基于TI達芬奇技術(shù)的高速網(wǎng)絡(luò )攝像機設計方案

　　多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )與移動(dòng)通信的飛速發(fā)展激發(fā)了人們進(jìn)行視頻信息交流的需求。隨著(zhù)視頻監控系統逐步向數字化發(fā)展.開(kāi)發(fā)新一代基于計算機網(wǎng)絡(luò )以及多媒體壓縮算法的視頻監控系統成為行業(yè)的主流方向。然而隨著(zhù)視頻應用的迅速增加，開(kāi)發(fā)者往往需要花費很多時(shí)間來(lái)熟悉各種多媒體的標準，最終只能通過(guò)編寫(xiě)與改進(jìn)代碼來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)與改變。隨著(zhù)美國TI公司推出達芬奇(DaVinci)平臺后，這一切都在發(fā)生改變。

　　1 達芬奇技術(shù)的主要特點(diǎn)

　　達芬奇平臺是典型的基于共享存儲的嵌入式多處理(ARM，DSP，VICP，視頻前端和后端等)環(huán)境，支持的關(guān)鍵技術(shù)是片內實(shí)現了多通道的交換中心資源(Switch Central Resources，SCR)?；谄瑑萐CR，達芬奇平臺在片內多處理器之間形成了典型的C/S架構：計算能力強大的DSP可以作為服務(wù)器提供算法的實(shí)時(shí)計算服務(wù);帶有JAVA處理能力的ARM9實(shí)現網(wǎng)絡(luò )，硬盤(pán)音視頻I/O等用戶(hù)界面。美國TI公司在達芬奇平臺上專(zhuān)門(mén)為音視頻編解碼(Codec)多媒體應用精心設計了系統框架，提供了豐富的系統程序接口SPI，應用程序接口A(yíng)PI以及視頻，圖像，話(huà)音和音頻千余種流媒體算法組件。他們與操作系統，中間件構成了一個(gè)應用系統的大部分內容，應用系統開(kāi)發(fā)團隊只需要將他們封裝成運行包，就能得到高可用性和高可靠性的產(chǎn)品。

　　達芬奇平臺的最大特點(diǎn)就是基于DSP與ARM的SOC芯片，和與之相關(guān)的相關(guān)軟件，如圖1所示。

　　對達芬奇平臺，硬件上給與雙核架構強有力的支持，在DSP端用DPS/BIOS來(lái)支持音/視頻算法的運行，在A(yíng)RM端用MontaVistaLinux(MV)來(lái)支持其對外設的管理。對于A(yíng)RM與DSP之間的數據交叉，則用Codec Engine和Codec Server來(lái)加以管理。達芬奇平臺的先進(jìn)性，對高端音/視頻系統來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是開(kāi)發(fā)平臺的最好選擇。

　　2 TMS320DM365介紹

　　TI公司的TMS320DM365是一款面向多媒體技術(shù)應用的高性能芯片。TM320DM365功能框圖如圖2所示。

　　內核方面TMS320DM365集成ARM926EJ-S.H.264協(xié)處理器(HDVICP)，MPEG4/JPEG協(xié)處理器(MJCP)，能以1080p格式與10幀/s的速度提供H.264編解碼功能，和以1080p格式與24幀/s的速度提供MPEG4編解碼功能，以及以720p格式與30幀/s的速度提供H.264或MPEG4編解碼功能。存儲方面擴展存儲器接口EMIFs包括1個(gè)16位256 M地址空間的DDR2和mDDR，以及1個(gè)16/8位的AEMIF，可擴展的類(lèi)型有8/16位NAND Flash，16Mb NOR Flash，SRAM，16位OneNAND等。其他外圍擴展控制器還包括16位HPI(Host-Port Interface)，2個(gè)MMC(Multimedia Card)/SD(Secure Digital)/SDIO接口，1個(gè)16位的WDT(Watch DogTimer)，5個(gè)SPI(Serial Port Interface)接口其中每個(gè)具有兩個(gè)片選，1個(gè)主/從I2C(Inter-Integrated Circuit)總線(xiàn)控制器，1個(gè)支持2.0USB OTG接口控制器等。

