發布日期：2022-07-14 點擊率：30
視覺監控系統的發展經歷了從專線監控到現在的開始利用計算機網絡進行監控，這是一個很大的飛躍。
傳統的專線布局限制了傳輸的距離，而通過網絡進行監控。彌補了傳統監控系統的不足。TI公司推出的DM642是一款針對數字視頻應用的DSP(Digital Signal Processor，數字信號處理器)芯片。該芯片具有支持網絡功能的10/100 Mb／s自適應以太網MAC(Ethernet Media AccessControl，EMAC)，國內基于該芯片成熟的網絡視覺監控終端產品不多，因此對基于該芯片的網絡視覺監控系統進行研究具有較高的實際應用價值。本文詳細分析和研究了基于DM642的網絡視覺監控系統，并在DM642開發評估板(EVM)上實現了JPEG實時視頻的壓縮編碼、解碼以及網絡傳輸功能。
1 網絡視覺監控系統的組成結構
1.1 總體結構
該網絡視覺監控系統的硬件總體結構如圖1所示。
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圖1中，視頻采集設備選用Sony公司的EVI-100P型CCD攝像機。視頻編碼、解碼芯片采用 Philips公司的SAA7105和SAA7115H。SDRAM使用的是Hynix公司容量為128 MB的兩片HY57V283220T系列芯片。FLASH選用AMD公司的AM29LV系列芯片，容量為8 MB。以太網PHY(物理層)控制器為Intel公司的LXT971。RJ-45是一個以太網連接器。核心處理芯片是TI公司的DM642，他豐富的外圍接口和完全可編程性，使得他在數字視頻處理領域具備了廣泛應用的條件。
DM642的視頻端門通過視頻解碼芯片SAA7115H能方便地實現和CCD攝像機的無縫連接。CCD攝像機輸出的模擬視頻信號經SAA7115H模數轉換后，形成格式的數字視頻信號，從DM642的視頻端口0輸入；在DM642中，視頻數據經JPEG陶像壓縮算法壓縮處理，編碼壓縮生成的視頻碼流數據，經DM642芯片EMAC的MII接口到片外PHY(LXT971)芯片后，通過RJ-45 口經以太網傳送到目的地的PC機網卡接口，通過PC機的IE瀏覽器接收視頻數據，完成網絡視覺監控和通信。在網絡傳輸的同時，視頻信號可由視頻端口2經視頻編碼芯片SAA7105數模轉換后輸出PAL制式模擬視頻信號到監視器進行本地回顯。通過DM642的EMIF接口，連接SDRAM和FLASH存儲器。
SDRAM擴展了系統的可用存儲空間，系統的初始化代碼和配置信息則存儲在FLASH中。
1.2 視頻采集接口電路
從模擬視頻輸入口輸入的模擬視頻信號在SAA7115H內部經過鉗位、抗混疊濾波、A／D轉換、YUV分離電路之后，轉換成視頻數據流，輸入到壓縮核心單元DM642中進行視頻數據的壓縮處理。DM642的3個視頻口，VP0，VP1，VP2與視頻編解碼芯片相接。在本系統中，只有一路視頻輸入和一路視頻輸出，故VP1端口未用，VP0通道配置為8位視頻輸人口。視頻數據的行／場同步信號包含往數字視頻數據流的EAV(End of Active Video)和SAV(Start of Active Video)時基信號中，視頻口只需視頻采樣時鐘和采樣使能信號即可。SAA7115H內部寄存器參數的配置和狀態的讀出通過I2C總線進行。視頻采集接口的電路如圖2所示。
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1.3 網絡接口電路
