基于3G移動(dòng)通信的無(wú)線視頻監(jiān)控的設(shè)計(jì)*

夏振華，張正炳

（長(zhǎng)江大學(xué) 電信學(xué)院，湖北 荊州 434023）

1 引言

近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬、微處理器處理能力的迅速提高以及各種實(shí)用視頻信息處理技術(shù)的出現(xiàn)，視頻監(jiān)控產(chǎn)品逐步脫離了傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控和基于PC的視頻監(jiān)控，向小型化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和終端智能化的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展。

TI公司的TMS320DM6446（簡(jiǎn)稱DM6446）芯片是一款A(yù)RM+DM644x的雙核芯片，是實(shí)現(xiàn)高性能視頻監(jiān)控、IPTV等網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用的理想的解決方案[1]。筆者將介紹一種利用DM6446為核心，利用聯(lián)通的WCMDA進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臒o(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)既具有多數(shù)嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的體積小、成本低、維護(hù)方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于采用了第三代移動(dòng)通信（3G）的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，無(wú)須布線，傳輸速度高，監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)性好。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于IP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括兩大部分，視頻監(jiān)控終端和視頻監(jiān)控中心。視頻監(jiān)控終端和視頻監(jiān)控中心采用Client/Server（C/S）模式。監(jiān)控中心運(yùn)行在Client模式，主動(dòng)向各監(jiān)控終端發(fā)起網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求，各監(jiān)控點(diǎn)的視頻終端接受監(jiān)控中心軟件發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，并將監(jiān)控畫面通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行顯示。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)利用TMS320DM6446芯片具有ARM和DSP雙核的特點(diǎn)，將監(jiān)控終端的三大核心任務(wù)：視頻采集、壓縮編碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸分配兩個(gè)核分別處理，這樣既能利用ARM核上運(yùn)行的Linux系統(tǒng)具有的完備的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)控制命令和視頻的傳輸，又能利用DSP的強(qiáng)大運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的視頻編碼。系統(tǒng)的工作流程框圖如圖2所示。

圖2 工作流程框圖

由圖2可知，視頻監(jiān)控終端輸入部分由CCD攝像機(jī)通過(guò)S-Video端子接入視頻解碼器，視頻解碼器可以將攝像機(jī)得到的NTSC格式或者PAL格式的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成包含有數(shù)字色差信號(hào)（YUV422）的BT656格式的視頻流，由DM6446的DSP核采集并從中提取YUV422格式的視頻信號(hào)，DSP核將YUV422格式的視頻轉(zhuǎn)換成YUV420格式，再將YUV420格式的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻壓縮編碼，編碼后的視頻在從DSP核傳送到DM6446的ARM核，運(yùn)行在ARM核上的網(wǎng)絡(luò)傳輸軟件等待外部連接，一旦接收到合法的連接請(qǐng)求就開始向監(jiān)控中心傳送視頻畫面。視頻監(jiān)控中心向監(jiān)控終端發(fā)出連接請(qǐng)求，被驗(yàn)證合法后可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查看監(jiān)控終端所提供的監(jiān)控畫面，當(dāng)然壓縮的碼流需要經(jīng)過(guò)解碼，然后再進(jìn)行顯示，監(jiān)控中心還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)出一些控制命令到終端，這些控制命令控制終端運(yùn)行的一些參數(shù)，比如視頻圖像的壓縮比、畫面的亮度、視頻的幀率以及攝像機(jī)云臺(tái)的轉(zhuǎn)送等參數(shù)。

3 監(jiān)控終端軟件的設(shè)計(jì)

從圖2可以總結(jié)出，監(jiān)控終端的軟件分為兩部分：DSP端視頻采集和壓縮編碼軟件，ARM端的網(wǎng)絡(luò)傳輸和控制調(diào)參軟件。

3.1 DSP端軟件的設(shè)計(jì)

DSP端軟件的核心任務(wù)是視頻編碼，本系統(tǒng)采用M-JPEG作為視頻壓縮編碼算法，JPEG是靜態(tài)圖像壓縮編碼方法，在監(jiān)控終端可以將視頻圖像當(dāng)作單幀的靜態(tài)圖像來(lái)進(jìn)行壓縮處理，在監(jiān)控中心利用解碼器將壓縮碼流單幀地解壓播放，就能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)視頻效果。下面給出本系統(tǒng)的JPEG實(shí)現(xiàn)的方法。JPEG編碼算法的流程如圖3所示。

