基于DM368的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

胡 浩，王 鋒

(1.武漢郵電科學研究院，湖北 武漢 430074;2.武漢虹信通信技術(shù)有限責任公司，湖北 武漢 430073)

隨著市場經(jīng)濟活動范圍的不斷擴大和社會人員自由流動的日益頻繁，國民對公共安全問題的關(guān)注與日俱增，促進了視頻監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品市場的爆炸式增長，促進了視頻監(jiān)控系統(tǒng)“高清化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”技術(shù)的不斷成熟［1］?，F(xiàn)階段，視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于民警日常工作和重點場所監(jiān)控，主要采用人工瀏覽的方式來監(jiān)管視頻監(jiān)控系統(tǒng)，而這種費時費力的方式已不能滿足實際需求。

本文基于達芬奇數(shù)字媒體處理技術(shù)，采用TMS320DM368(簡稱DM368)提出了一種智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案，在前端和視頻管理分析子系統(tǒng)中對視頻進行智能分析，降低了漏報率和誤報率，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，能更準確地提供有效的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

1 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)及組成

本文設(shè)計的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)分為視頻采集子系統(tǒng)、視頻傳輸子系統(tǒng)和視頻分析子系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

視頻采集子系統(tǒng)包括圖像采集模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊和視頻處理模塊。圖像采集模塊為整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供原始圖像數(shù)據(jù)，一般場合可以選用模擬的攝像頭，此時信號轉(zhuǎn)換模塊選用一顆將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的視頻編碼芯片;在一些重要場合可以選用一體化數(shù)字攝像機，一體化數(shù)字攝像機在內(nèi)部已經(jīng)對采集到的原始視頻信息做了數(shù)據(jù)處理，此時可以將一體化數(shù)字攝像機輸出的視頻信號直接交給視頻處理模塊做下一步處理。

視頻傳輸子系統(tǒng)包括專網(wǎng)、移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)?？梢圆捎脤＞W(wǎng)作為前端設(shè)備接入網(wǎng)，實現(xiàn)視頻圖像的安全傳輸，在不便于專網(wǎng)鋪設(shè)的地區(qū)可以考慮使用移動通信網(wǎng)絡(luò)輔助接入，然后將視頻信息傳遞給專網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)做補充，為遠程調(diào)閱視頻監(jiān)控信息提供便利的條件。

視頻分析子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對前段視頻采集子系統(tǒng)的管理，對視頻數(shù)據(jù)及其相關(guān)數(shù)據(jù)的分析并按照一定的機制處理，是視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)智能的重要組要成部分。

1.1 前端視頻采集系統(tǒng)設(shè)計

DM368是TI公司推出的一款基于DaVinci技術(shù)的數(shù)字媒體處理器，內(nèi)含1個ARM9的核心以及2個圖像協(xié)處理器。支持對 H.264，MPEG－4，MPEG－2，MJPEG，JPEG，WMV9/VC1等多格式視頻和圖像數(shù)據(jù)進行編解碼，支持BT.601/BT.656/BT.1120 格式輸入的 YUV422 數(shù)字信號［2］。前端視頻采集子系統(tǒng)由一體化數(shù)字攝像機、LVDS SERDES芯片、達芬奇處理器芯片DM368、DDR2 SDRAM、Flash、以太網(wǎng)控制器組成［3］。視頻采集子系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖2 視頻采集子系統(tǒng)功能框圖

在本設(shè)計中選用的一體化數(shù)字攝像機內(nèi)部DSP采用8 bit系統(tǒng)按照74.25 MHz的采樣頻率對原始圖像數(shù)據(jù)進行量化，輸出的圖像數(shù)據(jù)完全符合ITU－R BT.709和ITU－R BT.1120協(xié)議。一體化數(shù)字攝像機輸出的數(shù)字視頻信號包括8 bit亮度信息(Y分量)、8 bit顏色信息(U和 V)、垂直同步信號(Vsync)、水平同步信號(Hsync)和場同步信號(Field Pulse)。這些信號按照7∶1復(fù)用成4通道串行數(shù)據(jù)，加上獨立的LVDS時鐘信號一共是5通道數(shù)據(jù)。DS90CR288是能將4通道LVDS數(shù)據(jù)流解串為28 bit TTL電平的LVDS解串芯片，它支持LVDS發(fā)送端最高時鐘頻率為 85 MHz［4］。在經(jīng)過DS90CR288解串后的視頻數(shù)據(jù)符合BT.1120格式，能夠?qū)崿F(xiàn)與DM368無縫對接。

在本設(shè)計中視頻采集子系統(tǒng)選用2片1 Gbit容量的DDR2 SDRAM和1片1 Gbit容量的NAND Flash芯片作為外部存儲芯片。DS90CR288輸出的數(shù)據(jù)流傳輸?shù)紻M368的VPFE(視頻處理前端)后有兩種處理方式，一種方式為DM368的VPFE將接收到的視頻數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為YUV4∶2∶0格式;另一種方式為VPFE接收到視頻數(shù)據(jù)后直接通過EDMA的方式將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至DDR2，然后將視頻數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為YUV4∶2∶0。進行格式轉(zhuǎn)換后的視頻圖像數(shù)據(jù)然后傳遞給HDVICP(高清視頻圖像協(xié)處理器)進行編碼，并在芯片內(nèi)部ARM子系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的封裝。

此外，DM368提供了豐富的外部接口，在音頻方面芯片內(nèi)部集成了音頻的CODEC，只需要少量的外圍元件就可以直接接入傳聲器和耳機，實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的采集與輸出。系統(tǒng)支持的USB2.0，UART，PWM等接口，也為前端視頻采集子系統(tǒng)進行功能擴展提供了足夠的空間。利用USB接口，掛載移動硬盤等存儲設(shè)備實現(xiàn)前端存儲功能。而DM368的PWM輸出可以實現(xiàn)對前端云臺的控制，靈活地調(diào)整視頻采集系統(tǒng)的可視角。

