摘  要： 針對視頻監(jiān)控系統(tǒng)對實時性和帶寬的高要求，提出以達芬奇異構(gòu)雙核處理器TMS320DM6446為基礎的解決方案。雙核間的通信和協(xié)作是基于編解碼器引擎機制來實現(xiàn)的。ARM子系統(tǒng)負責I/O端口控制、算法調(diào)度、圖形用戶界面、網(wǎng)絡傳輸?shù)炔僮鳎?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/DSP" title="DSP" target="_blank">DSP子系統(tǒng)則實現(xiàn)H.264視頻編解碼。經(jīng)過研究，實現(xiàn)了視頻軟件設計。該方案實時性較好、部署方便，在視頻監(jiān)控領域具有較好的應用前景。
關鍵詞： 達芬奇；TMS320DM6446；編解碼器引擎；H.264

　隨著計算機多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)正迅速深入到學校、銀行、商場、機場、道路交通等領域的安防監(jiān)控。然而，視頻數(shù)據(jù)量龐大，如此廣泛的應用，也就需要壓縮率更高的算法。H.264是目前最先進的視頻壓縮標準，具有高壓縮率的同時還具有更強的網(wǎng)絡適應性，它提供了網(wǎng)絡抽象層，使得H.264的文件更容易在不同網(wǎng)絡上傳輸（例如互聯(lián)網(wǎng)、WCDMA、CDMA2000等）。為了應對強勁的市場需求，德州儀器（TI）公司推出達芬奇[1]（DaVinci）技術(shù)的TMS320DM6446處理器，它是一種專門針對數(shù)字視頻應用、基于信號處理的解決方案，提供了專業(yè)的集成處理器、軟件、工具和支持，以簡化設計過程，加速產(chǎn)品創(chuàng)新，深受開發(fā)者青睞。然而，它的開發(fā)卻非常復雜，使得許多開發(fā)者都未能盡可能地發(fā)揮其硬件作用。為此，本設計采用了基于達芬奇技術(shù)的TMS320DM6446處理器為開發(fā)平臺，介紹了達芬奇平臺的雙核通信機制，并以H.264進行壓縮編碼，設計實現(xiàn)視頻編碼軟件系統(tǒng)。
1 TMS320DM6446雙核通信
　TMS320DM6446集成了TMS320C64x+ DSP核和ARM926EJ-S核。在ARM端基于MontaVista Linux、相關驅(qū)動和應用程序來管理芯片與外設的交互，DSP作為ARM的協(xié)處理器，主要是基于DSP/BIOS（TI公司的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核）來處理復雜的音視頻編解碼相關的算法。高集成度帶來了開發(fā)的復雜性，ARM和DSP間通過DSPLink完成通信，同時需要編解碼引擎Codec Engine和編解碼服務器Codec Server協(xié)助完成。
1.1 Codec Engine
　Codec Engine是處理器間通信的橋梁，是介于ARM側(cè)的應用程序和DSP側(cè)的算法之間的軟件模塊，可以通過調(diào)用一組API集合來調(diào)用和運行符合xDAIS標準的算法。Codec Engine包括核心引擎（Core Engine）API和VISA（Video，Image，Speech，Audio）API。其中的VISA API通過stub（ARM端）來訪問核心引擎SPIs（System Programming Interface）和skeleton（DSP端），skeleton訪問核心引擎SPIs和VISA SPIs，VISA SPIs則最終調(diào)用具體的算法。因此，Codec Engine的工作是通過完成VISA API的任務來體現(xiàn)的。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　核心引擎操作如下：
　static string engine_name=“videoenc”；//定義引擎名稱
　Engine_Handle ce；//引擎的句柄
　Engine_Error errorcode；//返回引擎打開的狀態(tài)信息
　ce=Engine_open（engine_name，NULL，&Engine_Error）；
　　　　　　　　//打開引擎
　打開一個編解碼引擎之后，就可以創(chuàng)建、控制、處理、刪除具體的算法實例。VISA接口支持4種數(shù)據(jù)源的處理，分別是視頻、圖像、語音和音頻。
　VISA API應用如下：
　Engine_Handle ce；//引擎的句柄
　static string alg_name=“h264enc”；//定義編碼模塊名稱
　VIDENC_Handle h264Handle；//編碼器句柄
　H264Handle=VIDENC_create（ce，alg_name，NULL）；
1.2 Codec Server