圖3 JPEG流程圖

在圖3所示的編碼流程中，二維DCT變換在整個(gè)過(guò)程中運(yùn)算量最大。通過(guò)CCS實(shí)時(shí)性分析，發(fā)現(xiàn)DCT幾乎占用進(jìn)行整個(gè)編碼耗時(shí)的70%以上，因此在實(shí)現(xiàn)DCT變換的過(guò)程中，需要著重考慮算法和程序的優(yōu)化。JPEG編碼將圖像分成8×8塊，即DCT處理的基本單元是8×8的子塊[2]。因此，8點(diǎn)二維DCT變換定義如式（1），分解成2次一維DCT可以大大簡(jiǎn)化運(yùn)算，如式（2）～（3）

在進(jìn)行DCT變換的各種快速算法中，Loeffler算法被證明已經(jīng)達(dá)到了算法極限，是最優(yōu)秀的算法，該DCT算法共使用11次乘法和29次加法[3]。它把整個(gè)DCT過(guò)程分成了4級(jí)，每級(jí)都是乘加運(yùn)算[3]。DM6446非常適合做乘加，它可以達(dá)到每秒2.88×109次16位“乘加”運(yùn)算，或5.76×109次8位乘加運(yùn)算。本系統(tǒng)就是采用Loeffler快速算法來(lái)實(shí)現(xiàn)最為耗時(shí)的DCT變換。JPEG編碼中分塊、量化、Huffman編碼等部分實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，耗時(shí)也很少。在充分考慮各個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化后，對(duì)系統(tǒng)的編碼速度進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)對(duì)352×288大小的視頻進(jìn)行編碼的速度能夠達(dá)到80 f/s（幀/秒），可以滿足監(jiān)控畫面的實(shí)時(shí)性要求。

3.2 ARM端軟件的設(shè)計(jì)

ARM端軟件的核心任務(wù)是網(wǎng)絡(luò)傳輸和參數(shù)調(diào)節(jié)。ARM是目前主流的嵌入式系統(tǒng)解決方案所選擇的芯片，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都能很方便的移植運(yùn)行在ARM上，DM6446包含了一塊ARM9核，可以運(yùn)行Linux系統(tǒng)，Linux內(nèi)核包含有功能完備的TCP/IP協(xié)議棧，因此在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)時(shí)，不需要自行實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，大大減少了代碼量[4]。ARM端軟件的工作原理是，首先利用PPP撥號(hào)程序通過(guò)WCDMA撥號(hào)接入互聯(lián)網(wǎng)，等待監(jiān)控中心連接請(qǐng)求；接收來(lái)自DSP端編碼后的視頻數(shù)據(jù)，然后在收到監(jiān)控中心的連接請(qǐng)求時(shí)，將這些數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送到監(jiān)控中心。

聯(lián)通的WCDMA是國(guó)內(nèi)3G移動(dòng)通信的一種，具有技術(shù)成熟、帶寬大等優(yōu)點(diǎn)。目前聯(lián)通的WCDMA都采用HSDPA技術(shù)，下行速率為7.2 Mbit/s，今后還會(huì)升級(jí)到14.4 Mbit/s，完全可以滿足視頻無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。本系統(tǒng)采用的西門子WCDMA模塊MC75i支持HSDPA模式，為了保證傳輸速度DM6446與MC75i通過(guò)數(shù)據(jù)總線連接，利用它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，首先需要運(yùn)行在ARM核上的Linux系統(tǒng)通過(guò)PPP協(xié)議撥號(hào)接入互聯(lián)網(wǎng)，然后才能進(jìn)行信令和視頻碼流的傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)的穿透，本系統(tǒng)采用了自行設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)單的穿透協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體原理是，在互聯(lián)網(wǎng)中的一臺(tái)擁有公網(wǎng)IP的機(jī)器上運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)守程序，該程序記錄監(jiān)控中心和各個(gè)監(jiān)控終端所使用的端口號(hào)和公網(wǎng)IP地址。監(jiān)控中心和各監(jiān)控終端一啟動(dòng)就先向網(wǎng)守注冊(cè)自己的公網(wǎng)IP地址和端口信息，當(dāng)監(jiān)控中心要向終端發(fā)起網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，首先向網(wǎng)守服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求信令，網(wǎng)守服務(wù)器收到監(jiān)控中心的連接請(qǐng)求，可以從中得知監(jiān)控中心需要與哪些監(jiān)控終端連接，接著網(wǎng)守會(huì)將選中的監(jiān)控終端的公網(wǎng)IP地址和端口發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心得到這些公網(wǎng)IP地址和端口后，再次向監(jiān)控中心發(fā)起視頻連接請(qǐng)求，此時(shí)監(jiān)控中心會(huì)收到請(qǐng)求，驗(yàn)證合法后，向監(jiān)控中心直接發(fā)送視頻碼流。整個(gè)工作過(guò)程如圖4所示。圖中IP1A，Port1A，IPSA，PortSA分別代表監(jiān)控終端1和監(jiān)控中心的內(nèi)網(wǎng)IP地址和內(nèi)網(wǎng)端口；IP1G，Port1G，IPSG，PortSG分別代表監(jiān)控終端和監(jiān)控中心的公網(wǎng)IP地址和公網(wǎng)端口。

