摘  要： 針對(duì)視頻監(jiān)控終端設(shè)備中的視頻實(shí)時(shí)顯示、編碼數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)備份等雙重需求，設(shè)計(jì)了一種基于DM365視頻處理芯片、H.264壓縮技術(shù)、嵌入式Linux操作系統(tǒng)的雙碼流視頻監(jiān)控終端設(shè)備。給出了系統(tǒng)的總體軟硬件結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述了視頻處理子系統(tǒng)模塊（包括視頻前端采集模塊和視頻后端顯示模塊）以及視頻編碼模塊。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性能良好，本地存儲(chǔ)的編碼數(shù)據(jù)清晰穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和廣闊的發(fā)展前景。

　　關(guān)鍵詞： 視頻監(jiān)控；DM365；ARM

0 引言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻編解碼技術(shù)、信息處理技術(shù)在安防領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨成熟，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展也從最初的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展到了如今的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1]。以往視頻圖像處理算法主要由DSP處理，但是隨著算法復(fù)雜度的增加及視頻分辨率的提高，傳統(tǒng)DSP逐漸無法勝任這方面的工作[2]。為此，需要新的處理器架構(gòu)來提高視頻算法的并行性與帶寬。當(dāng)前TI公司已經(jīng)推出相關(guān)的異構(gòu)處理器與多核DSP；英偉達(dá)公司推出了最新的SoC芯片Tegra4，其內(nèi)含4個(gè)Cortex．A15和72個(gè)GeForceGPU[3-4]。最新的SoC制程也已經(jīng)達(dá)到28 nm，幾乎取得了相當(dāng)于PC的頻率帶寬。由于視頻的數(shù)據(jù)量大，占用帶寬多，這不僅對(duì)網(wǎng)絡(luò)是個(gè)不小的負(fù)擔(dān)，對(duì)圖像本地存儲(chǔ)備份的能力也有很大的影響，所以就需要采取一種高效的壓縮算法對(duì)視頻進(jìn)行編碼，以降低其所占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲(chǔ)空間[5]。近年來，H.264、MJPGE等算法的研究使得網(wǎng)絡(luò)較實(shí)時(shí)傳輸和本地存儲(chǔ)備份成為了可能。最新的H.265壓縮算法的出現(xiàn)大大提高了視頻傳輸效率，但這需要相應(yīng)的處理器能力的提高[6]。

　　本文所設(shè)計(jì)的多路數(shù)據(jù)流視頻監(jiān)控終端設(shè)備基于TI公司的TMS320DM365芯片，支持雙路不同分辨率大小的數(shù)據(jù)流，分別實(shí)現(xiàn)兩種不同的功能，第一路數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)D1（720×576）分辨率大小H.264編碼數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)備份，第二路數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)QVGA（320×240）分辨率大小原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

　　本文采用視頻采集芯片+多核芯片（ARM核+DSP核或編解碼協(xié)處理器組成）的方案來設(shè)計(jì)視頻監(jiān)控終端設(shè)備，這種方案將視頻采集芯片獲得的數(shù)據(jù)接入到多核芯片中，再交由DSP核或編解碼協(xié)處理器完成視頻數(shù)據(jù)的編碼，最終通過ARM核對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，完成數(shù)據(jù)流的正確傳遞和其他必要操作。這種方案成本較低，性價(jià)比較高。

　　硬件框架方面，選用了TI公司的基于DaVinci技術(shù)的TMS320DM365芯片作為處理器芯片，以及同為TI公司出品的TVP5151芯片作為視頻前端采集芯片來搭建嵌入式視頻監(jiān)控設(shè)備。

　　系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

　　軟件框架方面，采用多線程配合工作的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，多線程編程相較于多進(jìn)程編程，它不僅在資源利用率方面有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也大大降低了程序員編程的難度，加快了項(xiàng)目軟件的開發(fā)。

2 視頻處理子系統(tǒng)模塊

　　TMS320DM365芯片上提供了一個(gè)視頻處理子系統(tǒng)（VPSS），用于視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、播放等功能。VPSS內(nèi)部集成了一個(gè)視頻處理前端模塊（VPFE）和一個(gè)視頻處理后端模塊（VPBE），VPFE用來控制接入的外部圖像采集設(shè)備，如圖像傳感器、視頻解碼器等，本系統(tǒng)接入了TVP5151視頻解碼器。VPBE則用來控制接入的顯示設(shè)備，如標(biāo)清的模擬電視顯示器、數(shù)字的LCD液晶顯示屏等，本系統(tǒng)接入了RGB565LCD液晶顯示屏。此外，VPSS還集成了內(nèi)存緩存區(qū)和DMA（直接內(nèi)存訪問）控制器，用來保證有效地利用DDR2或mDDR，控制突發(fā)帶寬。

