基于達(dá)芬奇平臺(tái)的微波視頻監(jiān)控系統(tǒng)

0引 言

電力系統(tǒng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主動(dòng)脈，是人民正常生活最基本、最必須的保障；并且，隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)電力的依賴(lài)越來(lái)越強(qiáng)烈。因此，保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行是十分必要的。

為了保證電力設(shè)施的安全運(yùn)行，需要視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)。由于微波站已經(jīng)安裝了微波傳輸通道，因此可以采用現(xiàn)有的微波通道，就地取材。

微波通道的主要缺點(diǎn)是帶寬窄、誤碼率高。采用世界上最先進(jìn)的壓縮標(biāo)準(zhǔn)是H.264，以構(gòu)成高質(zhì)量的圖像監(jiān)控系統(tǒng)。為了能夠采用這一最新的視頻壓縮技術(shù)，采用由德州儀器(TI)公司最新推出的達(dá)芬奇平臺(tái)。它里面包含了2個(gè)核，一個(gè)TI的TMS320C64x+和一個(gè)ARM9內(nèi)核。一個(gè)負(fù)責(zé)運(yùn)行操作系統(tǒng)的控制與調(diào)度任務(wù)，另一個(gè)負(fù)責(zé)處理計(jì)算比較劇烈的任務(wù)。2個(gè)核互相配合，形成一個(gè)功能強(qiáng)大的多媒體處理平臺(tái)。

我們?cè)诘轮輧x器公司的DVEVM的硬件基礎(chǔ)之上，確定了視頻傳輸系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了視頻終端的軟件和中心站接收和瀏覽視頻的軟件，完成了整個(gè)系統(tǒng)的原理性開(kāi)發(fā)。最終性能測(cè)試表明，我們能夠在小于64K的帶寬下，完成較好質(zhì)量的CIF圖像的視頻傳輸。而在384K的帶寬條件下，完成D1高分辨率的視頻圖像的連續(xù)傳輸。

1基于微波的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微波站圖像監(jiān)控系統(tǒng)的基本機(jī)理如下，它是由若干視頻傳輸終端和一個(gè)中心站組成。各個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)的視頻信息通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的微波通道，傳輸至中心站的計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。微波傳輸?shù)年P(guān)鍵裝置是阿爾卡特(Alcatel)A9800，它是一套點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字無(wú)線(xiàn)接人系統(tǒng)，使用TDM／TDMA FDD的空間接口進(jìn)行傳輸。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2視頻終端的硬件平臺(tái)達(dá)芬奇DaVinciTM

采用的基于達(dá)芬奇的視頻終端的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要參照TI推出的基于達(dá)芬奇的DVEVM(數(shù)字圖像評(píng)估系統(tǒng))的硬件系統(tǒng)：

達(dá)芬奇平臺(tái)上的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)DVSDK：即數(shù)字視頻開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是由Monta Vista公司提供，它包括：

(1)eXpress Configure Kit：它可將各個(gè)不同的軟件模塊即成為一個(gè)可執(zhí)行文件，避免手工集成包括ARM和DSP上的軟件，以及如何協(xié)調(diào)它們的工作。例如音視頻的編解碼模塊、TI的Codec Engine、TI的DSP／BIOS real-time kernel及其TI的DSP／BIOS Linker等。

(2)TMS320C644x SoC Analyzer。它是一個(gè)單一的圖形化系統(tǒng)，幫助開(kāi)發(fā)員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的瓶頸，找出問(wèn)題并加以解決。它包括：系統(tǒng)集成、負(fù)載分布、數(shù)據(jù)輸入輸出等各種行為。

(3)Monta Vista操作系統(tǒng)：Monta Vista是公認(rèn)的十分穩(wěn)定的Linux操作系統(tǒng)，但DVSDK中專(zhuān)為數(shù)字視頻應(yīng)用而進(jìn)行了大量的優(yōu)化，使其成為支撐視頻處理最優(yōu)秀的作業(yè)系統(tǒng)。

3視頻壓縮技術(shù)H.264的應(yīng)用

H.264的基本流程是編碼器先將圖像分割成圖片，圖片再分為宏塊，對(duì)于每個(gè)宏塊根據(jù)幀的類(lèi)型分別加以處理。對(duì)于獨(dú)立(I)幀，采用所謂的幀內(nèi)預(yù)測(cè)，對(duì)非獨(dú)立幀，采用幀間預(yù)測(cè)，即所謂的運(yùn)動(dòng)搜索，然后進(jìn)行預(yù)測(cè)。并對(duì)預(yù)測(cè)采用DCT變換，最后采用熵編碼(算術(shù)或變碼長(zhǎng)編碼)。H.264由于采用了以下技術(shù)使壓縮比大幅提高：

