基于數(shù)字媒體DSP的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉勃宏

摘? 要： 針對傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在視頻流暢性較低、監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸成功率低、誤碼率高等問題，提出基于數(shù)字媒體DSP的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件設(shè)計中，上位機采用LabVIEW編程實現(xiàn)，用于控制攝像支撐設(shè)備轉(zhuǎn)動、鏡頭參數(shù)調(diào)整以及視頻數(shù)據(jù)播放與遠(yuǎn)程顯示控制等功能;下位機使用數(shù)字媒體DSP為核心處理器，建立含有視頻數(shù)據(jù)采集輸入、傳輸以及攝像支撐設(shè)備控制等模塊。系統(tǒng)軟件設(shè)計中，詳細(xì)介紹了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中視頻圖像運動目標(biāo)檢測算法。實驗結(jié)果表明，所提系統(tǒng)能有效實現(xiàn)流暢清晰的視頻遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸，視頻數(shù)據(jù)傳輸成功率可達(dá)到98.467%，誤碼率最低為0.006 35%，能夠滿足實際遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的需要。

關(guān)鍵詞： 視頻監(jiān)控系統(tǒng); 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò); 數(shù)字媒體DSP; 系統(tǒng)設(shè)計; 目標(biāo)檢測; 實驗結(jié)果

中圖分類號： TN711?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）04?0090?04

Design of remote network video monitoring system based on digital media DSP

LIU Bohong

（Xian University of Arts and Science， Xian 710065， China）

Abstract： A remote network video monitoring system based on digital media DSP is proposed to solve the problem of low video fluency， low success rate of monitoring data transmission and high bit error rate in the traditional video monitoring system. In the hardware design of the system， the upper computer is programmed with Lab?VIEW， which is used to control the rotation of camera support equipment， lens parameter adjustment， video data playback， remote display control and other functions. The digital media DSP is used in the lower computer as the core processor to build the modules including video data acquisition input， transmission and camera support device control. In the system software design， the detection algorithm of the video image moving target in the remote network video monitoring system is introduced in detail. The experimental results show that the proposed system can effectively realize smooth and clear video remote network transmission， whose success rate of video data transmission can reach 98.467%， and minimum bit error rate is 0.006 35%， which can meet the needs of actual remote network video monitoring.

Keywords： video monitoring system; remote network; digital media DSP; system design; target detection; experimental result

0? 引? 言

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是當(dāng)前視頻監(jiān)控領(lǐng)域熱點方向之一。隨著計算機技術(shù)、嵌入式處理技術(shù)、視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的傳輸已成為一種趨勢[1?2]。

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)將樹莓派Raspberry pi系統(tǒng)作為核心，采用USB攝像頭對監(jiān)控的視頻圖像進(jìn)行采集，并根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)與計算機之間通信實現(xiàn)對視頻內(nèi)容的實時監(jiān)控[3]。該系統(tǒng)缺乏圖像處理能力，整個系統(tǒng)運行成本較高?；谖锫?lián)網(wǎng)和4G無線VPDN技術(shù)的實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過建立4GVPDN通道實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻實時監(jiān)控[4]。但該系統(tǒng)無法支持不同型號的攝像設(shè)備，且存在視頻數(shù)據(jù)傳輸誤碼率較高的問題?；贒M6467的視頻實時壓縮與傳輸系統(tǒng)，使用CCD攝像設(shè)備與型號為TVP5150的解碼器完成視頻數(shù)據(jù)的采集，使用H.264視頻解碼技術(shù)完成視頻的有效壓縮，采用RTP協(xié)議將實時壓縮后的視頻數(shù)據(jù)根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機，對其進(jìn)行配置后即可接收輸出的視頻數(shù)據(jù)[5]。該系統(tǒng)傳輸視頻數(shù)據(jù)時占用帶寬較大，無法滿足遠(yuǎn)程實時監(jiān)控需求。

為解決上述問題，本文提出基于數(shù)字媒體DSP的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有易配置、視頻播放流暢性良好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

1? 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)上位機選擇使用LabVIEW編寫，下位機選擇TMS320DM6446作為核心處理器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)視頻圖像預(yù)處理，網(wǎng)絡(luò)視頻壓縮傳送并實時接收上位機下發(fā)的控制命令[6]，進(jìn)而控制攝像設(shè)備的轉(zhuǎn)動以及遠(yuǎn)程攝像設(shè)備參數(shù)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)整體流程如圖1所示。

系統(tǒng)中，監(jiān)控終端用于采集網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后可直接將處理結(jié)果通過LED顯示設(shè)備顯示在監(jiān)控畫面中。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 系統(tǒng)上位機設(shè)計

上位機中的控制界面主要負(fù)責(zé)傳送視頻信息給下位機，有效控制攝像支撐設(shè)備轉(zhuǎn)動和鏡頭參數(shù)調(diào)節(jié)?？刂平缑娌扇ISA驅(qū)動模塊來完成視頻信息的上傳。VISA與以往I/O軟件編程基本一致，均是根據(jù)設(shè)備端口讀寫操作實現(xiàn)相關(guān)命令的執(zhí)行與視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

