基于達芬奇技術(shù)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機系統(tǒng)研究

肖 軍，徐熙平，李沛松（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春130022）

隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)攝像機已經(jīng)廣泛運用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和視頻會議領(lǐng)域中。網(wǎng)絡(luò)攝像機的發(fā)展趨勢集視頻采集、視頻壓縮、視頻發(fā)送為一體，并且按照需求添加相應(yīng)圖像識別、圖像疊加、運動偵測、云臺控制和報警等功能。因此要求處理芯片具有強大的控制能力和數(shù)據(jù)處理能力。TI公司推出了達芬奇技術(shù)，專門應(yīng)用于多媒體系統(tǒng)，它把圖像處理的編碼算法封裝成標(biāo)準(zhǔn)API，應(yīng)用程序調(diào)用這些API函數(shù)即可實現(xiàn)圖像的編碼處理。

TMS320DM368芯片是基于達芬奇技術(shù)的音視頻數(shù)字媒體片上系統(tǒng)(DMSoC)[1]，它以ARM926EJ-STM為內(nèi)核，擁有兩個視頻圖像協(xié)處理器（HDVICP和MJCP），廣泛運用于中低端音視頻處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用DM368來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)攝像機視頻服務(wù)器，通過訪問服務(wù)器可實時查看監(jiān)控視頻。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

TMS320DM368只有一個ARM內(nèi)核，通過嵌入Linux系統(tǒng)來實現(xiàn)圖像的采集處理和網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，CMOS圖像采集模塊把采集的數(shù)字圖像發(fā)送給TMS320DM368主芯片，然后調(diào)用算法API函數(shù)實現(xiàn)H.264編碼。UDP接收負責(zé)接收參數(shù)控制命令，經(jīng)過命令解析把參數(shù)傳遞給對應(yīng)模塊。RTSP負責(zé)等待客戶端訪問，然后創(chuàng)建用于RTP數(shù)據(jù)包發(fā)送的套接字。

為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能，應(yīng)用程序主要分為以下幾個線程：CMOS視頻采集線程、視頻編碼線程、RTSP任務(wù)調(diào)度線程、RTP視頻數(shù)據(jù)發(fā)送線程、UDP命令接收線程和命令解析線程。CMOS視頻采集線程負責(zé)按要求初始化CMOS芯片，采集視頻圖像；視頻編碼線程調(diào)用算法API接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)圖像的編碼壓縮；RTSP任務(wù)調(diào)度線程創(chuàng)建TCP套接字，等待客戶端的訪問連接，然后把所訪問客戶端的地址信息存放在調(diào)度任務(wù)中；RTP視頻數(shù)據(jù)發(fā)送線程把視頻數(shù)據(jù)通過RTP協(xié)議發(fā)送給指定客戶端；UDP命令接收線程負責(zé)接收客戶端發(fā)送的控制命令，然后發(fā)送給命令解析線程；命令解析線程把接收到的命令解析處理，把參數(shù)傳遞給對應(yīng)模塊。

2 視頻采集和編碼

2.1 視頻采集模塊

視頻采集選用MT9P031型CMOS數(shù)字圖像傳感器芯片，感光面為1/2.5英寸，最大像素為 2592×1944。該芯片利用像素跳躍和像素混合技術(shù)，在不改變視場的情況下減少輸出圖像分辨率。它還提供I2C接口，主控器可以通過I2C接口設(shè)置CMOS輸出圖像的屬性，并且還集成了ADC轉(zhuǎn)換器，直接輸出12 bit數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，在時鐘和行場同步信號作用下輸出每一幀圖像，如圖2所示。每一個場同步信號FV有效（高）表示一幀圖像，每一個場同步信號LV有效（高）表示該幀的一行，在行場同步都有效時每一個像素時鐘脈沖的Dout輸出就是對應(yīng)像素的RGB值。若輸出一幀720 p的圖像，像素大小為 1280×720，每一個FV高電平區(qū)間就有720個LV高電平，在每一個LV高電平區(qū)間又有1 280個PCLK時鐘脈沖。

圖2 MT9P031輸出像素時序圖

TMS320DM368有一個ISIF接口，專門用于接收數(shù)字的視頻數(shù)據(jù)，芯片內(nèi)部集成了ISIF圖像接收模塊，每接收到一幀完整的數(shù)據(jù)，芯片就會產(chǎn)生一個ISIF_INT中斷信號，在中斷響應(yīng)程序里面可以把數(shù)據(jù)存放到指定地址。MT9P031和TMS320DM368的連接如圖3所示。MT9P031芯片的時鐘源由DM368GIO37引腳輸出提供，頻率為24 MHz，GIO91和GIO93引腳分別接復(fù)位和使能端。

圖3 MT9P031和TMS320DM368連接圖

2.2 H.264編碼模塊

對所采集的視頻數(shù)據(jù)進行編碼是通過調(diào)用Codec Engine算法包來實現(xiàn)的[2]。Codecs Engine是一組用來調(diào)用xDAIS算法的API，不管是在ARM端還是在DSP端，不管操作系統(tǒng)的差異，調(diào)用的API函數(shù)都是一致的。用戶只需要配置相應(yīng)的*.cfg文件即可指定需要調(diào)用的算法，然后在應(yīng)用程序中即可調(diào)用API函數(shù)進行算法編解碼。