　　2.1 驅(qū)動(dòng)配置

　　2.1.1 VPFE采集驅(qū)動(dòng)的配置

　　VPFE采集驅(qū)動(dòng)通過標(biāo)準(zhǔn)的V4L2接口將底層硬件的功能暴露給了上層應(yīng)用程序，這樣，應(yīng)用程序就能通過控制V4L2設(shè)備（/dev/Video0）來獲取由連接到VPFE的視頻解碼器（如TVP5151）采集到的一幀原始數(shù)據(jù)。VPFE硬件模塊支持以下兩種不同的數(shù)據(jù)管道[7]，如圖2所示。

　　（1）輸入接口通過IPIPE接入到SDRAM，所有型號(hào)的SoC都支持這個(gè)通道。

　?。?）輸入接口通過IPIPE接入到Previewer，并最終從Resizer輸出兩種不同分辨率大小的視頻數(shù)據(jù)到SDRAM，從RSZ-A輸出的是原始分辨率大小的圖像，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)編碼，從RSZ-B輸出的是分辨率較小的圖像，用于后續(xù)的實(shí)時(shí)顯示。

　　為了實(shí)現(xiàn)前文所述的視頻實(shí)時(shí)顯示功能，通過VPFE驅(qū)動(dòng)將VPFE硬件模塊配置成第二種數(shù)據(jù)流通道的采集方式。

　　2.1.2 VPBE顯示驅(qū)動(dòng)的配置

　　VPBE顯示驅(qū)動(dòng)由更底層的V4L2（Video for Linux 2）驅(qū)動(dòng)和FB（Frame Buffer）驅(qū)動(dòng)構(gòu)成，當(dāng)內(nèi)核加載V4L2驅(qū)動(dòng)時(shí)，它會(huì)向內(nèi)核注冊(cè)/dev/Video2和/dev/Video3兩個(gè)設(shè)備，而當(dāng)內(nèi)核加載FB驅(qū)動(dòng)時(shí)，它會(huì)向內(nèi)核注冊(cè)/dev/fb/0、/dev/fb/1、/dev/fb/2、/dev/fb/3 4個(gè)設(shè)備，注冊(cè)的設(shè)備都對(duì)應(yīng)了它們所能控制的圖層[8]，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

　　可以通過設(shè)置系統(tǒng)啟動(dòng)參數(shù)來決定VPBE驅(qū)動(dòng)被加載時(shí)會(huì)向內(nèi)核注冊(cè)的設(shè)備，以此決定開啟的圖層以及圖層開啟后受何種設(shè)備控制[9]，例如，注冊(cè)/dev/fb/3設(shè)備，VID1圖層將被開啟且只受/dev/fb/3設(shè)備控制。在實(shí)際方案中，啟動(dòng)參數(shù)指定VPBE向內(nèi)核注冊(cè)/dev/Video2設(shè)備和/dev/fb/0設(shè)備，分別開啟了VID0圖層和OSD0圖層，其中VID0圖層受/dev/Video2設(shè)備控制，用于顯示采集到的視頻數(shù)據(jù)，而OSD0圖層受/dev/fb/0設(shè)備控制，用于顯示QT等UI交互界面，其余圖層默認(rèn)保持關(guān)閉狀態(tài)。

　　VID0圖層的數(shù)據(jù)和VID1圖層的數(shù)據(jù)會(huì)依次經(jīng)過VPBE硬件模塊中的OSD部件和ENC部件，最終由DAC模塊輸出模擬信號(hào)或者由LCD控制器輸出數(shù)字信號(hào)[10]，數(shù)據(jù)管道如圖3所示。

　　在前文中已提到，LCD液晶屏被接入到了VPBE模塊，所以VPBE驅(qū)動(dòng)將VPBE硬件模塊配置成視頻數(shù)據(jù)由VID0圖層輸入，并最終通過LCD控制器輸出到LCD液晶屏上。

　　2.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　在VPFE驅(qū)動(dòng)將VPFE硬件模塊配置為雙分辨率數(shù)據(jù)流的前提下，將應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)為一路數(shù)據(jù)流用于視頻實(shí)時(shí)顯示，另外一路數(shù)據(jù)流用于視頻編碼，Capture線程數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。