　　TMS320DM365集成的ARM926EJ-S處理器包括32 kBRAM、16 kB ROM(用于非AEMIF啟動(dòng)模式下的ARMbootloader)、16 kB指令緩存、8 kB數據緩存、CP15及MMU等。其中CP15用來(lái)對指令、數據緩存、MMU以及其他ARM子系統進(jìn)行配置及控制。MMU使用統一的TLB來(lái)對頁(yè)表中存儲的信息進(jìn)行緩存，并為類(lèi)似Linux、WindowsCE、ultron以及ThreadX等操作系統提供虛擬內存。該處理器的寫(xiě)緩沖數據容量高達17 kB，使其可以大幅提高內核的性能。

　　TMS320DM365中的視頻處理子系統(VPSS)由兩個(gè)接口，分別用于視頻捕獲的視頻前段(VPFE)輸入接口和用于圖像顯示的視頻后端(VPBE)輸出接口。圖3為視頻處理子系統系統框圖。

　　VPFE模塊主要用于捕獲視頻信號，也可以直接從前端輸入已有的視頻信號。VPFE輸入接口有1個(gè)CCD控制器(CCDC)、1個(gè)預處理器、柱狀模塊、自動(dòng)曝光/白平衡/聚焦模塊(H3A)和寄存器組成。CCDC可以與視頻解碼器、CMOS傳感器或電荷耦合裝置連接;預處理器是一個(gè)實(shí)時(shí)的圖像處理器，它把來(lái)自CMOS或CCD的原始圖像從RGB轉變?yōu)閅UV422的編碼;柱狀模塊和H3A模塊實(shí)現基于原始圖像信息的硬件操作。

　　VPBE輸出接口由1個(gè)OSD引擎和1個(gè)視頻編碼器組成。OSD引擎能夠顯示兩組獨立的視頻窗口或兩組獨立的OSD窗口，還可以以2個(gè)視頻窗口、1個(gè)OSD窗口和一個(gè)屬性窗口的形式顯示。OSD用于在視頻圖像上疊加音量，圖標等位圖或圖像信息。視頻編碼模塊提供數字輸出和模擬輸出。數字輸出支持24bitRGB888格式、8/16bit BT.656以及具有獨立的水平和垂直同步功能的CCIT.601輸出;模擬輸出支持4路10bit DAC，均工作于54 MHz，支持復合NTSC/PAL、S端子和分量視頻。

　　3 系統硬件設計

　　系統硬件結構如圖4所示，本系統選擇以TMS320DM365為嵌入式處理器，外圍電路包括有音頻、視頻信號采集電路，以太網(wǎng)絡(luò )電路，電源接口，JTFAG，UART，NAND Flash，SD卡，DDR2，USB2.0 OTG以及I2C。

　　網(wǎng)絡(luò )攝像機系統的信息處理流程主要分為圖像的獲取、圖像的處理傳輸以及圖像的顯示3部分。本系統中，前端攝像頭負責圖像的捕捉，將獲取的未經(jīng)壓縮處理的圖像信號傳輸至電路板中通過(guò)TMS320DM365芯片進(jìn)行壓縮處理以及SD卡的相應存儲，再由以太網(wǎng)接口或其他接口將處理過(guò)圖像進(jìn)行傳輸，在遠端監視器上將圖像進(jìn)行顯示。

