shí)現各種數字化處理過(guò)程，如打印、轉換、檢索等。

·方便的組網(wǎng)功能：控制中心可以通過(guò)電話(huà)網(wǎng)對監控終端機進(jìn)行配置，包括：使用許可證書(shū)、控制中心電話(huà)號碼、終端機編號、缺省數據等，即可完成系統的組網(wǎng)（見(jiàn)圖２）。系統可連接的監控終端機數量不限。

２ 系統的硬軟件實(shí)現

２.１ 系統終端機硬件設計

系統終端機按功能劃分成以下幾個(gè)主要部分：處理器核心、模擬數據接口、圖像采集控制、串行控制器接口。

處理器核心 我們考慮到圖像和語(yǔ)音的壓縮編碼處理需要較大的運算量和內存空間，所以采用了兩片ＤＳＰ芯片分別進(jìn)行圖像和語(yǔ)音的壓縮編碼。監控終端機的系統處理器核心部分是由ＡＤＳＰ２１０６１（圖像協(xié)處理器）與外擴的ＳＲＡＭ、ＡＤＳＰ２１８１（主控處理器）和各自的ＥＰＲＯＭ組成。這兩個(gè)處理器芯片之間的通信是通過(guò)其內部的全雙工同步串口的異步應答方式實(shí)現的。

硬件連接主要是通過(guò)兩個(gè)幀同步信號ＲＦＳ／ＴＦＳ（接收幀同步／發(fā)送幀同步）的交叉互連，兩個(gè)主機分別把ＲＦＳ設成外部輸入、ＴＦＳ設成內部產(chǎn)生輸出。對于發(fā)送端來(lái)說(shuō)，當發(fā)送寄存器中的數據有效時(shí)產(chǎn)生ＴＦＳ信號；同時(shí)，對于接收端來(lái)說(shuō)，當在ＲＦＳ信號線(xiàn)上收到ＲＦＳ信號時(shí)就會(huì )按照ＳＣＬＫ的時(shí)鐘時(shí)序接收ＤＲ上的數據，這樣經(jīng)串口發(fā)送和接收的數據幀都是對齊的（見(jiàn)圖３）。

模擬數據接口 模擬接口采集外界環(huán)境的原始圖像、語(yǔ)音信息進(jìn)行處理。分為圖像接口和語(yǔ)音接口兩個(gè)部分。語(yǔ)音信號模擬部分的作用主要在錄音的過(guò)程中將輸入的語(yǔ)音信號放大、帶通濾波后送入ＣＯＭＢＯ ＣＯＤＥＣ濾波器中進(jìn)行Ａ／Ｄ轉換。放大部分采用普通的運放電路，構成一個(gè)同相放大電路，使得輸入的信號在Ａ／Ｄ采樣的范圍內，從而可以提高量化的精度（見(jiàn)圖４）。

視頻信號的采樣、量化采用ＢＴ８１９Ａ，將采集的圖像數據通過(guò)ＡＤＳＰ２１０６１的外部ＤＭＡ通道７（設置該通道功能為數據由外部設備傳入到外部指定的地址中的ＤＭＡ功能）實(shí)現。ＢＴ８１９Ａ是一種單片視頻解碼芯片，可以支持ＰＡＬ／ＮＴＳＣ／Ｓ－ＶＩＤＥＯ標準的視頻采集設備（見(jiàn)圖５）。

圖像采集控制 圖像采集控制部分是終端機設計中的關(guān)鍵部分。因為圖像的采集和轉換要求速度快，并且不能占用系統過(guò)多的資源，所以本部分的設計關(guān)系到整個(gè)系統的性能。

由上面的介紹可以知道，圖像的Ａ／Ｄ轉換是通過(guò)ＢＴ８１９Ａ來(lái)實(shí)現的。但是ＢＴ８１９Ａ沒(méi)有提供對圖像數據的幀存能力，因此ＢＴ８１９Ａ轉換后的數據需要在ＡＤＳＰ２１０６１的ＤＭＡ控制器的參與下送入ＡＤＳＰ２１０１６１的外擴存儲器中實(shí)現幀存，這個(gè)過(guò)程需要ＡＤＳＰ２１０６１與ＢＴ８１９Ａ通過(guò)譯碼邏輯實(shí)現。ＢＴ８１９Ａ提供兩種圖像數據接口，我們采用（異步圖像數據接口）ＡＰＩ模式Ｂ，在該模式下異步圖像數據接口送出圖像數據格式為ＹＵＶ４２２的１６ｂｉｔ數據。系統將ＢＴ８１９Ａ作為ＡＤＳＰ２１０６１的外部設備，同時(shí)，ＡＤＳＰ２１０６１的外擴存儲器作為ＢＴ８１９Ａ的視頻緩沖器。由于ＡＤＳＰ２１０６１的ＤＭＡ控制器支持從外部設備到外部的存儲器的ＤＭＡ傳送方式，這樣在此傳輸方式下，ＡＤＳＰ２１０６１就可以響應外部設備ＤＭＡ請求信號，執行ＤＭＡ過(guò)程，將相應的數據寫(xiě)入外部存儲器中。ＡＤＳＰ２１０６１所收到的ＤＭＡ請求信號是由ＢＴ８１９Ａ送出的圖像數據接口控制信號經(jīng)過(guò)譯碼得到的。

