基于TMS320DM643的視頻監控系統的設計

摘要：以TMS320DM643為核心，結合視頻編解碼芯片等設計了高性能的視頻監控系統。詳細說(shuō)明了視頻處理的相關(guān)核心硬件結構；及其在動(dòng)態(tài)圖像序列背景中，運動(dòng)目標的識別與跟蹤的軟件設計。整個(gè)系統采用DM643對視頻數據進(jìn)行處理，通過(guò)實(shí)際應用證明該方案具有高速視頻輸入輸出能力，為視頻編解碼算法開(kāi)發(fā)、視頻處理產(chǎn)品設計搭建了高性能的平臺。

一、引言
隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，視覺(jué)監控系統得到了很大的普及，特別是在911事件后，全世界都加強了反恐意識，飛機場(chǎng)，銀行，停車(chē)場(chǎng)，超市等公共場(chǎng)所被安放了大量的監控設備，對場(chǎng)景進(jìn)行全天候的監控。但是，實(shí)時(shí)視頻的處理對系統有著(zhù)嚴格的要求，特別是是常見(jiàn)的處理中總包含這大量的乘加法等運算，而且視頻總是有著(zhù)多種格式和特殊的顯示要求，故實(shí)時(shí)的視頻處理系統的設計無(wú)論是在硬件上還是軟件上都具有更高更嚴的要求?；诖吮疚奶岢隽艘环N基于DM643的嵌入式實(shí)時(shí)視頻處理系統，DM643具有DM642的功能，并且價(jià)格更便宜。
二、系統的硬件設計
該系統是以DSP控制模塊為核心，由存儲模塊、視頻輸入模塊、視頻輸出模塊、通訊模塊以及電源模塊等構成。

圖1 硬件框圖

1、視頻編、解碼模塊
視頻解碼模塊的主要功能是將從攝像頭采集來(lái)的PAL/NTSC復合視頻信號進(jìn)行采樣、量化得到任意分辨率的數字信號，為DM643提供視頻流。視頻解碼器選用的是TI公司的TVP5150視頻解碼芯片。該芯片是一個(gè)高性能數字視頻解碼器，可以將NTSC/PAL制模擬視頻信號轉換成BT.656格式的標準數字視頻信號（YUV4:2:2）。下面是視頻解碼的濾波部分電路圖：

圖2 濾波電路圖

視頻解碼器TVP5150視頻信號輸入范圍為0.75Vpp，而外部視頻信號輸入范圍一般為1Vpp，所以外部視頻輸入與TVP5150視頻輸入之間串接到地分壓電阻網(wǎng)絡(luò )，以達到TVP5150所需的輸入電平。
DM643支持標準的BT.656格式的數字視頻數據流的輸入格式，能與TVP5150的視頻數據流進(jìn)行無(wú)縫連接。下面是連接圖：

圖3 連接圖

其中，VP1CLK0作為視頻源的輸入時(shí)鐘，VP1CTL0、VP1CTL1和VP2CTL2則分別作為視頻源的CAPEN/AVID/HSYNC、VBLNK/VSYNC、FID輸入同步信號。
視頻解碼模塊采用的視頻編碼器SAA7105支持PAL與NTSC格式的視頻編碼輸出；同時(shí)可提供分辨率為1280*1024的VGA視頻輸出，可直接驅動(dòng)PC顯示器。
2、存儲模塊
存儲模塊主要由FLASH和SDRAM組成。FLASH存儲器具有可在系統進(jìn)行電擦寫(xiě)，掉電后信息不丟失的功能，用它來(lái)保存系統自啟動(dòng)代碼以及系統程序代碼，SDRAM存儲器的存取速度較高，用它來(lái)存放系統運行時(shí)的代碼以及臨時(shí)圖像數據。該系統擴展的SDRAM存儲器是4M*64位的，擴展的FLASH存儲器是4M*8位的。
3、DSP核心模塊
該模塊主要實(shí)現整個(gè)系統的控制，完成運動(dòng)目標檢測算法運算，和向串行通行模塊發(fā)送控制指令。算法主要采用相位相關(guān)配準算法。該模塊是由TI公司的TMS320DM643來(lái)實(shí)現的，DM643的特點(diǎn)是工作主頻高達600MHZ，處理性能可達4800MIPS。
4、串行通信模塊
該模塊實(shí)現的功能是DSP芯片通過(guò)異步串行總線(xiàn)RS-485向機械控制電路(云臺)發(fā)送指令，實(shí)現攝像頭的自動(dòng)跟蹤。該系統采用的是TL16C752通用異步收發(fā)器UART，它采用8位異步并行存儲器接口，并采用+3.3V電源供電，可以與DM643的外部存儲器接口（EMIF）直接連接。

