《電子技術(shù)應(yīng)用》
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3G移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要: 本文針對3G 移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)面臨實(shí)時性高、運(yùn)算量大、帶寬低的要求,提出了一種基于DaVinci 技術(shù)和3G 網(wǎng)絡(luò)傳輸為基礎(chǔ)的解決方案。該方案完成了系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)和軟件模塊化詳細(xì)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了OSD 字幕的前端添加功能,并解決了在3G 無線帶寬抖動下采用自適應(yīng)幀碼率和QoS 機(jī)制,使視頻圖像流暢穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)的測試結(jié)果表明,能夠在3G 低帶寬下流暢地進(jìn)行移動視頻監(jiān)控。
Abstract:
Key words :

  0 引言

  在數(shù)字化視頻監(jiān)控技術(shù)飛速發(fā)展的今天,數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)正迅速的深入到各行業(yè),如企業(yè)、煤礦、學(xué)校、公共場所,為人們的工作和生活帶來了一次大變革。由于能夠在達(dá)芬奇平臺中實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻、音頻、語音與話音技術(shù),因此達(dá)芬奇技術(shù)可以為數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的當(dāng)前變革打下基礎(chǔ)。

  與此同時,隨著3G 網(wǎng)絡(luò)的開通,更為高清移動數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)提供了實(shí)現(xiàn)的可能。

  本文中要設(shè)計(jì)的3G移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種能提供視頻采集、視頻數(shù)據(jù)壓縮、聯(lián)動報警、衛(wèi)星定位及網(wǎng)絡(luò)傳輸功能于一體的一種移動實(shí)時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。其主要技術(shù)瓶頸就在于:①其系統(tǒng)耗時是否能保證其實(shí)時性要求,關(guān)鍵為H.264壓縮算法耗時。由于嵌入式環(huán)境資源的限制,在視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時性傳輸和圖像質(zhì)量方面,尤其是多路的情況下,其一直都得不到保證。但是隨著達(dá)芬奇技術(shù)的成熟,其ARM 926EJ-S與DSP C64x+ 的雙核架構(gòu),H.264 壓縮算法獨(dú)立運(yùn)行在DSP的 Codec Server 端,解決了系統(tǒng)耗時保證其實(shí)時性要求。②其3G 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸能否保證視頻質(zhì)量及實(shí)時性。在保證視頻質(zhì)量及傳輸實(shí)時性要求上,可以從兩個方面入手:①縮短視頻數(shù)據(jù)的傳輸時間,使用當(dāng)前最高效的H.264 編碼技術(shù)縮小傳輸?shù)男畔⒘?,采用動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整視頻數(shù)據(jù)的幀碼率來減少傳輸?shù)男畔⒘?,以適應(yīng)無線帶寬及抖動。②實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS 機(jī)制,自己設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了3G 無線傳輸?shù)腝oS 機(jī)制,選用實(shí)時傳輸控制協(xié)議RTCP 和RTP 配合使用,能以有效的反饋和最小的開銷實(shí)現(xiàn)傳輸效率最佳化,因此保證了視頻質(zhì)量及其實(shí)時性。

  1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

  本系統(tǒng)采用的是由達(dá)芬奇處理器(TMS320DM6446)、DDR2SDRAM(MT47H64M16)、NAND FLASH(K9F1208X0C)、視頻解碼器TVP5150、3G 芯片(中興MC8360)、GPS 衛(wèi)星定位芯片加上外圍接口芯片的方案。CCD 攝像機(jī)采集模擬視頻信號傳入視頻解碼器內(nèi),進(jìn)行模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換, 輸出符合ITU-BT.656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號,然后將數(shù)字視頻信號傳到視頻處理子系統(tǒng)的前端進(jìn)行預(yù)處理,將數(shù)字視頻信號通過本人設(shè)計(jì)的OSD字幕添加算法加入白底黑邊字幕后,經(jīng)過Codec Engine 編碼后通過USB2.0 總線端口送入3G 傳輸芯片,無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程視頻監(jiān)控中心;達(dá)芬奇處理器檢測進(jìn)行衛(wèi)星定位命令,通過串口接收GPS 衛(wèi)星定位信息,然后將GPS 衛(wèi)星定位信息傳入到3G 傳輸芯片,無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程視頻監(jiān)控中心,在地圖上標(biāo)定其坐標(biāo)點(diǎn)及其移動軌跡。DM6446 上的DSP 端主要負(fù)責(zé)視頻編解碼工作,ARM 端做為控制視頻解碼芯片、3G 傳輸芯片、GPS 定位芯片和外圍接口芯片的控制器。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

 

  圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

  圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

 

  2 硬件方案設(shè)計(jì)

 

  2.1 視頻采集與解碼設(shè)計(jì)

  本設(shè)計(jì)中選用TI 公司的視頻解碼芯片TVP5150 完成視頻圖像的模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換。TVP5150 是超低功耗、支持NTSC/PAL/S E C A M 等格式的高性能視頻解碼器,它正常工作時功耗僅115mW,并具有32 腳TQFP 超小封裝。它可以接收兩路CVBS或一路S-Video 信號,通過I2C 總線設(shè)置其內(nèi)部寄存器,可以輸出8位4:2:2的ITU BT.656信號。