串行控制器接口 經(jīng)過(guò)壓縮編碼的圖像和語(yǔ)音碼流在ＡＤＳＰ２１８１內部打包處理后，通過(guò)ＭＯＤＥＭ經(jīng)過(guò)ＰＳＴＮ傳送到遠端的中心控制機。因此需要考慮設計一個(gè)ＡＤＳＰ２１８１與ＭＯＤＥＭ之間的接口，通過(guò)ＡＤＳＰ２１８１與ＴＬ１６Ｃ５５０Ｂ的一個(gè)數據接口來(lái)實(shí)現這個(gè)功能，具體的設計思想是將ＴＬ１６Ｃ５５０Ｂ的數據寄存器映射成為ＡＤＳＰ２１８１的外部存儲器，這樣對ＴＬ１６Ｃ５５０Ｂ內部寄存器的讀寫(xiě)控制就變?yōu)閷Γ粒模樱校玻保福逼獯鎯ζ鞯脑L(fǎng)問(wèn)。

２.２ 系統終端機軟件設計

為了保證各媒體數據傳輸的完整性和實(shí)時(shí)性，需要對各媒體信源進(jìn)行高速壓縮、對各媒體的碼流數據進(jìn)行恰當的組織，而且還將對各媒體數據進(jìn)行同時(shí)處理。

然而如果通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)在單片數字信號處理器上同時(shí)處理多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)是很困難的，因為對于單個(gè)的微處理器來(lái)說(shuō)它的運行總是串行的。在我們的系統控制中遇到的正是這個(gè)問(wèn)題：ＡＤＳＰ２１８１不但要進(jìn)行整個(gè)系統流程的控制，還要進(jìn)行Ｇ．７２３．１的語(yǔ)音編碼，這兩個(gè)任務(wù)都是要在系統運行期間不間斷運行的。在具體實(shí)現時(shí)，我們把實(shí)時(shí)語(yǔ)音編碼的部分作為主程序，這樣可以保證語(yǔ)音信號處理的連貫性；而系統功能的主要流程在ＡＤＳＰ２１８１的Ｔｉｍｅｒ中斷中完成。為了實(shí)現這樣的操作，我們把系統功能的主流程分成了幾個(gè)階段，程序中通過(guò)設置一個(gè)標志位，來(lái)引導系統進(jìn)入不同的運行階段，完成不同的功能及操作。這樣兩個(gè)任務(wù)就可以分時(shí)地享用ＤＳＰ的運行時(shí)間，類(lèi)似于多任務(wù)操作系統中的分時(shí)間片操作。

Ｔｉｍｅ中斷服務(wù)子程序所實(shí)現的是系統功能的主流程：由監控點(diǎn)觸發(fā)報警或是主控微機主動(dòng)巡視來(lái)啟動(dòng)系統，先按缺省方式傳送各路攝像頭的實(shí)時(shí)圖像和監控點(diǎn)的實(shí)時(shí)語(yǔ)音，再進(jìn)入等候狀態(tài)，等待主控機的命令并進(jìn)行相應的操作。主程序進(jìn)行語(yǔ)音的實(shí)時(shí)編碼，如圖６所示。

因為語(yǔ)音采集和語(yǔ)音編碼是同時(shí)進(jìn)行的，為了提高系統處理的效率、保證語(yǔ)音數據的連貫性，在需要處理語(yǔ)音數據的地方我們都使用了雙緩沖，數據處理的焦點(diǎn)在兩個(gè)緩沖區之間切換。這樣做可以保證對語(yǔ)音的８ｋＨｚ采樣不會(huì )丟失樣本點(diǎn)，不會(huì )因為數據暫時(shí)來(lái)不及送到電話(huà)線(xiàn)上而發(fā)生丟失。