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。H.264標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩個層次：視頻編碼層（VCL）和網(wǎng)絡(luò)抽象層（NAL），VCL負責(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?shù)據(jù)進行打包和傳送。

為了得到H.264格式的視頻流，本系統(tǒng)采用的H.264算法為TI發(fā)布的Codec Engine，配置 alg_server.cfg文件來實現(xiàn)對已經(jīng)編譯算法的接口聲明，文件配置如下：

其中，name為調(diào)用算法的名字；mod用來標(biāo)識實際的算法實現(xiàn)模塊；loacl指定算法運行在ARM端 (true)或者 DSP端(false)。

在應(yīng)用程序中調(diào)用的接口函數(shù)有：VIDENC1_create、VIDENC1_control、VIDENC1_process 和 VIDENC1_delete。

3 視頻服務(wù)器的建立

3.1 搭建RTSP服務(wù)器

RTSP(Real Time Streaming Protocol)實時流協(xié)議是為了建立并控制一個或幾個時間同步的連續(xù)流媒體[3]，它本身不發(fā)送連續(xù)媒體流，只充當(dāng)多媒體服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)遠程控制。

RTSP服務(wù)器需要預(yù)定義的方法有OPTION、DESCRIBE、SETUP、PLAY 和 TEARDOWN， 在 OPTION 響 應(yīng)中需要實現(xiàn)服務(wù)器基本信息描述，DESCRIBE響應(yīng)中需要向客戶端發(fā)送視頻的SDP信息，SETUP響應(yīng)需要根據(jù)客戶端端口信息建立RTP（實時傳輸協(xié)議）視頻發(fā)送套接字，PLAY響應(yīng)實現(xiàn)由RTP向客戶端發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，TEAREOWN響應(yīng)關(guān)閉對應(yīng)RTP套接字，并且釋放對應(yīng)的系統(tǒng)資源，流程如圖4所示。

3.2 RTP發(fā)送H.264視頻流

RTP(Real-Time Transport Protocol)實時傳輸協(xié)議是在多點傳送或單點傳送的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)上提供端對端的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，適用于實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊蟍4]。RTP固定報頭格式如圖5所示。

定義報頭的數(shù)據(jù)格式如下：

圖4 RTSP服務(wù)器流程圖

圖5 RTP固定報頭格式

經(jīng)編碼模塊輸出的H.264視頻流由一系列NAL單元（NALU）構(gòu)成，每個 NALU由起始碼前綴(0x00000001)分隔開來[5]，所以RTP發(fā)送線程可以在輸出編碼流中提取出每個NALU，經(jīng)過RTP協(xié)議轉(zhuǎn)換發(fā)送給客戶端。從編碼流中提取NALU單元流程如圖6所示。

經(jīng)過驗證，對于720 p的H.264編碼輸出NALU負載長度不一，最大達到幾十字節(jié)，從網(wǎng)絡(luò)性能方面考慮，不宜發(fā)送過大的RTP數(shù)據(jù)包，為此采用RFC3984標(biāo)準(zhǔn)的FU-A方法對NALU進行分割，設(shè)置每個RTP包最大長度為1 400 B。于是對于不同負載長度的 NALU，RTP發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

定義結(jié)構(gòu)體：

圖6 NAL單元提取流程圖

表1 RTP數(shù)據(jù)發(fā)送格式

其中，參數(shù)NaluHdr和FuIndic由NALU第一個字節(jié)決定，參數(shù)FuHdr用于設(shè)置分片發(fā)送的起始和結(jié)束RTP包。

本文研究了基于達芬奇技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)攝像機系統(tǒng)，著重介紹了視頻采集、H.264算法的調(diào)用、RTSP視頻服務(wù)器以及利用RTP數(shù)據(jù)報發(fā)送。系統(tǒng)的應(yīng)用程序采用多線程技術(shù)，提高了資源利用率和綜合性能。搭建的服務(wù)器專門用于H.264格式的視頻流發(fā)送，執(zhí)行效率高，便于維護，對類似系統(tǒng)有很大的參考價值?；赥MS320DM368的網(wǎng)絡(luò)攝像機投入成本低，開發(fā)周期短，可以廣泛運用于各種監(jiān)控系統(tǒng)。

[1]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM368 Digital Media System-on-Chip(DMSoC)[EB/OL].[2011-06-30].http：//www.ti.com/lit/gpn/tms320dm368.

[2]Texas Instruments Incorporated.Codec Engine Application Developer User s Guide[A].http：//www.ti.com/lit/ug/sprue67d/sprue67d.pdf.

[3]SCHULZRINNE H，RAO A，LANPHIER R.Real time streaming protocol(RTSP)[S].RFC 2326，1998.

[4]SCHULZRINNE H，CASNER S，F(xiàn)REDERICK R.RTP：A transport protocolfor real-time applications[S].RFC 3550，2003.

[5]張多英.嵌入式視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2010，31(4)：724-728.