嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

吳 永

廣東工程職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510520

0 引言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)近年來在人們的工作和生活環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的基于PC機和視頻電纜的視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在著諸如安裝攜帶不便、不能在惡劣環(huán)境下使用、需要專門鋪設(shè)大量線纜等一些缺點。隨著近年來嵌入式軟硬件技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是DSP、PowerPC等嵌入式芯片的出現(xiàn)，將嵌入式處理器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到視頻監(jiān)控系統(tǒng)中不僅克服了上述的一些缺點，而且其強大的功能加上豐富的外設(shè)接口和高度的可編程性使得視頻監(jiān)控的硬件和軟件都更容易實現(xiàn)。

本文介紹了一種基于單顆數(shù)字媒體處理器TMS320DM643（600MHz）的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，按本方案設(shè)計的系統(tǒng)體積小巧、攜帶方便，并可直接通過RJ45接口連入IP網(wǎng)絡(luò)，在遠程主機的控制下實現(xiàn)監(jiān)控視頻的實時采集與傳輸。

1 基于TMS320DM643的硬件設(shè)計

嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分采用模塊化設(shè)計方法，包括數(shù)字媒體處理器模塊、視頻解碼模塊、音頻編解碼模塊、以太網(wǎng)接口模塊、存儲器擴展模塊。

數(shù)字媒體處理器模塊采用TMS320DM643[1]，其內(nèi)部集成了三個可配置視頻端口、一個10/100MBPS的以太網(wǎng)MAC（EMAC）、一個面向音頻應(yīng)用的串行口（McASP），處理器核內(nèi)還有8個并行的處理單元，采用VLIW（甚長指令集）結(jié)構(gòu)，處理能力高達4800MIPS，同時TMS320DM643的指令集設(shè)計得更有利于執(zhí)行圖象處理中的各種算法。

視頻解碼模塊采用Philips公司的SAA7115。攝像機輸人的模擬視頻信號在SAA7115內(nèi)部經(jīng)過鉗位、抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換、YuV分離電路之后，轉(zhuǎn)換成視頻數(shù)據(jù)流，通過DM643的視頻口VP0輸人到壓縮核心單元中。編程時，SAA7115內(nèi)部寄存器參數(shù)的配置和狀態(tài)的讀出均可通過I2C總線來完成。

音頻編解碼模塊使用TI的高性能立體聲編解碼器TLV320AIC23（以下簡稱AIC23），主要用于實現(xiàn)音頻信號的采集和播放。由于AIC23與DM643的輸入/輸出電壓兼容，連線時可實現(xiàn)AIC23與DM643的McASP接口的無縫連接。

由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓逃刑攸c，音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮辗綍r不可能是均勻的，為解決音視頻數(shù)據(jù)在接收方的同步輸出問題，本系統(tǒng)利用鎖相環(huán)LL1708來實現(xiàn)音頻和視頻的同步采樣。從SAA7115輸出的27MHz時鐘，經(jīng)PLL1708處理后變?yōu)?8.433MHz，并將它作為AIC23的輸人主時鐘，如此，由于音視頻采樣信號使用同一個時鐘源，就不會出現(xiàn)音視頻采集不同步的問題。

以太網(wǎng)接口模塊采用LXT971，它支持IEEE 802.3標準，提供了MII（media independent interface）接口，可以支持MAC，而DM643內(nèi)部正好集成有MAC控制器，所以LXT971和DM643可以實現(xiàn)無縫連接。

存儲器擴展模塊主要包括兩片32MB的SDRAM和一片4MB的FLASH，DM643的EMIF接口外接兩片32MB的SDRAM，主要用于存放原始圖像數(shù)據(jù)，而擴展的那片4MB的FLASH，主要用于存放應(yīng)用程序，二者都映射到DM643的外部數(shù)據(jù)空間。

系統(tǒng)工作時，TMS320DM643數(shù)字媒體處理器通過以太網(wǎng)接口模塊從網(wǎng)絡(luò)獲得遠程上位機發(fā)送來的控制數(shù)據(jù)，然后啟動攝像機和麥克風開始采集數(shù)據(jù)，從攝像機輸入的視頻信號和從麥克風輸入的音頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入DM643中的DSP，DSP對音視頻數(shù)據(jù)流進行壓縮編碼和合流，然后通過局域網(wǎng)或因特網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給上位機，上位機收到數(shù)據(jù)后通過監(jiān)控屏幕及揚聲器回放出來，以實現(xiàn)對現(xiàn)場的視音頻監(jiān)控目的。

2 軟件實現(xiàn)

