基于DM368的無人機(jī)視頻壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳笑天，魯劍鋒，王宇慶，陳典兵

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 510640；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 510640）

1 引 言

無人機(jī)是一種近年來倍受各國青睞的高性能信息化裝備，具有起降簡單，操作靈活，成本低廉，不懼傷亡等多種優(yōu)勢。無人機(jī)的出現(xiàn)極大豐富和改變了戰(zhàn)爭的模式，在航空偵察、情報(bào)支援、電子干擾等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用［1－2］。無人機(jī)在實(shí)戰(zhàn)中體現(xiàn)出的最大優(yōu)勢在于情報(bào)獲取上，而圖像數(shù)據(jù)則又是情報(bào)數(shù)據(jù)的重要內(nèi)容之一，因此無人機(jī)的圖像處理技術(shù)將對其作戰(zhàn)性能的提升產(chǎn)生很大的影響，各類圖像預(yù)處理算法在該領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用，如配準(zhǔn)、校正、圖像增強(qiáng)等［3－5］，本文將重點(diǎn)研究無人機(jī)的圖像壓縮技術(shù)。

無人機(jī)所獲取的高分辨率圖像信息需要經(jīng)過無線鏈路傳輸至地面終端顯示，但即便是每秒25幀的CIF圖像（352×288）也將產(chǎn)生每秒約2.5 MB的數(shù)據(jù)量。因此，利用數(shù)字化手段對無人機(jī)獲取圖像進(jìn)行機(jī)上實(shí)時在線壓縮處理成為無人機(jī)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)［6］。無人機(jī)對其承載的電子學(xué)設(shè)備有著很高的要求，其有限的能量供應(yīng)決定了其電子學(xué)設(shè)備必須具備尺寸小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)［7］。傳統(tǒng)的嵌入式H264板級壓縮系統(tǒng)多采用高性能DSP或FPGA實(shí)現(xiàn)軟件編碼［8－9］。但上述設(shè)計(jì)方案往往存在著成本高、功耗大、軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等弊端。本文基于TM320DM368和嵌入式Linux技術(shù)實(shí)現(xiàn)出一種可供無人機(jī)使用的視頻實(shí)時壓縮處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)依賴該芯片內(nèi)嵌的視頻協(xié)處理硬核執(zhí)行H264編碼，以嵌入式Linux為板級操作系統(tǒng)，可穩(wěn)定高效的管理視頻采集、硬核調(diào)度、串口通訊、數(shù)據(jù)輸出等諸多任務(wù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可實(shí)時采集PAL制式視頻源，執(zhí)行實(shí)時H264編碼任務(wù)，并將壓縮后的數(shù)據(jù)通過通用高速串行接口SPI經(jīng)無線鏈路處理單元傳輸至地面終端顯示輸出。本系統(tǒng)平均功耗僅為1.5W，具有功耗低、成本低、體積小、重量輕、實(shí)時性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢，能夠滿足無人機(jī)視頻壓縮的應(yīng)用需求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 主處理器

無人機(jī)有限的能量供應(yīng)決定了其電子學(xué)設(shè)備必須具備體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。同時，無人機(jī)廣泛的地域應(yīng)用范圍又對其電子學(xué)設(shè)備提出了較高的環(huán)境適應(yīng)性要求。為了滿足這些要求，本系統(tǒng)的主芯片選取了TI公司生產(chǎn)的專用數(shù)字多媒體低功耗處理芯片TMS320DM368，簡稱DM368。選取DM368為本視頻壓縮系統(tǒng)的核心處理器主要基于如下的考慮：

1.高性能的主核處理器 DM368的主核是主頻432MHz的ARM926EJ－S處理器，同時內(nèi)置 了16K 的Instruction Cashe，8K 的 Data Cashe，32K片內(nèi)RAM，16K片內(nèi)ROM等諸多內(nèi)部資源，可運(yùn)行嵌入式實(shí)時Linux操作系統(tǒng)，能夠在實(shí)時操作系統(tǒng)的調(diào)度下完成各類復(fù)雜的無人機(jī)數(shù)據(jù)交互工作。同時該芯片采用65nm工藝技術(shù)加工，性能穩(wěn)定，成本低廉，批量價(jià)格約為100RMB／片。