(1)1／4、1／8運(yùn)動(dòng)搜索技術(shù)，使運(yùn)動(dòng)搜索的匹配精度提高；
(2)多參考幀技術(shù)；
(3)幀內(nèi)的精細(xì)預(yù)測(cè)技術(shù)；
(4)4×4小塊預(yù)測(cè)技術(shù)，使圖塊更加容易匹配。

在H.264的基礎(chǔ)上我們還進(jìn)行了以下改進(jìn)：

(1)應(yīng)用視覺(jué)模型進(jìn)一步減少視頻信號(hào)所占的帶寬。即對(duì)變換較大的圖像部分采用較大的量化步長(zhǎng)，較平坦的部分采用較小的量化步長(zhǎng)。壓縮后的圖像質(zhì)量與沒(méi)有采用視覺(jué)模型的圖像，幾乎沒(méi)有明顯的區(qū)別，或只有一點(diǎn)點(diǎn)的降低，但圖像的壓縮比可增加可達(dá)10％左右。但PSNR上反映出來(lái)的誤差稍大，但對(duì)很多應(yīng)用來(lái)講，人們并不很關(guān)心具體的PSNR的大小。而以眼見(jiàn)為實(shí)的東西為準(zhǔn)。

假設(shè)基準(zhǔn)的量化水平為q，欲進(jìn)行變換的塊的變化量，從橫向相鄰像素的絕對(duì)誤差之和為△：

式中：n為快的大小(4或8)，p(i，j)為該位置上的像素值。則該塊的新的量化水平將被調(diào)節(jié)為：

式中：qmin，qmax為設(shè)定的最小和最大量化水平(10，51)，floor表示取整數(shù)運(yùn)算，μ為調(diào)節(jié)系數(shù)。其中對(duì)MPEG的測(cè)試系列news(CIF)進(jìn)行壓縮后有以下結(jié)果：盡管PSNR略差，但視覺(jué)上的差別不是很大，比較如圖3所示。
(1)雙指標(biāo)的運(yùn)動(dòng)搜索。幾乎所有現(xiàn)在的運(yùn)動(dòng)搜索都用的是一個(gè)單一的指標(biāo)，即絕對(duì)誤差和SAD，在很多DSP中都有針對(duì)求SAD的指令，如TI的C6000系列等。其實(shí)應(yīng)用雙指標(biāo)更能有效地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)搜索。而且更能較為精確地找到匹配模塊的位置，從而提高編碼效率。更重要的是，雙指標(biāo)運(yùn)動(dòng)搜索更容易實(shí)現(xiàn)智能化判斷小塊是否是由前一幅圖像中的某一小塊移動(dòng)而來(lái)，因而不再需要進(jìn)行編碼，從而提高編碼效率。其效果見(jiàn)圖4。

(3)多分辨率分析下(Multi-resolution)的雙指標(biāo)運(yùn)動(dòng)搜索，即應(yīng)用小波變換的Lifing-Scheme將圖像分解在不同的分辨率下，首先在最粗的分辨率下得到運(yùn)動(dòng)矢量的一個(gè)概貌性的描述，然后在逐漸地在高分辨率的圖像中細(xì)化運(yùn)動(dòng)矢量，這樣既可較快地找到運(yùn)動(dòng)矢量，又可避免陷入局部的極小值，軟件界面如圖5所示。
4結(jié) 論

我們?cè)诘轮輧x器公司的DVEVM的硬件基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了視頻傳輸系我們?cè)诘轮輧x器公司的DVEVM的硬件基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了視頻傳輸系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并開(kāi)發(fā)了視頻終端的軟件和中心站接收視頻的軟件，完成了整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。性能測(cè)試表明：在64 K帶寬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)CIF的圖像監(jiān)控，監(jiān)控幀率可達(dá)每秒2～5幀左右，時(shí)間延遲在2～3 s，滿(mǎn)足作為監(jiān)控目的基本要求；如果綁定6×64 K=384 K的通道，則能夠在小于384 K的帶寬下，完成高質(zhì)量的D1(704×576)圖像高分辨率的視頻圖像的連續(xù)傳輸，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。畫(huà)面質(zhì)量的平均PSNR在30 dB左右，滿(mǎn)足視覺(jué)需要，可以辨認(rèn)不法闖入分子的身份。