DM642的以太網控制器(EMAC)屬于OSI七層模型的數據鏈路層，只有接上物理芯片(以太網收發器)才能進行網絡迎信。本系統采用Intel公司的LXT971作為快速以太網物理層自適應收發器，即可實現10／100 Mb／s以太網接口。由于LXT971支持IEEE 802.3標準，提供MII(Media Independent Interface)接口，可以支持MAC，而DM642內部網絡功能模塊正好集成有EMAC，所以LXT971可以和DM642實現無縫接口。從DM642傳輸過來的數據通過LXT971轉換為以太網物理層接收的數據后，迎過RJ-45接頭傳輸到網絡。網絡接口電路如圖3所示。其中T1是一個1：1的隔離變壓器。
1.4 DM642的網絡功能模塊
DM642的網絡功能由3個主要功能模塊組成：EMAC控制模塊、EMAC模塊、MDIO模塊。EMAC控制模塊是DSP核與 EMAC模塊和MDIO模塊之間的接口，他控制網絡模塊的復位、中斷和仔儲器接口的優先權。EMAC模塊提供DSP核與網絡之間的高效接口，支持10 Mb／s或100 Mb／s模式。MDIO模塊通過雙總線，采用滿足802.3規范的串行接口控制器對以太網的物理層逃行監視和控制。
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2 JPEG圖像壓縮算法
JPEG是靜態圖像的壓縮編碼標準，和相同圖像質量的其他常用文件格式相比，JPEG是目前靜態圖像中壓縮比最高的。正是由于JPEG的高壓縮比，使得他廣泛地應用于多媒體和網絡程序中。JPEG另外一個優秀特征是壓縮比可調，可以根據設計者的實際需要選擇合適的壓縮比。
JPEG有幾種模式，本系統所用的是基于DCT(離散余弦變換)變換的的順序型模式，又稱為基線系統(baseline)。其算法描述如下：8×8的圖像經過DCT變換后，其低頻分量都集中在左上角，高頻分量分布在右下角(DCT變換實際上是空間域的低通濾波器)。由于該低頻分量包含了圖像的主要信息(如亮度)，而高頻與之相比，就不那么重要了，所以可以忽略高頻分量，從而達到壓縮的目的。如何將高頻分量去掉，就需要對DCT系數作量化處理。量化的作用是在保持一定質量的前提下，丟失圖像中對視覺效果影響不大的信息。為了進一步提高壓縮比，需要對其再進行熵編碼，當熵編碼過程結束后，就完成了圖像數據的壓縮編碼，輸出壓縮后的圖像數據。圖像解碼的過程和編碼相反，是編碼的逆過程。
3 系統軟件設計
3.1 DM642數據流程分析
數據流程框圖如圖 4所示。
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SAA7115H提供的一幀圖像被采集到輸入緩存，由YUV 4：2：2格式進行色差信號最采樣變為YUV 4：2：0格式。然后，通過SCOM 序列，圖像被發送到處理任務模塊。在處理任務模塊，JPEG編碼庫程序產生定制壓縮質量的JPEG圖像。通過一個SCOM序列，生成的圖像被發送到網絡任務模塊。同時，JPEG文件被發送到JPEG解碼器，解碼器產生一個YUV 4：2：0的圖像。該圖像通過SCOM序列發送的到輸出任務模塊。輸出任務模塊轉換YUV 4：2：0格式的圖像成YUV 4：2：2格式的圖像送SAA7105并顯示。
3.2 DM642程序流程分析
程序采用RF-5框架來整合JPFG的編碼、解碼庫。在進入DSP／BIOS的調度程序之前，程序需要初始化多個要使用的模塊。包括：
(1)DM642和系統板的初始化：系統執行BIOS和CSL的初始化，將二級緩存模式沒定為128 kB，EMIF的CE0和CE1空間設定為允許高速緩存，設定DMA優先權隊列長度為最大值，L2請求的優先權設定為最高，DMA管理器初始化時將其內部和外部的堆棧進行分配。
(2)RF-5模塊初始化：系統的通道模塊設定為RF-5，初始化RF-5中的ICC和SCOM模塊必需的內部單元通信和信息傳遞，通道設定按照內部和外部的堆棧緩沖執行。
(3)建立捕獲和回放通道：建立和啟動一個捕獲通道，建立和啟動一個回放通道。