2.2? 系統(tǒng)下位機功能模塊

下位機主要控制芯片選取數(shù)字媒體DSP芯片DM642提供的外圍接口，結(jié)合TMS320DM6446雙核處理器設(shè)計了不同功能的模塊，其中含有網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)輸入模塊、視頻數(shù)據(jù)存儲模塊、攝像支撐設(shè)備控制模塊、視頻實時壓縮模塊和視頻傳輸模塊等[7]。

1） 視頻數(shù)據(jù)輸入模塊

監(jiān)控系統(tǒng)選取?？低旸S?2CZ2192P?WD型號攝像機獲取視頻數(shù)據(jù)[8]。DM6446的視頻處理前端VPFE包含CCD控制器、預(yù)處理器等模塊，可用于視頻圖像處理。但該模塊無法將給定大小的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成所需視頻格式，需要在視頻輸入模塊加入視頻解碼設(shè)備來完成相關(guān)工作。監(jiān)控系統(tǒng)采用TVP5150作為解碼器芯片，該芯片具有使用簡易，超低功耗，能夠支持不同視頻格式輸入等優(yōu)點。

2） 視頻數(shù)據(jù)存儲模塊

依據(jù)系統(tǒng)視頻存儲需求，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了DDR2、NAND FLASH、外部存儲器及相關(guān)接口。DDR2選取MT47H64M16芯片，NAND FLASH為監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)核，其相應(yīng)芯片選擇的是K9K1208Q0C，該芯片具有存儲容量大、方便監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)程序加載等特點。同時，NAND FLASH也能夠存儲系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用程序以及視頻處理方法[9]。

3） 攝像支撐設(shè)備控制模塊

攝像支撐設(shè)備機械部分采用Pro/E繪制，攝像支撐設(shè)備水平扇掃采用直流電機C4981，垂直俯仰采用舵機SG5010控制。舵機的精度及頻率對視頻抖動問題影響較大，因此選取50 Hz頻率、精度為0.14 s/60（°）舵機SG5010來控制，有效去除抖動問題。

4） 視頻實時壓縮模塊

選擇H.264作為視頻壓縮技術(shù)，主要原因在于該技術(shù)具有在同等圖像質(zhì)量的條件下數(shù)據(jù)壓縮比率更高的特點，更適合網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)選取DM6446進(jìn)行視頻壓縮，將其變成H.264格式，再傳送給Write線程。

5） 視頻傳輸模塊

通過網(wǎng)絡(luò)將實時采集的視頻數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程客戶端。配置相關(guān)服務(wù)器軟件后，對服務(wù)器進(jìn)行配置。將采集的視頻數(shù)據(jù)使用H.264視頻壓縮技術(shù)掛載在數(shù)字媒體服務(wù)器的目錄下即可實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，遠(yuǎn)程服務(wù)端使用支持avi視頻文件格式的播放設(shè)備即可有效查看監(jiān)控畫面。

2.3? 顯示界面

為避免系統(tǒng)選取的播放器控件與H.264視頻壓縮技術(shù)輸出數(shù)據(jù)不匹配問題，引入H.264視頻解析器。對系統(tǒng)視頻播放控件支持的傳輸控制協(xié)議進(jìn)行配置即可接收遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻信息。

2.4? 遠(yuǎn)程多機顯示控制

監(jiān)控系統(tǒng)使用LabVIEW來完成視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控。配置系統(tǒng)服務(wù)器時，選擇需要發(fā)布的VI程序，程序配置完成后可在相關(guān)網(wǎng)頁上發(fā)布HTML文件。使用計算機的用戶經(jīng)過瀏覽器可以訪問該網(wǎng)頁，經(jīng)過訪問授權(quán)后即可實現(xiàn)視頻遠(yuǎn)程多機顯示控制和顯示的效果。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文采用支持向量回歸模型作為視頻圖像目標(biāo)的背景區(qū)域檢測模型，將當(dāng)前幀視頻中各個像素的顏色向量作為模型輸入，利用支持向量機的輸出描述當(dāng)前像素從屬于背景區(qū)域的置信度。

為實時更新背景模型，利用SCR學(xué)習(xí)算法[10]得以實時更新。設(shè)定多幀視頻背景圖像訓(xùn)練數(shù)據(jù)可描述為[{（x1，y1），（x2，y2），…，（xl，yl）}]，[xi]用于描述在第[i]幀視頻圖像位置[p]處像素點的顏色向量，[yi]用于描述[p]處像素點從屬于背景區(qū)域的置信度。訓(xùn)練完成后，可采用式（1）計算當(dāng)前幀視頻圖像匯總每個像素點的背景置信度。

[f（xk）=i=1l（ai-a?i）k（xk，xl）+b]? ? ? ? ?（1）

式中：[ai]，[a?i]用于描述拉格朗日系數(shù);[k（xk，xl）]表示高斯核函數(shù)。每加入一幀視頻圖像，系統(tǒng)就加入一個新的視頻樣本[xk]到原有的訓(xùn)練集合中，此時需要使用遞增算法來更新SVR函數(shù)模型[10]。該算法的原理是在給定的離散時間內(nèi)，逐次變換對應(yīng)于新視頻樣本[xi]的系數(shù)偏差[θi]，直至滿足KKT條件。