  TVP5150 芯片采用14.31818 MHz 晶振做為輸入時鐘,數(shù)字和模擬輸入電壓為1.8V,IO 口電壓為3.3V;信號輸入有AIP1A 和AIP1B 兩路,并且都進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì),防止對輸入信號的反射;YOUT[0:7]輸出8 路YcbCr 信號,行場同步信號選擇引腳HSYNC 和VSYNC 輸出;SCLK 引腳向DM6446 芯片輸出27MHz 時鐘信號,用來同步數(shù)據(jù)采集。

  2.2 DDR2 SDRAM 內(nèi)存接口設(shè)計(jì)

  內(nèi)存主要用來緩存視頻輸入圖像數(shù)據(jù),存儲ARM 和DSP代碼等。DDR2 內(nèi)存是一種新型高速、大容量的雙速率同步存儲器,相對于DDR,DDR2 具有更高的頻寬、更低的功耗、更好的高速效能。

  本設(shè)計(jì)選用Micron 公司的MT47H64M16BT 型號DDR2芯片,該芯片單片容量為1Gb,提供16 位字長數(shù)據(jù)總線接口,芯片采用1.8V 做為輸入電壓,其內(nèi)存支持差分鎖存信號,可以保證電路在高速情況下準(zhǔn)確的鎖存總線上的數(shù)據(jù),使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。為提高系統(tǒng)內(nèi)存容量并最大限度利用DDR2控制器的32 數(shù)據(jù)總線,設(shè)計(jì)選用兩片MT47H64M16BT,分別作為數(shù)據(jù)總線的高低16 位,組成32 位數(shù)據(jù)總線、大小為256Mbyte 的內(nèi)存系統(tǒng)。將兩片16 位DDR2 芯片與32 位總線的DDR2 控制器連接時,把數(shù)據(jù)總線和相應(yīng)的數(shù)據(jù)選通信號及字節(jié)使能信號與相應(yīng)DDR2 芯片分別連接,其它信號兩片DDR2 芯片公用。此時,32 位數(shù)據(jù)總線的DDR2 控制器可同時訪問兩片DDR2 芯片。

 

  2.3 電源設(shè)計(jì)

  本設(shè)計(jì)選用TI 公司的TPS75003 和TPS62040 電源管理芯片,T P S 7 5 0 0 3 具有兩路最大提供3 A 的拓?fù)潆娫春鸵宦?00mA LDO 電源,每個Buck 輸出電壓范圍在1.2V 至6.5V 之間,LDO 輸出電壓范圍在0.9V 至6.5V 之間,輸入電壓范圍在2.2V 至6.5V 之間。TPS62040 是高效異步開關(guān)DC/DC 轉(zhuǎn)換電源,其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95%,輸入電壓范圍在2.5V 至6.0V,輸出電壓在0.7V 至6.0V,因此都可通過主電源+5V 供電。

  系統(tǒng)電源分為+5V、+3.3V、+1.8V、+1.2V 四種,系統(tǒng)主供電電源為+5V,其余均由+5V 電源供給。因此,采用一片TPS75003 和一片TPS62040 完成系統(tǒng)四種電源的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)用TPS75003 的SW1 引腳經(jīng)過SI2323 續(xù)流整形后輸出1.2V 電壓用于DM6446 內(nèi)核供電,IS1 引腳連接參考電壓,F(xiàn)B1 引腳接輸出1.2V 電壓作為反饋,SW2 引腳輸出3.3V 電壓用于DM6446 外設(shè)接口供電。TPS62040 的SW1 和SW2 引腳短接后輸出1.8V 電壓用于DM6446 存儲器接口供電,F(xiàn)B 引腳連接1.8V 作為反饋輸入。這樣,用一片TPS75003 和TPS62040 電源管理芯片就可以滿足本系統(tǒng)供電。TPS75003 和TPS62040電源轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示。

 

  圖2 TPS75003 和TPS62040 電源轉(zhuǎn)換電路圖

  圖2 TPS75003 和TPS62040 電源轉(zhuǎn)換電路圖

 

  3 軟件方案設(shè)計(jì)

 

  本系統(tǒng)選用嵌入式MontaVista Linux操作系統(tǒng)平臺,其具有安全、穩(wěn)定、高效率、高實(shí)時性等特點(diǎn)。本文系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),從功能角度,其軟件體系結(jié)構(gòu)主要劃分為以下五部分:采集模塊、編碼模塊、3G 傳輸模塊、GPS 衛(wèi)星定位模塊、設(shè)備監(jiān)測模塊。由于3G無線傳輸受到其帶寬的限制,如何能保證視頻圖像質(zhì)量和實(shí)時性尤為關(guān)鍵,因此,3G 傳輸模塊是系統(tǒng)軟件的核心部分。