1.2 視頻傳輸子系統(tǒng)設(shè)計

在前端視頻采集子系統(tǒng)中DM368實現(xiàn)了對視頻圖像數(shù)據(jù)的壓縮編碼，按照H.264協(xié)議封裝成IP數(shù)據(jù)包。在DM368的后端通過以太網(wǎng)控制芯片實現(xiàn)前端的網(wǎng)絡(luò)通信功能。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)立足于安防，只有在設(shè)計之初考慮信息傳輸?shù)陌踩?，才能保證整個系統(tǒng)信息的可靠性。本設(shè)計著眼于平安城市建設(shè)，前端采用公安專網(wǎng)接入利用EPON技術(shù)和安全網(wǎng)閘數(shù)據(jù)穿透技術(shù)，不僅滿足了視頻大容量傳輸要求，還保證了通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠安全，降低了城市監(jiān)控系統(tǒng)信息丟失和被竊取的可能性。而移動視頻采集終端作為視頻監(jiān)控的重要組成部分，在不需要布線的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻信息從現(xiàn)場到后方指揮平臺的傳輸，方便快捷。對于山林火宅監(jiān)測、油田無人區(qū)巡視、邊防岸線監(jiān)控等常規(guī)布線難以實現(xiàn)，或布線成本高的地區(qū)能夠最大限度的發(fā)揮移動終端的優(yōu)勢。另外，應(yīng)對突如其來的自然災(zāi)害(如地震、泥石流、臺風、海嘯等)原本完善、正常的通信網(wǎng)絡(luò)可能受到破壞，救災(zāi)系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)，利用DM368的USB接口外接GPS模塊對移動終端進行定位，獲取實時視頻信息之外的地理信息，移動視頻采集終端可以方便、快捷地發(fā)揮輔助救災(zāi)指揮的作用。而3G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模覆蓋，使得移動通信網(wǎng)為承載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸提供了有利條件。

此外，根據(jù)需要還可以通過視頻管理分析子系統(tǒng)進行權(quán)限管理和視頻發(fā)布，實現(xiàn)資源共享。

1.3 視頻管理分析子系統(tǒng)分析與設(shè)計

視頻管理分析處理子系統(tǒng)完成對整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)資源統(tǒng)一管理。本設(shè)計中DM368構(gòu)建的視頻采集系統(tǒng)在視頻編解碼芯片DM368中固化了人臉識別模塊，可以實現(xiàn)對視頻信息的初次分析處理，但深度智能分析需要依靠視頻分析處理系統(tǒng)來完成。

視頻管理分析子系統(tǒng)包括中心管理服務(wù)器、媒體分發(fā)單元、網(wǎng)絡(luò)錄像單元、接入網(wǎng)關(guān)和智能視頻處理單元。中心管理服務(wù)器是整個視頻管理分析系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對前端、服務(wù)器設(shè)備、各應(yīng)用模塊、客戶的管理。媒體分發(fā)單元和網(wǎng)絡(luò)錄像單元實現(xiàn)媒體數(shù)據(jù)的分發(fā)和存儲。接入網(wǎng)關(guān)對前端和客戶端的接入管理，是整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一道防火墻。

智能視頻處理單元結(jié)合前端智能分析的報告采用行為模式識別技術(shù)、目標檢測與分析、自動跟蹤、模式理解等技術(shù)，通過對比智能視頻分析的結(jié)果和智能視頻處理單元后臺數(shù)據(jù)識別出監(jiān)控系統(tǒng)中的有效信息，反饋給中心管理服務(wù)器觸發(fā)相應(yīng)的處理策略。實現(xiàn)車牌識別、區(qū)域檢測、物品遺留等為事件處理決策提供依據(jù)。

2 實驗結(jié)果分析

如圖3所示，圖3a為采用后端智能處理過的標清視頻，從畫面質(zhì)量分析，畫面不是很清晰，從智能處理角度分析，后端智能實現(xiàn)了區(qū)域檢測、運動軌跡、速度檢測等功能。圖3b為本文所述采用DM368實現(xiàn)的高清1080p視頻監(jiān)控系統(tǒng)輸出的圖像，圖3c為對高清視頻進行后端智能機制處理后的圖片，在實現(xiàn)高清畫質(zhì)輸出的狀況下同時實現(xiàn)了智能處理。

圖3 后端智能分析對比

3 結(jié)束語

針對DM368能夠支持1080p@30 f/s，實現(xiàn)HP級H.264編解碼，提升了壓縮效率，本文采用后端智能的方式實現(xiàn)了視頻智能分析與處理。系統(tǒng)能夠在不對前端設(shè)備替換升級的情況下，通過升級更新后端智能處理策略的方式實現(xiàn)功能更新和擴展，提升了系統(tǒng)復(fù)用率，降低了整個系統(tǒng)的投入，滿足不同場合的需求。

［1］李曉飛.網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.數(shù)據(jù)通信，2010(2):11－13.

［2］鄭世寶.智能視頻監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2009，33(1):94－96.

［3］Texas Instruments.TMS320DM36x digital media system－on－chip(DMSoC)video processing front end(VPFE)users guide［EB/OL］.［2011－06－20］.http://ishare.iask.sina.com.cn/f/14960841.html.

［4］Texas Instruments.TMS320DM368 digital media system－on－chip［EB/OL］.［2011－06－20］.http://www.cndzz.com/diagram/3979_4088/85012.html.