在完成初始化工作之后，系統進入DSP／BIOS調度程序管理下的6個任務模塊。6個任務模塊通過RF-5的SCOM模塊互相發送消息，在圖4中顯示了 4個任務模塊。第5個任務是控制任務模塊，他使用一個郵箱發送消息給處理仃務模塊，處理任務模塊從郵箱接收消息，并根據消息中指定的圖像質量調節圖像幀率。第6個是網絡初始化模塊，他由CDB文件定義處理網絡環境的初始化。這6個任務模塊的具體功能為：
輸入任務模塊 使用驅動程序提供的FVID ex-change調用從SAA7115H獲得一幀最新視頻圖像。獲得的圖像是YUV 4：2：2格式的，他被重采樣成YUV 4：2：0。輸入任務模塊接著發送SCOM消息到處理任務，消息中包含了幀的指針。接著等待發送的消息返回以繼續處理。
處理任務模塊 包含JPEG編碼單元和JPEG解碼單元。JPEG編碼單元接受YUV 4：2：0格式的圖像，產生定制壓縮質量的JPEG圖像，處理任務模塊發送附帶JPEG文件的SCOM消息給網絡任務模塊，同時，JPEG解碼單元接收JPEG壓縮圖像并生成解壓縮圖像，解碼的圖像格式是YUV 4：2：0的。在解碼完成后，處理任務等待發送給網絡任務模塊的SCOM消息返回，然后發送消息給輸出任務模塊，通知新的輸出文件已經就緒。
輸出任務模塊 將圖像回放在顯示設備上。他使用輸出驅動程序提供的FVID exchange調用實現圖像的顯示，得到的圖像的格式是YUV 4：2：0的，需要重新采樣成YUV 4：2：2格式，然后等待處理任務發來的消息以繼續運行。
控制任務模塊 用來設定傳輸過程中的一些控制參數，包括圖像幀率和壓縮質最。控制任務模塊檢測參數的改變，這些參數定義在一個全局結構“External Control”中，同時將更新的參數復制到任務自定義的結構“External Controlprev”中，并向處理任務模塊的郵箱中發送消息。處理任務模塊定時檢測這些消息并調用相應單元的控制函數。
網絡初始化任務模塊 啟動網絡環境，當網絡準備備好后，建立網絡任務。
網絡任務模塊 用于支持系統中的網絡功能調用。當他初始化完成后，開始進入等待處理任務模塊發送的SCOM消息的狀態。本系統中網絡任務模塊取得處理任務模塊發送來的JPEG圖像，建立一個存在RAM上的圖像文件IMAGE1.JPG，這個同像可以由HTTP服務器識別并發送給HTTP客戶端，接著回發一個SCOM消息給處理模塊，通知他已經準備好處理下一個JPEG文件。
4 系統功能測試
在正確配置和連接DM642開發評估板(EVM)后，運行CCS，編譯、連接、下裁并運行程序。若CCS的“sdout”窗口最后顯示“link Status：100 Mb／s Full Duplex”，說明網絡連接被正常初始化。讀取“sdout”窗口中的“NetworkAdded：”項中的IP地址：192．168．。打開IE瀏覽器，在地址欄輸入此IP地址，運行。可以看到IE瀏覽器顯示的是經DM642壓縮處理，通過網絡傳送給PC機的視頻圖像，同時，此視頻圖像也在本地經監視器回顯。測試結果顯示，兩者幾乎是同步的。通過修改壓縮質量數據(取值為1～100，1壓縮率最大，質量最差，100壓縮率最小，質量最好)，設計者可以得到定制的壓縮質量的視頻。系統測試結果見圖5，圖6，壓縮質量分別取1，50。
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5 結 語
本文對基于DM642 DSP芯片和JPEG圖像壓縮算法的網絡視覺監控系統進行了分析研究并實現了實時視頻的壓縮編碼、解碼以及網絡傳輸功能。該系統可廣泛用于智能交通、金融、公共安全等領域的遠程視頻監控中，具有一定的實用性。下一步將在本文工作的基礎上，結合新一代網絡流媒體視頻壓縮算法，研究實現基于DM642的雙通道網絡視覺監控系統。
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