　　本系統的視頻采集模塊采用TVP5146。傳統NTSC/PAL攝像頭的輸出信號格式為模擬信號，由于TMS320DM365的視頻輸入信號是通過(guò)VPFE的CCDC以ITU-R BT.601/BT.656格式進(jìn)行輸入的，所以首先需要通過(guò)視頻前段濾波放大器OPA361對采集到的模擬信號進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)視頻解碼芯片TVPS146將模擬信號進(jìn)行圖像的抗混疊濾波預處理、模擬數字化轉換及亮度/色度、水平/垂直同步信號的分離，實(shí)現模擬視頻信號轉換為數字并行信號BT.656碼流格式，隨后通過(guò)2個(gè)12位2選1的FET多路復用器對4路視頻信號選擇1路作為輸入從而完成VPFE的視頻輸入工作。 TVP5146是一種高性能單片數字視頻解碼器，它可將所有常見(jiàn)的基帶模擬視頻信號，例如NTSC，PAL，SECAM混合信號數字化并解碼為數字視頻信號。該解碼器還包括了具有模擬預處理功能的4路10位30MSPS的模數轉換器。高達10組的視頻輸入終端可以用來(lái)配置作為RGB，YPbPr，CVBS分量信號或者S端子視頻輸入。

　　網(wǎng)絡(luò )控制模塊主要包括EMAC模塊和MDIO模塊，原理圖如圖5所示。

　　本系統采用TI公司出品的TSB43EA42作為以太網(wǎng)收發(fā)器。TSB43EA42支持10 MB/100 MB基帶傳輸，提供與MAC層相接的MII接口。它與DM3 65通信的主要引腳有：發(fā)送、接收數據線(xiàn)、時(shí)鐘、使能信號、錯誤指示、管理數據接口、控制/指示引腳等。EMAC控制模塊內部集成了8 kB的RAM，主要功能使存放緩沖描述符和以太網(wǎng)數據包。MDIO模塊則主要通過(guò)兩線(xiàn)接口完成對物理層芯片的配置，工作狀態(tài)檢測等工作。

　　串口模塊采用TI公司的MAX322ICPW，主要用來(lái)負責開(kāi)發(fā)板與計算機之間的通信。通過(guò)超級終端，完成Linux內核的下載以及相關(guān)參數的設置，完成系統的開(kāi)發(fā)以及調試。存儲模塊包括了2個(gè)擴展存儲接口EMIF和2個(gè)MMC/SD卡接口。前者包括DDR控制器和異步擴展存儲接口A(yíng)EMIF分別用于擴展連接對DDR存儲器和Flash存儲器;后者實(shí)現了2個(gè)SD卡存儲器的擴展連接。

　　電源模塊采用了TI公司的TPS65023作為電源管理芯片。該芯片包括3個(gè)DC/DC轉換器以及2個(gè)200mA線(xiàn)性穩壓器LDO。每路LDO由TMS320DM3 65通過(guò)I2C與之通信，實(shí)現各路輸出電源電壓的控制，為內核存儲器和I/O接口提供1.3，1.8，3.3 V的工作電壓;也可通過(guò)5 V穩壓器直流供電，通過(guò)DC/DC轉換器提供1.3，1.8，3.3 V供電。

　　4 系統軟件設計

　　系統的視頻采集模塊負責從攝像頭中讀取視頻流數據，讀出的圖像數據交由壓縮模塊處理。攝像頭驅動(dòng)程序加載完成后為了進(jìn)行視頻采集必須加入Video4Linux模塊，從而可以通過(guò)Video4Linux模塊提供的編程接口從攝像頭設備中獲取圖像幀?；赩4L的視頻采集流程圖如圖6所示。

　　本系統采用RTP實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議以及RTCP實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議作為視頻傳輸的協(xié)議。RTP在多點(diǎn)傳送或單點(diǎn)傳送的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)上，提供端對端的網(wǎng)絡(luò )傳輸功能，適合應用程序傳輸實(shí)時(shí)數據，如：音頻、視頻或者仿真數據。RTP由于沒(méi)有為實(shí)時(shí)服務(wù)提供資源預留功能，所以不能保證QoS(服務(wù)質(zhì)量)。RTCP作為一種控制協(xié)議，通過(guò)擴展可以升級為大型的多點(diǎn)傳送網(wǎng)絡(luò )，并提供最小限度的控制和鑒別功能。在RTP會(huì )話(huà)期間，各參與者周期性的傳送RTCP包，RTCP包中含有已發(fā)送的數據包的數據、丟失的數據包的數量等統計資料，因此服務(wù)器可以利用這些信息動(dòng)態(tài)的改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類(lèi)型。RTP和RTCP配合使用，他們能以有效地反饋和量小的開(kāi)銷(xiāo)使傳輸效率最佳化，RTCP利用主要的兩種控制包SR和RR反饋的信息如數據包丟失比，數據包丟失率，吞吐量和吞吐率，數據包到達時(shí)延抖動(dòng)和往返傳播時(shí)延等來(lái)調節實(shí)時(shí)傳輸，并調整系統的打包格式，發(fā)包速率來(lái)保證流暢地傳輸數據和清晰的播放視頻，因此特別適合傳送網(wǎng)上的實(shí)時(shí)數據。