2.硬件化的輔核處理器 DM368片上集成了硬件化的圖像處理協(xié)處理器（HDVICP和MJCP），上述協(xié)處理器可運(yùn)行 H.264－BP／MP／HP，MPEG4等多種視頻編解碼算法，在協(xié)處理器硬核上執(zhí)行H.264編碼等視頻處理時，不占用ARM主核資源。該協(xié)處理器上限可支持1080P－30fps的視頻數(shù)據(jù)壓縮。由于圖像協(xié)處理器以硬件化的形式固化在芯片中，較比同系列的TMS320DM6467或其他雙核架構(gòu)的Davinci系列芯片，在執(zhí)行H264編解碼等圖像處理操作時有著更低的功率消耗。與其他系列Davinci芯片相同的是，DM368亦包含視頻前端處理模塊（VPFE）和視頻后端處理（VPBE）模塊。利用這些模塊，應(yīng)用層程序可在DMAI中間層和片上實(shí)時Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上方便的管理各類視頻數(shù)據(jù)的輸入與輸出。

3.豐富的外部接口資源 DM368有著豐富的邏輯接口。DDR2高速接口可直接外接DDR2存儲器，由嵌入式Linux對DM368內(nèi)嵌的DDR2控制執(zhí)行讀寫控制；EMIF接口可外接NAND Flash Memory或FPGA設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)芯片間數(shù)據(jù)的高速傳輸存儲；USB接口具有USB2.0高速通信能力，可工作在OTG模式；具備5個SPI高速串行通信接口，可作為數(shù)據(jù)輸出口對外通訊，亦可 外 掛 SPI 設(shè) 備；10／100Mb／s 以 太 網(wǎng) 接 口EMAC，可作為數(shù)據(jù)輸出口對外交互數(shù)據(jù)或在網(wǎng)絡(luò)掛載時使用；以及標(biāo)準(zhǔn)IIC，標(biāo)準(zhǔn)UART，Key Scan等常見外設(shè)接口。

4.較高的環(huán)境適應(yīng)性要求 采用了65nm工藝技術(shù)加工的DM368，其工業(yè)級系列產(chǎn)品的溫度適應(yīng)性范圍為－40℃～80℃，能夠滿足無人機(jī)嚴(yán)苛的環(huán)境適應(yīng)性要求。

2.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)以DM368為核心處理器，主要由視頻采集模塊、存儲器模塊、標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)模塊（如UART、EMAC、SPI等）和電源模塊組成，本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.1 Hardware architecture of system

1.視頻采集模塊 由于課題需要，本系統(tǒng)分時采集雙路標(biāo)準(zhǔn)模擬PAL視頻，并可依照地面站軟件的命令實(shí)現(xiàn)雙路視頻的自由切換。為此，我們選擇具有雙通道10－bit模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TVP5147。選擇該款芯片主要基于如下的三點(diǎn)考慮：（a）TVP5147內(nèi)嵌雙路高性能低功耗AD轉(zhuǎn)換器，可同時外接兩路視頻輸入，能夠滿足本課題分時采集雙路視頻輸入的系統(tǒng)要求。（b）TVP5147支持多種制式的模擬視頻，如PAL、NTSC、SECAM；支持多種輸入方式，如CVBS、SVideo、YPbPr，其中CVBS輸入方式較另兩種方式簡單，除共地所需的一根地線外，僅需要單個引腳即可實(shí)現(xiàn)信號的輸入。（c）TVP5147可配置成10－bit，4：2：2－YCbCr的 BT.656碼流形式輸出，可 與 DM368 內(nèi) 嵌 的 8－bit，4：2：2－YCbCr 的BT.656接口無縫對接（10－bit對接8－bit接口時，需舍棄低兩位）。本課題中，雙路視頻源均采用PAL制式，以CVBS方式輸入至TVP5147。TVP5147芯片的初始化以及控制工作由主控設(shè)備通過IIC總線配置芯片內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)，后文將詳細(xì)闡述其IIC總線接口以“視頻子設(shè)備”的形式存在于V4L2的視頻框架內(nèi)，并有專門的驅(qū)動與之相對應(yīng)。

