基于TMS320DM642的紅外監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：紅外監(jiān)控系統(tǒng)以其不受可視環(huán)境影響、24 h不間斷工作等諸多優(yōu)勢逐漸成為安防監(jiān)控領域的重要發(fā)展方向之一。在此設計的嵌入式處理平臺以TMS320DM642為核心，紅外視頻源采用FLIR熱成像儀，紅外圖像經(jīng)TVP5150解碼芯片處理后進行H．264編碼壓縮，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至客戶端PC機，基于Visual C++平臺開發(fā)的客戶端解碼器進行解碼及圖像增強后實時還原紅外圖像，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、圖像還原質(zhì)量高，以太網(wǎng)的平均傳輸率為0．087 MB／s，圖像壓縮率約為7：1，達到了系統(tǒng)設計要求。
關鍵詞：紅外熱成像；TMS320DM642；H．264；Visual C++

    紅外技術自誕生以來，紅外探測器作為一種在常溫下即可將任何物體發(fā)出的紅外輻射轉換為電信號的熱輻射轉換器，以其被動探測隱蔽性強、體積小巧易攜帶等諸多優(yōu)勢，廣泛應用于紅外偵查與跟蹤、雷達制導、電力監(jiān)測、安防監(jiān)控、醫(yī)療診斷等軍事及民用領域。紅外監(jiān)控技術集紅外熱成像技術與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控技術的優(yōu)勢于一體，有效地彌補了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足，是未來安防監(jiān)控領域的重要發(fā)展方向。本文在客戶端／服務器的系統(tǒng)架構基礎上提出了以TMS320DM642為核心的紅外監(jiān)控系統(tǒng)，前端采用FLIR公司的紅外熱成像儀，紅外圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過H．264技術壓縮后通過以太網(wǎng)傳輸至客戶端PC機，利用由Visual C++平臺開發(fā)的客戶端解碼器解壓縮后還原紅外圖像并顯示。整套紅外監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，圖像壓縮比率高，網(wǎng)絡帶寬占用率低，圖像還原質(zhì)量較好，達到了系統(tǒng)設計要求。

1 系統(tǒng)設計的總體框架
    紅外監(jiān)控系統(tǒng)的設計，是基于DSP實現(xiàn)紅外視頻數(shù)據(jù)從前端光源紅外探測器到上位機PC端的實時顯示，主要由前端視頻源、DSP服務器及PC客戶端構成，如圖1所示。系統(tǒng)前端紅外圖像采集設備采用FHR公司的紅外熱成像儀，能夠提供320×240像素的紅外圖像，數(shù)據(jù)經(jīng)過DSP端采集模塊、存儲模塊、壓縮模塊及網(wǎng)絡模塊的處理后，H．264數(shù)據(jù)流在以太網(wǎng)的另一端PC上位機端經(jīng)過解碼后，紅外圖像數(shù)據(jù)保存或顯示于客戶端。

2 系統(tǒng)模塊設計與實現(xiàn)
2．1 視頻采集模塊
    DM642無法處理紅外熱像儀輸出的PAL模擬信號，所以本系統(tǒng)首先采用視頻解碼芯片TVP5150解碼紅外視頻數(shù)據(jù)。TVP5150是TI公司生產(chǎn)的超低功耗(115 mw)、可編程高性能視頻解碼器。本設計中TVP5150接收熱像儀輸出的紅外圖像PAL信號，輸出8位4：2：2格式的的ITU-R BT．656視頻解碼信號，芯片與DM642的硬件連接如圖2所示。
    視頻采集模塊的驅動設計遵循TI公司針對DSP驅動開發(fā)專門定義的基于DSP／BIOS雙層外設驅動模型，該模型從功能上分為與硬件無關的類驅動和硬件相關的微驅動，類驅動(Class Driver)負責互連頂層應用程序和微驅動。而微驅動(Mini Driver)與具體應用到的外設相關，針對TVP5150芯片只需要簡單修改EDC(ExtemalDevice Contml)函數(shù)即可控制視頻解碼芯片的打開、關閉以及控制。如調(diào)用mdBindDev函數(shù)對數(shù)據(jù)通道進行綁定；調(diào)用mdCreateChan函數(shù)完成通信對象的創(chuàng)建；調(diào)用mdDelvteChan函數(shù)刪除通信對象并釋放相關資源；調(diào)用mdControlChan函數(shù)向TVP5150發(fā)送控制命令等。
2．2 存儲模塊
    系統(tǒng)采用兩片共4Mx64 b的動態(tài)隨機存儲器SDRAM存放視頻數(shù)據(jù)，一片4Mx8 b的FLASH存儲程序。紅外圖像的壓縮等處理均是在SDRAM內(nèi)部完成的，F(xiàn)LASH芯片接收并存儲通過仿真器JTAG接口下載到開發(fā)板的DSP程序，在系統(tǒng)啟動時加載程序并運行。
    (1)FLASH。本系統(tǒng)采用4Mx8b的Am29LV033C，DM642通過分別控制FLASH的片選信號、讀使能和寫使能，其與DM642的連接如圖3所示。