圖4 網(wǎng)絡(luò)傳輸工作流程圖

4 網(wǎng)絡(luò)流量和圖像質(zhì)量的問(wèn)題

雖然WCDMA網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠滿足視頻傳輸?shù)男枨螅珡墓?jié)約流量費(fèi)用的角度考慮，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要盡可能地在保證圖像質(zhì)量的前提下減少網(wǎng)絡(luò)流量。視頻傳輸系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)流量取決于編碼方法。在相同的編碼方法中，網(wǎng)絡(luò)流量和圖像質(zhì)量是存在著矛盾的，數(shù)據(jù)量大，圖像質(zhì)量好，數(shù)據(jù)量小，圖像質(zhì)量差。本系統(tǒng)在M-JPEG編碼基礎(chǔ)上增加了控制圖片質(zhì)量的參數(shù)Q，通過(guò)調(diào)節(jié)該參數(shù)可以改變圖片質(zhì)量，從而改變網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的大小。它的原理是通過(guò)參數(shù)Q改變量化時(shí)所用到的量化表中的量化步長(zhǎng)來(lái)改變量化結(jié)果中“0”的數(shù)量。Q與量化表之間的關(guān)系由下列公式確定

其中，InitQtableY[i]和InitQtableUV[i]分別為標(biāo)準(zhǔn)亮度量化表和色度量化表，F(xiàn)inalQtableY[i]和FinalQtableUV[i]分別為本文系統(tǒng)用于對(duì)亮度分量和色度分量的DCT系數(shù)進(jìn)行量化的量化表。從上式可以看出，Q值越大，mul_factor值越小，F(xiàn)inalQtableY[i]和FinalQtableUV[i]中各元素也越小，量化后的“0”的個(gè)數(shù)越少，壓縮后的圖像質(zhì)量就越高[4]。本系統(tǒng)中監(jiān)控中心可以設(shè)置參數(shù)Q，并將Q值通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，監(jiān)控終端根據(jù)設(shè)定的Q值實(shí)時(shí)的改變圖像質(zhì)量。表1給出了300 s在各種Q值下的流量統(tǒng)計(jì)，表中數(shù)據(jù)的測(cè)試條件為，視頻大小352×288，幀率為20 f/s。圖5給出了Q值等于95，50，25時(shí)的畫面。

表1 網(wǎng)絡(luò)流量統(tǒng)計(jì)

圖5 各種Q值畫面對(duì)比

從表1和圖5可以看出，Q=95時(shí)，每秒網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較大，畫面質(zhì)量最好，Q=50時(shí)，每秒網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量適中，并且畫面質(zhì)量較Q=95時(shí)沒(méi)有大幅下降，Q=25時(shí)的圖像質(zhì)量明顯下降。因此本系統(tǒng)將Q的初始值設(shè)置為50，在Q=50時(shí)，網(wǎng)絡(luò)流量較小，并且畫面質(zhì)量也能滿足大多數(shù)場(chǎng)合的要求。

視頻監(jiān)控中心效果如圖6所示。從圖可以看出，在默認(rèn)參數(shù)下，該監(jiān)控系統(tǒng)的畫面質(zhì)量令人滿意。

圖6 監(jiān)控中心效果圖

5 小結(jié)

本文提出的基于3G的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具有穩(wěn)定性高、圖像質(zhì)量較好、網(wǎng)絡(luò)傳輸性能好等特點(diǎn)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的監(jiān)控圖像質(zhì)量能滿足大多數(shù)用戶對(duì)畫面質(zhì)量的要求，另外，該視頻服務(wù)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求適中，完全適合局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)上使用。

[1]唐健雄，陳力.基于TMS320DM6446的視頻會(huì)議終端硬件設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2008，32（3）：93-95.

[2]鄧慧萍，張正炳，賈冬順.一種改進(jìn)的2D-DCT的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007（35）∶214-215.

[3]LEOFFLER C，LIGTENBERG A,MOSCHYTZ G S.Practical fast 1D DCT algorithms with 11 multiplications[EB/OL].[2009-10-20].http∶//ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel2%2F805%2F6677%2F00266596.pdf%3Farnumber%3D266596&authDecision=-203.

[4]梅曉蘭，張連發(fā)，梅啟斌.基于OMAP1510雙核架構(gòu)的移動(dòng)多媒體通信終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30（8）：20-24.