2.存儲器模塊 DM368作為一個嵌入式系統(tǒng)的核心處理器，同標(biāo)準(zhǔn)電腦CPU一樣，需要“內(nèi)存”“外存”設(shè)備輔助其工作。DM368內(nèi)嵌的DDR2接口以及DDR2控制器可以方便的外接DDR2設(shè)備。一般地，Linux操作系統(tǒng)穩(wěn)定而流暢的運(yùn)行需要80MB的內(nèi)存空間，應(yīng)用層程序所開辟的緩存區(qū)大約需要30MB左右的內(nèi)存空間［10］，并綜合考慮低功耗要求等因素，本系統(tǒng)最終選擇了一片128MB的DDR2芯片K4T1G164QF作為本系統(tǒng)的“內(nèi)存”芯片。DM368集成的EMIF接口可以方便的外接外部存儲器。該外部存儲器需要有足夠的空間存儲Bootloader，Linux內(nèi)核以及文件系統(tǒng)。本系統(tǒng)綜合考慮存儲空間需要以及低功耗需求，最終選取了 一 片128MB的 NAND FLASH 芯 片K9F1G08U0C作為本系統(tǒng)的“外存”芯片。

3.標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)模塊 DM368內(nèi)嵌了常用的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口，這使得外設(shè)功能電路的設(shè)計(jì)變得較為簡單。但是由于無人機(jī)內(nèi)部各分系統(tǒng)間電磁干擾較大，除了加裝屏蔽殼等手段外，電子學(xué)系統(tǒng)仍需要特殊的設(shè)計(jì)以降低系統(tǒng)間的電磁干擾。在本課題中主要應(yīng)用到了5個標(biāo)準(zhǔn)接口，分別為調(diào)試串口（Debug UART），標(biāo)準(zhǔn)通訊串口（UART），網(wǎng)口（EMAC），IIC接口和高速串行通信接口（SPI）。其中，調(diào)試串口和網(wǎng)口是DM368在線調(diào)試以及程序下載時使用，在機(jī)上離線狀態(tài)時不使用。IIC接口在DM368對TVP5147執(zhí)行命令配置操作時使用，屬板內(nèi)芯片間通訊，不需要考慮系統(tǒng)間的電磁干擾因素。標(biāo)準(zhǔn)通訊串口和高速串行通信接口是本系統(tǒng)的對外數(shù)據(jù)交互接口，需要充分考慮系統(tǒng)間的電磁干擾性問題。其中本系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)通訊串口接收外部操控命令，由高速串行通信接口對外實(shí)時傳輸H264壓縮數(shù)據(jù)。為此，本系統(tǒng)使用了MAX3295等芯片以“差分對”的形式傳輸上述數(shù)據(jù)信號，并在數(shù)據(jù)接口連接器附近加裝“穿心電容”，以充分降低本系統(tǒng)對外部設(shè)備的電磁干擾。試驗(yàn)結(jié)果表明，外設(shè)接口采用上述設(shè)計(jì)后，能夠有效降低系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，提升本系統(tǒng)電磁干擾的承受能力，同時有效降低對外部系統(tǒng)的電磁輻射影響。

4.電源模塊 DM368嵌入式系統(tǒng)的電源電路采用雙級設(shè)計(jì)。第一級將外部供電電壓12V轉(zhuǎn)換為5V，第二級由5V分別轉(zhuǎn)換為DM368需要的3種供電電壓值，即1.35V的內(nèi)核電壓，1.8V的DDR2芯片電壓以及3.3V的IO電壓。在本系統(tǒng)中，第一級轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司的TPS54331，該芯片的輸入電壓范圍可從3.5V至28V，能夠滿足無人機(jī)各類特殊的供電電壓需要。第二級采用TI公司的TPS65251，該芯片可方便的將5V電壓轉(zhuǎn)換為DM368所需的多種電壓值，并可依據(jù)DM368手冊所規(guī)定的內(nèi)核電壓、DDR電壓以及IO電壓上電要求調(diào)整上電順序［11－12］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 視頻數(shù)據(jù)采集

視頻采集是本系統(tǒng)的核心功能，也是軟件編程工作量最大、架構(gòu)最為復(fù)雜的部分。視頻碼流數(shù)據(jù)從底層硬件采集至頂層應(yīng)用程序調(diào)用需要經(jīng)歷硬件層、內(nèi)核層、應(yīng)用層3個層次的數(shù)據(jù)處理及封裝，如圖2所示。

圖2 視頻采集三層框架Fig.2 3－level software framework of video capture

在硬件層明確了AD芯片與DM368物理上的電氣連接；內(nèi)核層中涉及視頻數(shù)據(jù)處理的工作主要由Linux視頻驅(qū)動開源標(biāo)準(zhǔn)V4L2規(guī)范下的VPFE驅(qū)動完成；應(yīng)用層經(jīng)TI公司提供的中間層軟件dmai封裝處理后以幾個簡單的函數(shù)接口交付給應(yīng)用層以供視頻數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。本章節(jié)將單獨(dú)討論視頻采集軟件程序設(shè)計(jì)，即視頻數(shù)據(jù)的內(nèi)核層與應(yīng)用層架構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1.1 內(nèi)核層視頻數(shù)據(jù)處理