    (2)SDRAM。由于在整個圖象處理過程中需要緩存大量的圖像數(shù)據(jù)，而DM642芯片內(nèi)部只集成了256 KB的SRAM，顯然不能滿足需求，TM320 DM642外掛兩片SDRAM來擴展存儲空間，保證了系統(tǒng)實時運行時，圖像的緩存功能。SDRAM采用2M 64 b存儲空間的HY57V643220，并與EMIF的CE0接口相接，如圖4所示。
2．3 壓縮模塊
    系統(tǒng)的視頻壓縮模塊采用H．264技術對紅外圖像進行編碼，加入了多模式宏塊劃分、高精度運動估計、整數(shù)變換與量化等諸多技術亮點。設計采用調(diào)用H．264視頻編碼庫h264enc．lib對紅外圖像進行處理，視頻壓縮流程如圖5所示。

2．4 網(wǎng)絡傳輸模塊
    TMS320DM642的網(wǎng)絡通信接口由EMAC(Ethemet Media Access Controller)控制模塊、EMAC模塊與MDIO(Managemem Data Input／Output)模塊3部分組成的。本系統(tǒng)設計時采用Broadcom公司的BCM5221作為10／100Base-TX以太網(wǎng)收發(fā)器，與DM642連接如圖6所示。

3 客戶端解碼器的設計
    在上位機PC端的紅外視頻圖像解碼器是基于Windows環(huán)境下VC 6．0的基礎類庫MFC(Microsoft Foundation Classes)設計的，主要負責接收DSP網(wǎng)絡模塊發(fā)送來的紅外圖像數(shù)據(jù)碼流，對碼流進行解碼并正確顯示。解碼器的界面如圖7所示。
    客戶端解碼器可在網(wǎng)絡設置區(qū)域配置服務器端IP地址、子網(wǎng)掩碼及默認網(wǎng)關等信息以便進行通信，并配置相應碼率；客戶端還集成了圖像處理與錄像的功能，圖像增強采用直方圖均衡方式對紅外圖像進行處理，錄像時保存文件為*．264格式數(shù)據(jù)，方便對關鍵視頻信息保存及回放。

4 系統(tǒng)測試及評價
    紅外監(jiān)控系統(tǒng)的成像效果主要取決于紅外熱成像儀、壓縮傳輸?shù)那度胧狡脚_以及圖像的接收與顯示終端三部分，其中壓縮與傳輸?shù)那度胧紻SP平臺H．264壓縮比率以及網(wǎng)絡傳輸速率成為本系統(tǒng)的主要評價指標。系統(tǒng)正常工作情況下測試了30s，60s和90s三組時間下服務器與客戶端的之間紅外視頻數(shù)據(jù)的平均傳輸速率，如表1所示。

    紅外監(jiān)控系統(tǒng)服務器與客戶端的以太網(wǎng)平均傳輸速率為0．087 MB／s，又由熱像儀輸出紅外圖像分辨率為320x240，每秒鐘原始圖像數(shù)據(jù)量約為0．608 MB／s，估算系統(tǒng)壓縮率約為7：1。系統(tǒng)正常工作時客戶端成像效果如圖8所示。

5 結語
    作為紅外技術領域的重要應用，紅外監(jiān)控系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的缺點。本文設計了以TMS320DM642為核心的嵌入式紅外視頻采集壓縮傳輸平臺，并且開發(fā)了配套解碼與顯示客戶端軟件，使得無論在視頻處理芯片TMS320DM642還是在H．264視頻編解碼算法都體現(xiàn)了遠程紅外視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術亮點，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、圖像還原質(zhì)量較高、占用帶寬低，以太網(wǎng)的平均傳輸率為0．087 MB／s，圖像壓縮率約為7：1，達到了設計要求。