基于A(yíng)DSP-BF532嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器研究

目前，視音頻技術(shù)在各項工作和生活領(lǐng)域中得到了廣泛應用，還為人們提出了高效的傳輸平臺以及接入和處理手段。多媒體監控系統以其能夠實(shí)時(shí)、形象、真實(shí)地反映被監控對象的特性而逐漸成為現代化管理、檢測、控制的重要技術(shù)手段之一。而網(wǎng)絡(luò )視頻技術(shù)的一個(gè)主要熱點(diǎn)就是嵌入數字視頻監控系統。在基本嵌入式遠程視頻監控系統的研究中，國外起步較早，并處于領(lǐng)先水平，已經(jīng)有成熟的嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)產(chǎn)品，采用MPEG或者小波壓縮方法，其性能普遍比較好，但價(jià)格昂貴。國內在這方面的研究還處于剛剛起步的階段，隨著(zhù)數字技術(shù)的發(fā)展，圖像數據壓縮編碼技術(shù)及標準的改進(jìn)，芯片成本的不斷下降，從事研究的單位也就越來(lái)越多。本系統利用美國ADI公司2004年4月最新推出的ADSP-BF532 DSPCPU芯片實(shí)現嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器，將其用于構建高可靠性的視頻監控系統。ADSP-BF532摒除了基于傳統架構的傳統DSP和RISC控制器不能滿(mǎn)足視頻應用的廣泛性、靈活性以及標準的多樣性的缺隱，利用ADI公司采用的全新的MSA架構技術(shù)，充分滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)多媒體數字信號處理的要求。本文研究的嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器的設計方案，與傳統的多媒體監控系統相比，具有何種小、成本低、穩定性高和實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，有很強的實(shí)際應用價(jià)值。

　
1 嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器的原理

嵌入式視頻服務(wù)器是一種提供網(wǎng)絡(luò )視頻傳輸和共享的嵌入式設備。它采用嵌入式一體化結構，以面向實(shí)時(shí)處理的軟件平臺，集成了多通道視頻、網(wǎng)絡(luò )傳輸等多種功能，將視頻和音頻信號進(jìn)行采集、壓縮、復合后轉換為網(wǎng)絡(luò )IP包，采用合適的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)現了視頻和音頻壓縮數據流的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )傳輸，使得用戶(hù)無(wú)論身在何處都能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )獲得指定現場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像和聲音信息。此外，通過(guò)視頻服務(wù)器內置的一個(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器，還能實(shí)現對視頻服務(wù)器的遠程配置和其他附屬設備的遠程控制與狀態(tài)獲取。

由于把視頻壓縮和網(wǎng)絡(luò )功能集中到一個(gè)體積很小的設備內，可以直接連入局域網(wǎng)，達到即插即看，省掉多種復雜的電纜，安裝方便（僅需要設置一個(gè)IP地址）。用戶(hù)也無(wú)需安裝任何硬件設備，僅用瀏覽器即可觀(guān)看，也可以在上端主機編制控制程序，通過(guò)人機界面進(jìn)行瀏覽。

2 系統的硬件設計

基于ADSP-BF532的嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器的主要硬件功能模塊為：視頻輸入模塊、核心的ADSP-BF532CPU、視頻輸出模塊、外部存儲塊、仿真調試接口（JTAG）模塊以及電源模塊。

圖1為該系統組成結構圖，具體設計如下：系統前端視頻采集由ADV7183實(shí)現，視頻數據采集格式為YUV422Planar，采集的數據經(jīng)過(guò)ADSP-BF532的PPI接口直接存儲在SDRAM里，ADV7183在自己的時(shí)鐘控制下通過(guò)PPI接口自動(dòng)向SDRAM單元送數據，當采集完一場(chǎng)數據時(shí)DMA產(chǎn)生中斷，在DMA的中斷服務(wù)程序里根據實(shí)際設定情況完成視頻處理；音頻采集由AD1836以及外圍相應的電路來(lái)實(shí)現，音頻采集格式為單聲道，8000Samples/s，每個(gè)采樣用16Bits量化，采集的數據經(jīng)過(guò)ADSP-BF532的PPI接口直接存儲在SDRAM里，當設定存放音頻采集數據的緩存器滿(mǎn)時(shí)DMA產(chǎn)生中斷，在DMA的中斷服務(wù)程序里根據實(shí)際設定情況處理音頻數據；ADSP-BF532一方面把采集來(lái)的視頻音頻數據經(jīng)SPI接口送入MPC860進(jìn)行處理，通過(guò)MPC860的MII接口與物理網(wǎng)絡(luò )相連接，然后送到PC機上供實(shí)時(shí)監看和監聽(tīng)；一方面實(shí)時(shí)處理采集的音視頻數據，壓縮編碼元成后的數據送到PC機，并存入硬盤(pán)。系統配置JTAG接口，運用于調試階段。本文主要研究嵌入式視頻服務(wù)器中的視頻數據的處理，對于音頻數據不予介紹。