在內(nèi)核層中，Linux下的視頻設(shè)備驅(qū)動需要遵循統(tǒng)一的開源標(biāo)準(zhǔn)V4L2（Video For Linux 2）。V4L2是V4L的升級版，是專門針對Linux視頻捕獲設(shè)計(jì)的開源程序接口，并逐步發(fā)展為Linux視頻驅(qū)動規(guī)范，廣泛應(yīng)用于各類帶有視頻采集、控制功能的嵌入式視頻系統(tǒng)中，如視頻會議、視頻監(jiān)控、視頻導(dǎo)航等。V4L2能夠適應(yīng)越來越復(fù)雜的視頻采集硬件。大部分視頻采集硬件的控制需要借助視頻口外的其他接口，如本課題中TVP5147所內(nèi)嵌的IIC接口。這些視頻控制接口與視頻驅(qū)動程序休息相關(guān)，并以“視頻子設(shè)備”的形式融入V4L2框架中。V4L2在內(nèi)核層中細(xì)化為雙層驅(qū)動。

雙層驅(qū)動架構(gòu)的頂層為V4L2dev設(shè)備。該設(shè)備的定義存在于內(nèi)核文件V4L2－dev.c中。在該文件下，主要完成兩部分工作：（a）向內(nèi)核提供接口函數(shù)，即內(nèi)核的加載卸載函數(shù)。（b）設(shè)備接口函數(shù)，即虛擬文件系統(tǒng)與V4L2設(shè)備的交互接口。

Linux系統(tǒng)中用戶對設(shè)備的操作采用文件接口方式實(shí)現(xiàn)，虛擬文件系統(tǒng)將用戶對文件的操作轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)備操作，它包括硬件探測、初始化、設(shè)備讀寫以及設(shè)備控制等標(biāo)準(zhǔn)化操作。V4L2設(shè)備驅(qū)動的主要工作就是具體實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化過程工作。這樣V4L2標(biāo)準(zhǔn)向上就可以為應(yīng)用層程序提供清晰、統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)接口，如open（），close（），read（），write（），ioctl（），mmap（）等。通過這些接口函數(shù)應(yīng)用層程序可方便的實(shí)現(xiàn)V4L2設(shè)備的打開，關(guān)閉，IO控制以及內(nèi)存映射等功能。其中，open（），close（），read（），write（）函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)了V4L2設(shè)備的開關(guān)讀寫；ioctl（）函數(shù)則承擔(dān)了V4L2設(shè)備的命令交互查詢等重要操作；mmap（）函數(shù)可以將設(shè)備內(nèi)存映射到應(yīng)用程序空間，避免了在視頻采集過程中頻繁的內(nèi)核態(tài)至用戶態(tài)的數(shù)據(jù)拷貝操作。

V4L2雙層架構(gòu)中的底層驅(qū)動為VPFE設(shè)備驅(qū)動。VPFE是DM368的視頻處理前端模塊，由CCDC、IPIPE、IPIPEIF、H3A 四個模塊組成。底層的VPFE驅(qū)動可以認(rèn)為是一個videodev設(shè)備，該設(shè)備的定義存在于內(nèi)核文件vpfe＿capture.c中。在該文件下，主要完成如下的三部分工作：（a）向內(nèi)核提供函數(shù)接口，即內(nèi)核的加載卸載函數(shù)。（b）實(shí)現(xiàn)硬件探測、移除功能。其中，硬件探測函數(shù)probe（）函數(shù)是底層硬件初始化工作的載體，它是在驅(qū)動注冊加載時運(yùn)行的，它主要完成兩部分工作。其一是檢測VPFE設(shè)備是否存在，若存在則將VPFE配置成V4L2＿dev設(shè)備，完成寄存器初始化工作，并向V4L2層的注冊；其二是查詢當(dāng)前系統(tǒng)的V4L2＿subdev設(shè)備。在本課題中，數(shù)字視頻解碼芯片TVP5147的配置接口IIC就是一種常見的V4L2子設(shè)備。TVP5147的IIC子設(shè)備有自己獨(dú)立的驅(qū)動，但是其驅(qū)動的調(diào)用卻是在V4L2＿dev設(shè)備探測函數(shù)階段完成。通過調(diào)用TVP5147的IIC子設(shè)備驅(qū)動，可完成其初始化配置工作，并將它們與已注冊的V4L2＿dev設(shè)備相連接，并向 V4L2層注冊。（c）完成 V4L2＿ioctl＿ops域?qū)崿F(xiàn)。應(yīng)用層程序通過ioctl（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)視頻設(shè)備的查詢控制操作，其最終調(diào)用的是內(nèi)核層的video＿device的ioctl＿ops域下的具體函數(shù)，即V4L2＿ioctl＿ops域下的具體函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