　Codec Server是一個二進制文件，集成了編解碼器、框架組件以及相關的系統(tǒng)代碼，可以使用DSP/BIOS作為內(nèi)核運行在DSP端。Codec Server類似于一個網(wǎng)頁服務器，包括了對客戶請求（ARM端應用程序?qū)SP端音視頻算法的調(diào)度）進行響應的相關DSP/BIOS任務線程，能夠用于創(chuàng)建編解碼器，同時也提供處理器性能信息。
　Codec Engine和Codec Server間的通信就是RPC（遠過程調(diào)用）原理在雙核上的實現(xiàn)。ARM端當成客戶機，訪問DSP服務器的算法；而DSP端被當成服務器，響應ARM端應用程序的請求。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
　系統(tǒng)基于達芬奇平臺數(shù)字媒體處理器TMS320DM6446進行設計，同時結(jié)合128MB DDR2 SDRAM內(nèi)存、視頻解碼器TVP5150、CCD攝像頭、10M/100M標準以太網(wǎng)芯片。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　在ARM端，使用CCD攝像頭實時采集模擬視頻信號，傳入視頻解碼器TVP5150內(nèi)進行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號，這部分的采集工作由視頻前端VPFE負責。為了使這些數(shù)據(jù)能被DSP處理，VPFE需要將RGB格式的原始圖像轉(zhuǎn)換為YUV格式[2]。然后使用DSPLink模塊與DSP端進行通信，并通過Codec Engine調(diào)度DSP端的H.264編碼算法，從而得到已編碼的視頻數(shù)據(jù)?；赥CP/IP協(xié)議，將編碼過的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接口EMAC傳輸至遠程管理軟件管理。同時為了驗證H.264編碼的正確性和編碼的質(zhì)量，調(diào)用DSP端的H.264解碼算法對已編碼視頻數(shù)據(jù)進行解碼操作，最后通過ARM側(cè)的視頻后端VPBE將解碼過的視頻數(shù)據(jù)送到LCD進行顯示。VPBE能將YUV格式的圖像轉(zhuǎn)換為LCD支持的NTSC或者PAL格式。UART0接口主要用于系統(tǒng)調(diào)試，DDR2則是視頻流數(shù)據(jù)的交換中心。
3 軟件方案設計
　本設計中，以MontaVista Linux操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，基于Linux下視頻設備驅(qū)動程序規(guī)范V4L2[3]（Video for Linux Two）、幀緩沖機制（Frame Buffer）和多線程技術(shù)進行視頻應用程序的設計。多線程是一種多任務、并發(fā)的工作方式，能夠提高程序響應及CPU的使用率，并能改善程序的結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)軟件設計為5個線程，分別為主線程、顯示線程、采集線程、視頻線程和控制線程。
3.1 主線程
　主線程用于執(zhí)行必要的初始化，解析用戶程序提供的命令行參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)的值產(chǎn)生其他線程。初始化任務主要包括視頻標準檢測，使用了幀緩沖設備驅(qū)動程序的ioctl（FBIO_GETSTD）；用戶命令行參數(shù)解析；Codec Engine初始化；創(chuàng)建顯示、采集和視頻三個線程；調(diào)用控制線程的函數(shù)ctrlThrFxn（），從而主線程轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂凭€程?？刂凭€程負責用戶接口，可用于響應鍵盤接口輸入的命令；還能在OSD（On-Screen Display，達芬奇平臺的在屏顯示技術(shù)）上顯示和更新文字、圖形，使用setOsdTransparency（）函數(shù)設置OSD窗口的透明度；同時能夠在OSD上繪制按鈕并對文字著色。具體的流程如圖3所示。

3.2 采集線程
　ARM端的采集線程基于V4L2設備驅(qū)動程序來獲取實時的視頻緩沖數(shù)據(jù)，并傳給視頻線程處理。采集線程的流程如下：
　（1）打開視頻采集設備
　fd=open（“/dev/video0”，O_RDWR|O_NONBLOCK，0）；
?。?）初始化設備
　首先，查詢設備的性能，獲取視頻采集設備的capability，辨別是否具有視頻輸入特性。
　struct v4l2_capability cap；
　ret=ioctl（fd，VIDIOC_QUERYCAP，&cap）；