3 系統的軟件設計與優(yōu)化

系統在Blackfin系列的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual DSP++ 3.1下實(shí)現，主要分為視頻外設編程、視頻編碼編程、視頻傳輸編程以及系統優(yōu)化部分。

3．1 系統外設軟件設計

視頻輸入設備ADV7183：ADSP-BF532通過(guò)I2C總線(xiàn)配置ADV7183采集圖像的亮度、對比度、色度和飽和度等。ADV7183的內部控制寄存器訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)I2C總線(xiàn)接口完成。

視頻輸入PPI接口：半雙工形式，最大16位數據傳輸，輸入時(shí)采用二維DMA方法，每采集一幀圖像進(jìn)行一次處理。二維DMA程序如下：

本程序采用標準的ITU-656接收模式，接收視頻數據字節流：

X_COUNT=360;Y_COUNT=288;
X_MODIFY=4;Y_MODIY=4;

按以上設置執行二維DMA后，從首地址開(kāi)始的內存數據排列：

0，4，8，…… 356
360，360+4，360+8，…… 360+356
2×360，2×360+4，2×360+8 …… 2×360+356
…… …… …… …… ……
284×360，284×360+4，284×360+8，……284×360+356

視頻輸出UART接口：利用ADSP-BF532提供的UART口，加快調試過(guò)程。

串行SPI和網(wǎng)絡(luò )接口設備MPC860的編程：利用SPI接口，將ADSP-BF532作為傳輸數據的主設備，MPC800作為從設備，將數據傳送給MPC860處理，接收視頻數據并提供網(wǎng)絡(luò )接口。其中網(wǎng)口、SPI接口接收數據的流程如圖2所示。

　
3．2 視頻編碼

考慮到壓縮效率和碼率，視頻服務(wù)器的核心采用了MPEG-4 Simple Profile標準進(jìn)行視頻壓縮編碼。只進(jìn)行幀內編碼（I幀）和幀間預測編碼（P幀），而不進(jìn)行雙向預測編碼（B幀），適合矩形視頻對象（Video Object）編碼。

其中的核心算法有DCT和IDCT，它采用2D 8×8DCT，并且采用循環(huán)緩沖，充分利用了Blackfin DSP的優(yōu)勢，減少了循環(huán)體內部的指令執行數；MPEG-4采用兩種方法確定量化步長(cháng)，一是采用TM5速率控制方式，二是采用MPEG-4中定義的速率控制模型，它們都是通過(guò)碼流速率大小以及圖像質(zhì)量的要求來(lái)改變量化系數。MPEG-4的直流系數量化采用非線(xiàn)性量化方式，交流系數既可以選擇H.263量化也可以使用MPEG量化，這里采用H.263模式。

運動(dòng)預測使用條塊SAD（當前的圖像與預測圖像的絕對差值和）最小搜索出最匹配的宏塊，而且Blackfin DSP提供了一條視頻專(zhuān)用指令SAA，大大提高了速度；最后用邊界填充（PADDING）減少在宏塊邊界上的運動(dòng)誤差。

3．3 視頻網(wǎng)絡(luò )傳輸的實(shí)現

經(jīng)過(guò)視頻采集、壓縮后的視頻數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸，其傳輸層用TCP傳輸協(xié)議傳輸信息包很小的操作控制命令，用UDP傳輸協(xié)議傳輸視頻圖像數據。因為T(mén)CP這種傳統的連接協(xié)議必須要求數據無(wú)誤地順序傳輸到客戶(hù)端的應用層，可以利用TCP傳輸協(xié)議傳輸網(wǎng)絡(luò )監控中的控制命令，信號服務(wù)器和客戶(hù)端正確接收到操作命令。UDP傳輸協(xié)議沒(méi)有提供網(wǎng)絡(luò )流量控制和數據包丟失、出錯處理，在高級壓縮算法如MPEG-4采用了幀間壓縮的方法，數據包丟失可能影響到連續幾幀視頻圖像。所以，基于UDP傳輸協(xié)議的應用程序必須靠設計解決可靠性問(wèn)題。