TVP5147的IIC子設(shè)備驅(qū)動同樣隸屬于V4L2雙層架構(gòu)中的底層。在視頻硬件設(shè)備中，存在種類繁多的子設(shè)備，如IIC、USB等。在V4L2架構(gòu)中，將涉及子設(shè)備控制的那部分功能單獨(dú)獨(dú)立出來，如vidioc＿s＿ctrl、vidioc＿s＿frequency等，并將它們最終封裝在V4L2＿subdev中供頂層程序調(diào)用。TVP5147的IIC子設(shè)備驅(qū)動存在于內(nèi)核文件tvp514x文件中。在該文件下，主要完成如下三部分工作：（a）向內(nèi)核提供函數(shù)接口，即內(nèi)核的加載卸載函數(shù)。（b）實(shí)現(xiàn)硬件探測、移除功能。其中探測函數(shù)probe（）的功能與VPFE大體一致，在驅(qū)動注冊時完成芯片的探測以及初始化工作。（c）完成 V4L2＿subdev＿ops域的具體實(shí)現(xiàn)，該域一般包含了通用操作合集、調(diào)諧器操作合集、音頻操作合集以及視頻操作合集。其中TVP5147作為視頻解碼芯片，僅需要實(shí)現(xiàn)通用操作合集以及視頻操作合集兩個部分即可。

3.1.2 應(yīng)用層視頻數(shù)據(jù)處理

在應(yīng)用層中，用戶可以利用V4L2的頂層程序接口實(shí)現(xiàn)V4L2設(shè)備的控制。但是V4L2的驅(qū)動設(shè)備調(diào)用同樣需要遵循一定的流程，如視頻設(shè)備文件的開關(guān)、視頻制式的設(shè)置、視頻幀緩沖的申請與管理、幀緩沖的用戶空間映射等等繁瑣的操作。為了簡化這些操作，TI公司在應(yīng)用層又專門開發(fā)了一套DMAI庫以幫助程序員簡化V4L2設(shè)備的控制流程。DMAI全稱為Davinci Multimedia Application Interface，是 TI專門針對達(dá)芬奇架構(gòu)推出協(xié)助程序員開發(fā)的位于應(yīng)用層的通用API接口。其內(nèi)涵不僅包含了上文所述的視頻處理，同樣也包含Codec Engine管理，線程同步，內(nèi)存管理等諸多方面。

3.2 應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件應(yīng)用層采用多線程程序框架，主線程由main.c定義，子線程為capture線程，video線程、write線程和uart線程。在主線程下完成其余線程的初始化工作后，轉(zhuǎn)換為控制線程，用于采集分析其它線程的運(yùn)行狀態(tài)并在終端打印輸出；capture線程基于DMAI框架與視頻驅(qū)動節(jié)點(diǎn)（／dev／video0）執(zhí)行視頻控制與數(shù)據(jù)交互，采集到的視頻裸數(shù)據(jù)經(jīng)FIFO管道機(jī)制交付給video線程進(jìn)行數(shù)據(jù)后續(xù)處理；video線程主要負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)與系統(tǒng)硬核的調(diào)度，從capture線程取來的視頻裸數(shù)據(jù)交付給DM368壓縮硬核執(zhí)行數(shù)據(jù)壓縮，從硬核取出的數(shù)據(jù)即為H264碼流數(shù)據(jù)，同樣經(jīng)FIFO管道機(jī)制交付給下級線程——write線程；write線程專注用于數(shù)據(jù)處理，該線程從FIFO管道中取出從video線程處獲取的H264碼流數(shù)據(jù)，將H264碼流數(shù)據(jù)經(jīng)組包協(xié)議處理后經(jīng)硬件SPI口發(fā)送，同時write線程還需監(jiān)控uart線程，完成uart串口數(shù)據(jù)的組包，解包，解析等操作，并依靠uart線程完成本系統(tǒng)與外部中控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互工作；uart線程任務(wù)較為單一，由于組包解包工作在write線程完成，因此該線程僅完成串口裸數(shù)據(jù)的讀寫操作。上述四個線程宏觀并行，微觀串行執(zhí)行，由嵌入式板級Linux系統(tǒng)管理線程間調(diào)度。本系統(tǒng)應(yīng)用層軟件的多線程程序架構(gòu)參見圖3所示。