通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來傳輸監(jiān)控視頻，必須考慮到網(wǎng)絡(luò)實際傳輸帶寬往往會比較小，而視頻數(shù)據(jù)量卻又非常龐大的現(xiàn)狀，因此必須對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮，怎樣壓縮呢？視頻壓縮算法的選擇是關(guān)鍵，目前，較為常用的壓縮算法有：基于電話視頻會議的壓縮標準H.263系列、M-JPEG動態(tài)圖像壓縮方式（壓縮比為10-30：1左右）、MPEG-1活動影像壓縮方式（VCD壓縮標準，壓縮比為40-100：1左右）、MPEG-2 活動影像壓縮方式（DVD壓縮標準，壓縮比為10-30：1左右）、H.264視頻壓縮算法（一種新的窄帶傳輸方法，壓縮比為100：1左右，為許多電話線/網(wǎng)絡(luò)傳輸產(chǎn)品所采用）。

以上各種壓縮算法各有優(yōu)缺點，這決定了它們分別適用于不同的應(yīng)用場所，H.263適合用于可視電話及視頻會議等對圖像大小和質(zhì)量要求不是很高的應(yīng)用領(lǐng)域；M-JPEG可以獲得較高圖像質(zhì)量，但實時性不強； MPEG-1壓縮后的圖像質(zhì)量不是太好、MPEG-2的壓縮比不夠。根據(jù)信道的帶寬和對圖像質(zhì)量的要求，我們在圖像質(zhì)量和碼率之間綜合考慮后，決定本系統(tǒng)采用H.264壓縮標準。

分析表明，對于同等的圖象質(zhì)量，H.264算法比H.263算法雖然碼流降低了50%，但同時H.264算法比H.263算法復(fù)雜很多，需要更強的處理能力，以及做更多的軟件優(yōu)化工作。

另外，在基于分組交換的IP網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)分組一般需經(jīng)過多個路由、不同的路徑才能到達目的地，因此視音頻數(shù)據(jù)分組的到達時間、到達順序、同一視音頻數(shù)據(jù)報文到達的數(shù)量都將變得無從預(yù)測，就必將造成視音頻數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)牟煌絾栴}。

以下就這兩個問題分別進行討論。

2.1 H.264算法的實現(xiàn)及優(yōu)化

整個系統(tǒng)設(shè)計的難點和重點是H.264算法的軟件實現(xiàn)。在DM643上的實現(xiàn)H.264算法大致可分為以下三個階段[2，3]：

第一階段是編寫C代碼。

在編寫C代碼過程中，充分利用Tl公司為用戶提供的功能強大的函數(shù)庫[4]，來完成DCT/IDCT變換、DCT量化、自適應(yīng)濾波等功能，這些函數(shù)都是經(jīng)過優(yōu)化的，完全能夠?qū)崿F(xiàn)軟件流水，效率很高。

另外再靈活運用其他一些有用的程序優(yōu)化方法，例如對定點乘法，盡可能使用short型數(shù)據(jù)，將一些需要通過計算得到結(jié)果的語句或函數(shù)用查找表或常數(shù)值來直接代替，等等。

第二階段是重點優(yōu)化C代碼。

使用profiling工具對第一階段的C代碼性能進行分析，確定可能存在的低效率段，然后使用適當?shù)姆椒ㄟM行優(yōu)化，優(yōu)化方法一般有使用編譯器選項、使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)、使用軟件流水等[5，6，8]。

本系統(tǒng)設(shè)計中，DCT、IDCT、運動估計的運算量很大，是程序優(yōu)化的重點。本系統(tǒng)通過使用“-mt”等編譯器選項來指明程序中不相關(guān)的指令，使指令并行操作，大大提高了程序的執(zhí)行效率；還通過使用-o2選項和-o3選項，對循環(huán)代碼實現(xiàn)軟件流水；在算術(shù)操作中，通過使用intrinsics只需調(diào)用SADD，一個指令周期便可得到最終結(jié)果，不需要對計算結(jié)果再做飽和（saturation）處理，效率提高了很多。

第三階段是編寫線性匯編代碼。

再次使用profiling工具檢查經(jīng)過以上優(yōu)化后的C代碼性能，如果代碼仍達不到所期望的效果，則從中抽出對性能影響很大的C代碼段，用線性匯編重新編寫這段代碼，然后使用匯編優(yōu)化器做進一步的優(yōu)化[6,7,8]。