上端軟件提供友好的用戶(hù)界面，用Visual C++6.0實(shí)現，根據用戶(hù)的需求，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )從遠程終端接收視頻數據，包括MPEG-4的解碼過(guò)程、網(wǎng)絡(luò )傳輸控制和網(wǎng)絡(luò )命令編碼等。有兩種編寫(xiě)方式，第一種需要專(zhuān)門(mén)寫(xiě)一個(gè)服務(wù)器/客戶(hù)端軟件來(lái)發(fā)送和接收視頻圖像數據；第二種可以采用服務(wù)器/瀏覽器模式，即將客戶(hù)端軟件做成控件，嵌入到網(wǎng)頁(yè)中，做成基于WEB的數字視頻服務(wù)器。本文采用第一種方式。

　
網(wǎng)絡(luò )通訊模塊采用組播技術(shù)，提高程序的效率。系統IP網(wǎng)絡(luò )數據通信流程圖如圖3所示。本文為實(shí)現組播服務(wù)特別寫(xiě)了一個(gè)類(lèi)Cmulticast,它是專(zhuān)門(mén)為視頻傳輸而封裝的類(lèi)，用于服務(wù)器和客戶(hù)機兩端。下面對此類(lèi)的公共訪(fǎng)問(wèn)函數進(jìn)行介紹。

class CMulticast :publicCobject
{
public:
void Close(); //關(guān)閉創(chuàng )建的套接字
BOOL IsConnect();
Static Void Unintilize();//Winsock終止
Static Void Initilize(); //從指定組的指定端口讀取數據
Int Send(char* lpData,int size)//向目的地址發(fā)送消息
BOOL Create(Cstring lpstrADDR,unsigned short port,HWND HWND);//創(chuàng )建和綁發(fā)送或接收套接字并把該套接字加入組插組，并設置了消息回調機制
CMulticast()；
Virtual ～CMulticast()
Public:
HWND m_hWnd; //用于消息傳遞的窗口句柄
SOCKET m_hWnd; //用于消息傳遞的窗口句柄
SOCKET m_hSocket;//發(fā)送或接收用套接字
BOOL m_bConnected;//是否已經(jīng)加入到一個(gè)組
SOCKADDR_IN addr;//發(fā)送套接字地址SOCKADDR_IN srcaddr; //接收或發(fā)送的目址
}

3．3 系統級優(yōu)化

Blackfin軟件開(kāi)發(fā)平臺的編譯系統支持ANSI C以及C++編譯，其系統還提供了大量的多媒體操作指令。在針對系統軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，可以根據硬件的特點(diǎn)研究和開(kāi)發(fā)調試過(guò)程中的經(jīng)驗，對代碼的編譯和具體任務(wù)的處理進(jìn)行優(yōu)化。以及針對要縮短顯示模塊代碼執行時(shí)間而進(jìn)行上端軟件的設計優(yōu)化。

4 實(shí)驗結果

在該實(shí)驗的基礎上，經(jīng)過(guò)對ADV7183采集的視頻序列（幀率為30fps,CIF格式）進(jìn)行測試，結果表明：（1）DSP可通過(guò)SPI接口實(shí)時(shí)傳輸視頻圖像編碼數據，數據不丟失，不出錯；（2）在對MPEG-4視頻壓縮編碼測試時(shí)重建圖像質(zhì)量保真度接近1；（3）在局域網(wǎng)上作模擬實(shí)驗，可以實(shí)時(shí)傳輸CIF尺寸視頻圖像，傳輸延遲控制在0.5s以?xún)?；?）UART接口能夠完成本地視頻輸出?；贏(yíng)DSP-BF532的嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器的設計方案是可行的，但是某些技術(shù)指標仍然無(wú)法勝任實(shí)際的應用場(chǎng)合，需要進(jìn)一步提高視頻壓縮的測試結果，增加大容量的硬盤(pán)存儲系統來(lái)存儲視頻數據。