  3.1 采集模塊

  本模塊主要完成視頻的采集、圖像格式轉(zhuǎn)換。采用V4L2接口采集攝像頭的視頻數(shù)據(jù),V4L2 是Linux 下開發(fā)視頻采集設(shè)備驅(qū)動程序的一套規(guī)范,這套規(guī)范使用分層的方法給驅(qū)動程序開發(fā)提供了清晰的模型和一致的接口。應(yīng)用程序處于最上層,V4L2 處于中間層,而硬件設(shè)備處于下層,從而通過驅(qū)動程序,應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的操作如同一個文件一樣,屏蔽了硬件設(shè)備的具體操作。

  TVP5150 驅(qū)動程序以包含在Linux內(nèi)核中,本設(shè)計(jì)是基于該驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)視頻采集的,視頻采集程序基本流程如圖3所示。

 

  圖3 視頻采集程序基本流程圖

  圖3 視頻采集程序基本流程圖

 

 

  3.2 編碼模塊

  本模塊主要完成了OSD 字幕信息添加及圖像的壓縮編碼。

  設(shè)計(jì)中充分利用了Davinci 編解碼引擎接口進(jìn)行應(yīng)用程序編程,對采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行YUV 格式轉(zhuǎn)換后,通過自己設(shè)計(jì)的OSD 字幕算法加入OSD 字幕信息,采用優(yōu)化的TI 公司H.264 壓縮算法,對完成處理的YUV4:2:0 格式數(shù)據(jù)進(jìn)行幀間編碼壓縮。

  OSD 字幕算法實(shí)現(xiàn)了在YUV 圖像上面添加中英文字幕信息,并可設(shè)置字體的字和邊界為兩種顏色,以在不同背景色下清晰顯示字體。其基本原理為根據(jù)字符的ASCII 從點(diǎn)陣字庫中讀入其點(diǎn)陣數(shù)據(jù),進(jìn)行一次外圍邊界像素點(diǎn)擴(kuò)展,這樣就可以判斷每位數(shù)據(jù)中為1 的相鄰8 個像素點(diǎn)對應(yīng)位的值,為0則表示該點(diǎn)是字符的邊框,為1 則表示該點(diǎn)是字符邊框內(nèi)的背景色。

  3.3 3G傳輸模塊

  本部分主要完成視頻數(shù)據(jù)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的3G 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸,用于支持視頻監(jiān)控及系統(tǒng)控制通訊等功能。設(shè)計(jì)中采用RTP/RTCP 協(xié)議配合使用,由于無線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性,加入了自適應(yīng)幀碼率處理機(jī)制及QoS 處理機(jī)制,保證了視頻圖像質(zhì)量和實(shí)時性要求。其基本過程是壓縮編碼完成后,進(jìn)行視頻預(yù)存緩沖處理,對編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行RTP 封包處理,然后經(jīng)過USB總線傳輸?shù)?G 模塊中,通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送;接收數(shù)據(jù)完成后,進(jìn)行命令解析處理,判斷是否有自適應(yīng)或重傳控制命令,實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整幀碼率以降低無線網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載,或者通過預(yù)存緩沖機(jī)制提取出丟失視頻數(shù)據(jù),完成重傳數(shù)據(jù)傳輸。

  其3G 傳輸程序基本流程如圖4 所示。

 

  圖4 3G 傳輸程序基本流程圖

  圖4 3G 傳輸程序基本流程圖

 

  3.4 GPS衛(wèi)星定位模塊

  設(shè)計(jì)中使用GPS統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的NMEA(National Marine ElectronicsAssociation)協(xié)議完成通訊解析,其主要實(shí)現(xiàn)了對GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的解析處理,并實(shí)時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器軟件上,以對本3G 無線移動監(jiān)控系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)其位置信息、速度信息、方向信息、可用衛(wèi)星數(shù)及狀態(tài)信息等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控顯示,從而在地圖上標(biāo)定出移動平臺的地理坐標(biāo)、移動軌跡及其狀態(tài)信息等。

  3.5 設(shè)備監(jiān)測模塊

  本部分主要完成系統(tǒng)控制命令解析及其響應(yīng),以實(shí)現(xiàn)對云臺、鏡頭等設(shè)備的控制;各種報警事件的檢測與處理,如視頻丟失、視頻遮擋、移動偵測報警等功能;系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測處理,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行出錯或崩潰的自動重啟、系統(tǒng)程序的自動升級、系統(tǒng)程序的恢復(fù)出廠設(shè)置等功能;系統(tǒng)運(yùn)行權(quán)限及規(guī)則的檢測處理,以實(shí)現(xiàn)對使用者的權(quán)限分級管理和操作規(guī)則的合法化。

 

  4 結(jié)論

 

  基于3G無線移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入內(nèi)部測試階段并且功能強(qiáng)大,性能穩(wěn)定,擴(kuò)展性強(qiáng),能夠很好的在3G 無線帶寬抖動中進(jìn)行視頻監(jiān)控,為移動視頻監(jiān)控應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),如移動警車監(jiān)控系統(tǒng)等。本文提出一種基于TI DM6446 的3G 移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并進(jìn)行了系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)和軟件模塊化詳細(xì)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)很好的解決了在視頻監(jiān)控前段OSD 字幕信息添加和無線帶寬抖動的問題,從而使視頻監(jiān)控流暢穩(wěn)定。

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