　?。?）第一路數(shù)據(jù)流

　　hCapture-->hCapBuf-->hDstBuf（D1：720x576）-->hOutFifo，用于視頻編碼存儲(chǔ)。

　?。?）第二路數(shù)據(jù)流

　　hCapture-->hCapBuf-->hRzbBuf-->hDisBuf（QVGA：320x240）-->hDisplay，用于視頻實(shí)時(shí)顯示。

　　hCapBuf緩存用于存放VPFE采集驅(qū)動(dòng)采集到的原始視頻數(shù)據(jù)，存放著736×576大小的數(shù)據(jù)，hDstBuf緩存中的數(shù)據(jù)用于供后續(xù)視頻編碼存儲(chǔ)，存放著D1：720×576大小的數(shù)據(jù)，hDisBuf緩存中的數(shù)據(jù)用于供后續(xù)視頻顯示回放，存放著QVGA：320×240大小的數(shù)據(jù)，hRzbBuf緩存中的數(shù)據(jù)用于供后續(xù)視頻編碼上傳。

3 視頻編碼模塊

　　原始視頻數(shù)據(jù)的編解碼需要用到達(dá)芬奇軟件框架的Codec Engine（編解碼引擎）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。Codec Engine定義了一組VISA（Video Image Speech Audio）APIs接口供應(yīng)用程序調(diào)用。DM365的高清視頻協(xié)處理器（HDVICP）封裝了相應(yīng)的編解碼算法，ARM處理器中的應(yīng)用程序可以通過VISA-APIs接口對(duì)編解碼算法進(jìn)行調(diào)用。ARM處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行應(yīng)用程序，視頻協(xié)處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行編解碼算法，這樣不僅大大降低了ARM處理器的CPU占用率，還能提高編解碼的效率。本文采用H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，需要調(diào)用相應(yīng)的H.264算法實(shí)例。

　　3.1視頻編碼接口

　　H.264是一種高性能的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，繼承了H.263和MPEG1/2/4視頻編碼器的優(yōu)點(diǎn)。H.264標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩個(gè)層次：視頻編碼層（VCL）和網(wǎng)絡(luò)抽象層（NAL），VCL負(fù)責(zé)高效的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)壓縮，NAL提供適當(dāng)?shù)慕涌趯?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和傳送。

　　為了得到H.264格式的視頻流，需要配置alg_server.cfg文件來實(shí)現(xiàn)對(duì)已經(jīng)編譯算法的調(diào)用，文件配置如下：

　　var H264ENC=xdc.useModule（′ti.sdo.codecs.h264enc.ce.H264ENC′）；//指定調(diào)用的算法

　　var myEngine=Engine.create（"alg_server"，[{name："h264enc"，mod：H264ENC，local：true，groupId：1}]）；

　　//創(chuàng)建引擎實(shí)例

　　在應(yīng)用程序中能調(diào)用的接口函數(shù)有：VIDENC1_create、VIDENC1_control、VIDENC1_process和VIDENC1_delete，它們分別負(fù)責(zé)編碼實(shí)例的創(chuàng)建、控制、運(yùn)行以及最終的清除。

　　3.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　所設(shè)計(jì)的Video線程基于Capture線程，Capture線程向Video線程輸入一路D1：720×576大小的數(shù)據(jù)流，Video線程如圖5所示。

4 測(cè)試結(jié)果

　　測(cè)試環(huán)境搭建方法如下：

　?。?）LCD液晶屏連接在以TMS320DM365為主芯片的產(chǎn)品板上，TMS320DM365主芯片的CPU頻率為216 MHz，板載Flash為1 GB，板載DDR2為128 MB。

　?。?）本地備份的視頻數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)在SD卡中，文件格式為H.264，文件大小為6.2 MB，總時(shí)長(zhǎng)為1 min，使用VLC播放器播放。

　　經(jīng)測(cè)試，視頻監(jiān)控終端設(shè)備能實(shí)時(shí)地顯示攝像頭采集到的視頻畫面，顯示畫面大小為QVGA（320×240），如圖7（a）所示。SD卡里存儲(chǔ)備份的視頻數(shù)據(jù)也成功紀(jì)錄了一段時(shí)間內(nèi)的視頻畫面，分辨率大小為D1（720×       576），如圖7（b）所示。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于TMS320DM365硬件平臺(tái)的視頻監(jiān)控終端設(shè)備，該視頻監(jiān)控終端設(shè)備不僅具有數(shù)據(jù)采集功能，而且還集成了本地存儲(chǔ)備份以及原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等核心功能。采用TMS320DM365的ARM+DSP雙核模式，提高了編碼效率以及傳輸效率，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，實(shí)時(shí)圖像清晰流暢，ARM資源占有率低，可擴(kuò)展性大，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。

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