　　JRTPLIB作為一個(gè)RTP協(xié)議的庫，用來(lái)開(kāi)發(fā)多媒體的應用十分方便。通過(guò)JRTPLIB庫發(fā)送或接收RTP數據，而不用考慮SSRC的沖突、調度，連RTCP的數據也不需要用戶(hù)來(lái)發(fā)送。用戶(hù)只需要使用相應的類(lèi)來(lái)發(fā)送和接收媒體數據。下面介紹RTP相關(guān)代碼的具體實(shí)現。

　　在使用JRTPLIB傳輸多媒體數據之前，首先應該創(chuàng )建一個(gè)RTPSession類(lèi)的一個(gè)對象來(lái)標識此次會(huì )話(huà)。然后通過(guò)RTPSession實(shí)例的create()方法來(lái)對其進(jìn)行初始化操作。在create()時(shí)，需要兩個(gè)參數sessparams和transparams，分別為RTPSessionParams和RTPUDPv4Trans mission Params的實(shí)例。在create()成功以后，需要設置目標地址、凈荷類(lèi)型、時(shí)間戳增量等信息。在RTP會(huì )話(huà)建立起來(lái)以后，我們就可以進(jìn)行媒體數據的傳輸。傳輸凈荷數據的方法很簡(jiǎn)單，只需要調用RTPSession實(shí)例的SendPacker()方法就可以了。同時(shí)為了適應在網(wǎng)上的傳輸，還需對凈荷數據進(jìn)行分割。為了方便的使用，我們需進(jìn)一步的封裝。對于RTP分組的接收部分，由于給出的是拆分了的數據幀，我們需要組合成完整的數據幀。這里需要注意的是由于本攝像機采用的H.264解碼算法，所以分流式接收方式以及RTP分組接收方式兩種模式，對于流式傳輸，有的組合成完整的數據幀的步驟放在了H.264的NAL層。但對有些音頻和JPEG等應用，還是需要進(jìn)行組裝過(guò)程的。

　　5 結束語(yǔ)

　　提出一種基于TMS320DM365的高速網(wǎng)絡(luò )攝像機系統設計。網(wǎng)絡(luò )攝像機接入局域網(wǎng)后，在局域網(wǎng)內部的PC機上通過(guò)IE輸入網(wǎng)絡(luò )攝像機的IP地址，通過(guò)第三方軟件便可以觀(guān)看到攝像機捕捉到的圖像以及網(wǎng)絡(luò )攝像機的相關(guān)數據流量信息。當獲得圖像質(zhì)量要求較高時(shí)，相應的圖像數據量也會(huì )增高，反之減小。在640X480的分辨率下，測得數據流量約為960 kb/s，可以滿(mǎn)足對監控視頻流暢性的要求。

　　本文首先介紹了視頻監控系統的發(fā)展趨勢以及嵌入式處理器TMS320DM365的特點(diǎn)，之后通過(guò)對該系統的硬件設計以及軟件設計的詳細分析，實(shí)現了基于達芬奇技術(shù)TMS320DM365的高速網(wǎng)絡(luò )攝像機系統。該系統采用了最新的技術(shù)，降低了產(chǎn)品的成本，具有很強的實(shí)用性，是一種比較理想的網(wǎng)絡(luò )攝像機解決方案，可廣泛應用于視頻監控系統。