另外，對將要通過(guò)ＭＯＤＥＭ發(fā)送的數據也采用了雙緩沖技術(shù)。ＭＯＤＥＭ備用（錄入）緩沖區的數據來(lái)自語(yǔ)音緩沖區或是圖像緩沖區：當發(fā)現ＭＯＤＥＭ備用緩沖區空閑時(shí)，先查詢(xún)當前的語(yǔ)音緩沖區是否有數據，如果當前語(yǔ)音緩沖區數據有效，則錄入到此ＭＯＤＥＭ備用緩沖區中；如果當前語(yǔ)音緩沖區數據無(wú)效才進(jìn)一步查詢(xún)圖像緩沖區。當ＭＯＤＥＭ當前（輸出）緩沖區不空閑時(shí)，就通過(guò)ＴＬ１６Ｃ５５０向ＭＯＤＥＭ發(fā)送其中的數據。語(yǔ)音／圖像數據的傳送是各自相對獨立的，這個(gè)情況相當于把兩個(gè)邏輯信道（語(yǔ)音／圖像）加在一個(gè)物理信道上傳輸。

２.３ 系統控制中心軟件設計

控制中心微機主要進(jìn)行有關(guān)監控數據的接收和處理，還可以進(jìn)行新登記入網(wǎng)監控點(diǎn)的組網(wǎng)配置?？刂浦行能浖ぷ髟冢祝椋睿洌铮鳎螅梗担梗钙脚_上，充分利用了Ｗｉｎｄｏｗｓ９５／９８下的多線(xiàn)程機制和消息驅動(dòng)機制。程序是以串口監聽(tīng)線(xiàn)程為工作核心，監聽(tīng)串口（也可以說(shuō)是監聽(tīng)電話(huà)線(xiàn)／ＭＯＤＥＭ）上的信號，當接收到載波信號及報警終端送來(lái)的用戶(hù)信息后，就向有關(guān)窗口發(fā)送連接成功消息ＩＤＭ＿ＵＳＥＲ＿ＧＯＴ＿ＣＡＲＲＩＥＲ和ＩＤＭ＿ＵＳＥＲ＿ＣＯＮＮＥＣＴＥＤ。定義成兩個(gè)消息是為了進(jìn)行其他誤呼入載波信號的處理，只有進(jìn)行過(guò)身份確認的呼入信號才能繼續工作。

在連接建立后的工作中，對語(yǔ)音包和圖像數據包分開(kāi)處理。對接收到的語(yǔ)音包，立即進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼，為了防止語(yǔ)音緩沖區的重入和覆蓋，把解碼后的數據鏈入一個(gè)鏈表結構中（５０個(gè)幀存入一個(gè)表項），放音的時(shí)候再從鏈表頭提取一個(gè)表項進(jìn)行播放。為了保證語(yǔ)音信號播放的流暢性，我們?yōu)檎Z(yǔ)音的播放啟動(dòng)單獨的線(xiàn)程。當一次的放音結束時(shí)，系統會(huì )產(chǎn)生一個(gè)消息ＭＭ＿ＷＯＭ＿ＤＯＮＥ，這樣可以在這個(gè)消息的處理函數中進(jìn)行新的處理過(guò)程。收到的圖像數據包直接送入解碼緩沖區進(jìn)行解碼，成功地解出一幀圖像后就在指定的設備上下文中顯示?？紤]到信道上可能的錯誤情況和實(shí)際需求，對Ｈ．２６３的解碼程序做了補充，增強了穩定性，使系統即使在碼流出錯的情況下仍能復原并盡可能多的解出出錯圖像，還可以在不同格式間自由切換。

綜上所述，如果采用最新的高性能ＤＳＰ芯片來(lái)實(shí)現數字監控系統，將得到更高的圖像處理能力，同時(shí)可以在不改變系統的前提下，采用更高效率的算法來(lái)實(shí)現語(yǔ)音和圖像編、解碼，更好的滿(mǎn)足實(shí)際需要。文中所介紹的各種方法，不僅可以應用在遠程多媒體監控系統中，還可以應用在其他涉及遠程數據傳輸、信息交互等技術(shù)的單機或非單機系統中。監控系統不但可以應用在銀行、倉庫等重要部門(mén)，還可以應用于遠程醫療、診斷、維護和教學(xué)以及家庭監控等場(chǎng)合。因此采用了高速ＤＳＰ技術(shù)的遠程多媒體終端系統有著(zhù)廣泛的實(shí)用價(jià)值和社會(huì )效益。