　然后，選擇視頻輸入的功能。
　int input；
　input=TVP5146_AMUX_SVIDEO；
　ret=ioctl（fd，VIDIOC_S_INPUT，&input）；
　設置視頻制式和幀格式。
　struct v4l2_format fmt；
　fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；
　fmt.fmt.pix.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_UYVY；
　fmt.fmt.pix.width=IMAGE_WIDTH；
　fmt.fmt.pix.height=IMAGE_HEIGHT；
　fmt.fmt.pix.field=V4L2_FIELD_INTERLACED；
　ret=ioctl（fd，VIDIOC_S_FMT，&fmt）；
?。?）設定數(shù)據(jù)傳輸方式
　采用內(nèi)存映射模式。在這種模式下，應用程序和驅(qū)動程序之間只有指向視頻數(shù)據(jù)buffer的指針被交換，數(shù)據(jù)本身不會被復制，提高了效率。
?。?）實際的采集操作
　V4L2中有兩個隊列：輸入和輸出[4]。先把映射好的內(nèi)存片段入隊，接著開始采集視頻數(shù)據(jù)并進入read循環(huán)，此時應用程序等待輸出隊列被填滿時可以將內(nèi)存片段出隊，出隊的數(shù)據(jù)就是攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)。將出隊的內(nèi)存片段處理完后重新入隊列尾，這樣可以循環(huán)采集。入隊和出隊操作使用V4L2中的VIDIOC_QBUF和VIDIOC_DQBUF的ioctl（）函數(shù)調(diào)用。
　struct v4l2_buffer v4l2buf；
　ioctl（fd，VIDIOC_DQBUF，&v4l2buf）；
　　　　　　//從采集的數(shù)據(jù)中獲取一個幀緩沖
　ioctl（fd，VIDIOC_QBUF，&v4l2buf）；
　　　　　　//將采集的幀緩沖發(fā)回到設備驅(qū)動中
　同時，應用程序可以調(diào)用VIDIOC_STREAMON的ioctl（）來啟動視頻采集，VIDIOC_STREAMOFF的　　　ioctl（）則用來停止視頻采集。
　type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；
　ret=ioctl（fd，VIDIOC_STREAMON，&type）；
　ret=ioctl（fd，VIDIOC_STREAMOFF，&type）；
?。?）關閉設備
　close（fd）；
3.3 視頻線程及其交互
　視頻線程基于Codec Engine機制調(diào)用DSP端的視頻編碼算法對該數(shù)據(jù)進行H.264編碼，經(jīng)過預測、量化、熵編碼等一系列的操作，大幅減小視頻數(shù)據(jù)的存儲容量，從而降低視頻傳輸對網(wǎng)絡帶寬的需求。已編碼的視頻數(shù)據(jù)可以存儲在本地硬盤或者基于TCP/IP協(xié)議發(fā)送至遠程管理軟件管理。同時為了驗證視頻編碼算法的正確性與質(zhì)量，調(diào)用DSP端H.264解碼算法對已編碼數(shù)據(jù)進行解碼操作，并且送入顯示線程，使用frame buffer機制將其顯示在LCD屏幕上。詳細的交互流程如圖4所示。

　結(jié)合達芬奇TMS320DM6446中ARM和DSP處理器各自的優(yōu)勢，提出了基于H.264壓縮算法的視頻編碼軟件系統(tǒng)的設計方案，實現(xiàn)視頻采集、視頻編解碼、視頻顯示和網(wǎng)絡傳輸?shù)裙δ?，在以后的工作中將加入行為分析和追蹤等功能，以使系統(tǒng)更加智能。本設計可應用于學校、交通、商業(yè)、銀行等多個領域，具有較好的前景。
參考文獻
[1] 王銘銘，方千山，顏佳泉，等.圖像處理和達芬奇技術(shù)在紡紗斷線檢測中的應用[J].微型機與應用，2012，31（17）：44-45.
[2] HAN Peicen， YE Zhaohui，  YANG Shiyuan. The Design and Implementation of Network Video Surveillance System Based on Davinci Chips[C]. Qingdao China：Advances in Information Technology and Education，2011，201：296-302.
[3] Bill Dirks. Video for Linux Two[EB/OL].（2003-6-26）http：//www.thedirks.org/v4l2.
[4] 趙勇，袁譽樂，丁銳.DAVINCI技術(shù)原理與應用指南[M].南京：東南大學出版社，2008.