圖3 多線程程序框架Fig.3 Multi－task software framework

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境如下：

（a）嵌入式Linux內(nèi)核版本號為2.6.32.17；

（b）交叉編譯環(huán)境 arm－none－linuxgnueabi－4.3.3；

（c）DMAI軟件版本號為2.20.00.15；

（d）宿主機(jī) VMWare－Ubuntu－12.04

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，使用地面站解碼系統(tǒng)為接收端評估本系統(tǒng)效果。編碼端與解碼端采用SPI對點(diǎn)對接方式，解碼端以PAL制式輸出解碼視頻至外部顯示屏。試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，串口命令響應(yīng)無延遲，地面接收端輸出的圖像清晰流暢，沒有失真及馬賽克現(xiàn)象引入。系統(tǒng)延遲約為0.6～0.9s之間。此處需要補(bǔ)充說明的是上述延遲時間是由本系統(tǒng)編碼端硬核編碼，SPI組包，SPI傳輸，地面解碼端SPI解包以及解碼共同決定的。系統(tǒng)在12V穩(wěn)壓電源供電情況下，工作時輸出電流為0.13左右，功耗約為1.5W。圖4是解碼端的圖像效果截圖。

圖4 解碼端圖像效果截圖Fig.4 Graphic result captured from decoding system

5 結(jié) 論

無人機(jī)有限的能量供應(yīng)決定了其電子學(xué)設(shè)備必須具備尺寸小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。本文結(jié)合工程應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)出一套可供無人機(jī)使用的低功耗視頻實(shí)時壓縮系統(tǒng)。系統(tǒng)以DM368為核心處理器，以嵌入式Linux為板級操作系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件內(nèi)核層基于V4L2架構(gòu)實(shí)現(xiàn)視頻采集，應(yīng)用層基于多線程架構(gòu)實(shí)現(xiàn)視頻采集，硬核調(diào)度，串口通訊，數(shù)據(jù)輸出等諸多任務(wù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，較比傳統(tǒng)的嵌入式視頻H264軟件編碼壓縮系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)在處理PAL制式為視頻源的H264編碼任務(wù)時，平均功耗僅為1.5W，具有功耗低，成本低、體積小、重量輕、實(shí)時性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢，能夠滿足無人機(jī)視頻壓縮的應(yīng)用需求。

本系統(tǒng)以DM368為核心處理單元，依賴內(nèi)嵌的視頻協(xié)處理硬件編碼H264視頻具有一定的弊端。其一，由于系統(tǒng)調(diào)用DM368固化的協(xié)處理壓縮硬核，用戶僅能對硬核開放的接口進(jìn)行控制，對于未開放的部分則不能控制，并需要對硬核要求對視頻做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，比如視頻源分辨率需調(diào)整為2K×2K以下，行列均為32的整數(shù)倍等。若針對大視場非標(biāo)圖像且明確要求不可損失分辨率的情形，則不在DM368可處理的范圍之列；其二，由于DM368內(nèi)嵌的協(xié)處理壓縮硬核需在嵌入式Linux的管理調(diào)度下運(yùn)行，不能在無操作系統(tǒng)的環(huán)境下運(yùn)行。嵌入式Linux是一種實(shí)時化操作系統(tǒng)，但是“實(shí)時”的概念是指系統(tǒng)正常加載運(yùn)行后系統(tǒng)調(diào)度和響應(yīng)的“實(shí)時”。在嵌入式Linux沒有加載完成之前，系統(tǒng)無法對外界激勵作出正常響應(yīng)。因此，本系統(tǒng)不適宜在“上電即運(yùn)行”特殊項(xiàng)目背景下工作。本系統(tǒng)內(nèi)核經(jīng)優(yōu)化裁剪處理后，啟動時間約為15s。盡管存在上述弊端，但是以DM368為核心的視頻壓縮系統(tǒng)以其功耗低、成本低、體積小、重量輕、實(shí)時性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢成為了業(yè)界主流的視頻壓縮技術(shù)方案之一。

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