圖4 串口連接圖

5、網(wǎng)絡(luò )接口模塊
DM643上HPI和EMAC是復用的，這里根據系統需要只用了EMAC（以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器）。其中EMAC+MDIO用于為以太網(wǎng)物理層（PHY）器件提供接口，其中EMAC為接口以太網(wǎng)PHY提供數據通路，MDIO為接口以太網(wǎng)PHY提供管理信息通路。即EMAC控制PHY與DSP之間的數據包的交換，MDIO控制PHY的配置與狀態(tài)信息的監測。

圖5 網(wǎng)絡(luò )接口

6、電源模塊
本系統采用TPS54310的專(zhuān)用電源芯片，輸入為5V，輸出為1.4V和3.3V，分別給DSP內核和I/O端口供電，產(chǎn)生另外一個(gè)3.3V給視頻編解碼及其他芯片供電。注意這兩個(gè)3.3V電源要分開(kāi)設計，以免電源噪聲相互干擾。把1.4V模塊的電源輸出有效引腳PG連接到3.3V模塊的允許電壓輸入引腳EN。這樣，只有當1.4V電壓有效之后，3.3V電壓才開(kāi)始上電，這就保證了DM643的內核電壓先于I/O電壓上電。下面是產(chǎn)生1.4V的電路。

圖6 電源部分電路圖

三、系統的軟件設計
系統的軟件部分分為系統初始化、視頻數據采集模塊、主處理模塊、串口發(fā)送控制指令模塊、FLASH在線(xiàn)下載模塊五部分。其中主處理模塊是系統的核心算法部分，該系統的核心算法是基于快速傅立葉變換（FFT）的相位相關(guān)配準算法。其工作原理為：首先它通過(guò)FFT運算計算出相鄰兩幀圖像的功率譜；其次將兩個(gè)功率譜進(jìn)行單位歸一化得到相位譜并對相位譜進(jìn)行互相關(guān)操作；經(jīng)過(guò)對相位相關(guān)譜進(jìn)行IFFT運算獲得相位相關(guān)函數；然后檢測這一互相關(guān)函數的最高峰及其坐標值(p,q)，該坐標值就是兩幀圖像背景部分的偏移量；最后對兩幀圖像進(jìn)行二次差分操作，得到運動(dòng)目標位置。下面是該算法的流程圖：

圖7 軟件算法流程圖

四、結論
本文根據成本、運算量等要求，合理選擇了TMS320DM643作為主處理芯片，以相位相關(guān)配準算法為核心算法，實(shí)現實(shí)時(shí)運動(dòng)圖像識別系統。本系統設計結構合理、全面，通過(guò)串口能夠控制云臺的轉動(dòng)，從而實(shí)時(shí)的追蹤目標，提高監控的效果。顯示部分能夠實(shí)時(shí)的觀(guān)察到圖像，網(wǎng)口的設計也能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。本文描述了一個(gè)完整的視頻處理系統，該系統具有很強的實(shí)用性和擴展性，可以作為核心模塊應用到各種高性能的視頻系統中。