線性匯編代碼的編寫比匯編代碼更簡單，它不需要注明所使用的寄存器、指令的并行與否、指令的延遲周期和指令使用的功能單元等，匯編優(yōu)化器[9]能根據(jù)代碼的情況來自動確定這些信息。同時，可以事先畫出指令的相關(guān)圖，根據(jù)相關(guān)圖合理分配邏輯單元，來最大限度的保證指令的并行執(zhí)行。應(yīng)充分使用C64x DSP提供的包處理指令來處理數(shù)據(jù)（包處理指令可同時處理2個l6位數(shù)據(jù)和4個8位數(shù)據(jù)），例如STDW（STNDW）、LDDW （LDNDW）、AVGU4、MIN2、MAX2、SPACKU4、PACK2、D0TP2、D0TPN2 和UNPKLU4 等指令，這樣可大大減少代碼長度，提高代碼執(zhí)行效率。對于兩重循環(huán)嵌套，可將內(nèi)層循環(huán)展開為外層循環(huán)內(nèi)部的條件指令，這樣可減少由內(nèi)層循環(huán)所帶來的循環(huán)前后的prolog和epilog的開銷。

2.2 視音頻數(shù)據(jù)流同步傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

如果我們將壓縮后獲取的視音頻復(fù)合流直接利用UDP套接字進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，那么，接收方接收到的視音頻復(fù)合流就不能攜帶RTP協(xié)議的報文信息。由于UDP協(xié)議不能保證視音頻數(shù)據(jù)報文的有序和無重復(fù)，我們無法對接收到的視音頻數(shù)據(jù)包重新排序，原來的視頻圖像將不能重建，音視頻的同步傳輸更無從談起。

為解決網(wǎng)絡(luò)傳輸時視音頻數(shù)據(jù)流不同步的問題，我們采用RTP協(xié)議來封裝視音頻流。

在使用RTP協(xié)議對視音頻復(fù)合流進行封裝時，通行的做法是——在操作系統(tǒng)中裝載RTP協(xié)議的動態(tài)鏈接庫（DLL），然后將發(fā)送端的視頻編碼器輸出的數(shù)據(jù)流進行相應(yīng)的成幀算法，形成適合于RTP協(xié)議格式的視頻流封裝，遞交給RTP協(xié)議分組處理模塊，加上此協(xié)議的分組報文頭，并根據(jù)當前的采樣時鐘打上時間戳，標記順序號，并給定幀頻、分辨率、相應(yīng)的壓縮格式等參數(shù)，經(jīng)多目地址傳輸來完成。

在接收端，當實時視頻數(shù)據(jù)到達后，去掉該層協(xié)議的頭標，根據(jù)套接字應(yīng)用的端口號向上層遞交。RTP分組模塊處理遞交的數(shù)據(jù)分組，根據(jù)其會話標識和序列號進行鑒別，將有效的分組傳遞給相應(yīng)的解碼緩沖區(qū)，實現(xiàn)視頻流內(nèi)部的同步。

3 測試與性能分析

設(shè)計調(diào)試好硬件系統(tǒng)，并在DM643上對整個系統(tǒng)軟件進行設(shè)計及優(yōu)化后，系統(tǒng)性能有了較大的提高。為測試與驗證本系統(tǒng)，使用VC++語言編寫了一套運行于Windows XP操作系統(tǒng)的簡易遠程視頻監(jiān)控軟件，安裝在連入網(wǎng)絡(luò)的PC機中，將設(shè)計制作好的本系統(tǒng)連入網(wǎng)絡(luò)的另一端點。PC機中的遠程視頻監(jiān)控軟件通過網(wǎng)絡(luò)對本系統(tǒng)發(fā)出視頻采集請求，系統(tǒng)收到請求后按要求將采集到的視音頻實時傳輸?shù)絇C機上回放出來，測試表明本系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)速度為30Kbps以上時能實時傳輸CIF圖像，并可實現(xiàn)視音頻同步，說明系統(tǒng)能夠滿足實際需要。

4 結(jié)論

本文描述了基于單顆DM643芯片實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，并通過自行設(shè)計的遠程視頻監(jiān)控程序?qū)ζ溥M行了測試，性能良好。隨著視頻編解碼技術(shù)的發(fā)展和嵌入式Internet技術(shù)的成熟，以低成本嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控裝置為核心的大規(guī)模分布式網(wǎng)絡(luò)遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域之中。

[1]Texas Instruments.TMS320DM643 Video-ImagingFiexed-Point Signal Processor, ,2003,5.

[2]ITU-T Rec.H.264/ISO/IEC 1496-10.Advanced VideoCoding.Final Committee Draft，Document JVT-E022，2002，12(9)．

[3]任麗香，馬淑芬，李方慧.TMS320C6000系列DSPs的原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[4]TI公司.TMS320C62x Image-Video Processing LibraryProgrammer’s Reference[M]，2000.

[5]Texas Instruments.TMS320C6x Optimizing C CompilerUser’s Guide, 1998.

[6]Texas Instruments.TMS320C6x Programmer’s Guide,1998.

[7]Texas Instruments.TMS320C6x Assembly LanguageTools User’s Guide, 1998.

[8]]Texas Instruments.TMS320C6x C Source Debugger,1998.