在攝像設(shè)備靜止時，采用不同時段得到的視頻圖像之間的差分運算來檢測目標(biāo)區(qū)域?？紤]到監(jiān)控實時性要求，利用當(dāng)前幀視頻圖像[f（x，y，t）]和前三幀視頻圖像[f（x，y，t-3）]進(jìn)行差分運算，獲得差分圖像[D（x，y）]：

[D（x，y）=W（x，y）·f（x，y，t）-W（x，y）·f（x，y，t-3）] （2）

式中，[W（x，y）]表示高斯平滑濾波器。

[W（x，y）]經(jīng)二值化處理后，則有：

[B（x，y）=0，? ? ? D（x，y）≥T1，? ? ? ?otherwise]? ? ? ? （3）

式中，[T]表示視頻圖像檢測閾值。

要監(jiān)控視頻的實時狀態(tài)，需要從視頻圖像中獲取有效的圖像邊緣特征，利用Canny邊緣檢測算法進(jìn)行圖像邊緣特征檢測。將當(dāng)前幀視頻圖像的邊緣信息[K（x，y，t）]與前三幀視頻圖像的邊緣信息[K（x，y，t-3）]進(jìn)行差分運算，獲得當(dāng)前幀視頻中目標(biāo)區(qū)域的大致輪廓：

[E（x，y）=E（x，y，t）-E（x，y，t-3）] （4）

將[E（x，y）]與[B（x，y）]邊緣圖像進(jìn)行與或運算，提取出視頻圖像的邊緣輪廓[S（x，y）]，剔除背景區(qū)域噪聲，運算公式如下：

[S（x，y）=B（x，y）?E（x，y）] （5）

由于背景區(qū)域噪聲的存在，視頻圖像邊緣輪廓存在像素不連續(xù)的情況。本文利用鄰域端點搜索法進(jìn)行視頻圖像邊緣閉合。首先，查找視頻圖像邊緣輪廓[S（x，y）]中斷續(xù)的邊緣點，結(jié)合原始梯度圖像[E（x，y）]，查找以斷裂邊緣點為中心的4個鄰域，獲取相應(yīng)的邊緣端點，并得到完整的圖像邊緣，具體運算過程如下：

假設(shè)，視頻圖像像素[（s，t）]在[（x，y）]鄰域且其梯度幅值和梯度方向在給定閾值下能夠滿足以下兩個條件：

[?（x，y）-?f（s，t）≤Tφ（x，y）-φ（s，t）≤A]? （6）

式中，[T]，[A]分別表示幅度、角度閾值。

4? 實驗結(jié)果與分析

通過設(shè)定不同的分辨率和視頻采集頻率，從視頻數(shù)據(jù)傳輸所占網(wǎng)絡(luò)帶寬來分析，進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)性能測試。由搜索攝像設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)可知在不同分辨率下，幀率設(shè)定為40 f/s，35 f/s，30 f/s，25 f/s，20 f/s，15 f/s，10 f/s。運行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)后，通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器觀測視頻數(shù)據(jù)，采用流量分析工具實時觀測系統(tǒng)運行過程中，網(wǎng)絡(luò)帶寬占用情況，獲得的流量統(tǒng)計結(jié)果如表1和表2所示。

由于遠(yuǎn)程實驗視頻輸出信息的變化率非常小，因此在幀率為20 f/s，分辨率為640×480時，網(wǎng)絡(luò)瀏覽器上顯示的視頻圖像較大，視頻流暢情況、清晰度均能滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控要求，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻流暢、清晰的傳輸。

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點與服務(wù)器之間使用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻數(shù)據(jù)，因此，網(wǎng)絡(luò)的性能直接影響遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。選取誤碼率和傳輸成功率作為評價遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳輸性能的指標(biāo)。選取周圍無干擾物體的場所對遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸性能進(jìn)行測試，設(shè)定傳送的視頻數(shù)據(jù)包為200～1 000個，選取10次結(jié)果的平均誤碼率和傳輸成功率作為監(jiān)控系統(tǒng)性能測試的結(jié)果，如圖2所示。

分析圖2可知，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)平均傳輸成功率最低約為98.467%，不同視頻數(shù)據(jù)傳輸平均誤碼率最小約為0.006 35%。從實驗結(jié)果上來看，本文監(jiān)控系統(tǒng)有效實現(xiàn)了遠(yuǎn)程視頻數(shù)據(jù)傳輸，且能夠保證視頻數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確率，可滿足遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)運行時的數(shù)據(jù)傳輸需求。

5? 結(jié)? 語

本文結(jié)合數(shù)字媒體DSP和視頻壓縮技術(shù)，實現(xiàn)了基于數(shù)字媒體DSP的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。對監(jiān)控系統(tǒng)性能進(jìn)行測試結(jié)果表明，所提系統(tǒng)能有效實現(xiàn)流暢清晰的視頻遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸。

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