基于嵌入式操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡攝像機

與傳統(tǒng)模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點：

　　1）把監(jiān)控錄像保存在大容量硬盤上，數(shù)字信號存儲信息永不丟失，圖像質量不下降。

　　2）數(shù)字視頻容易被計算機處理。可以在監(jiān)控圖像中設定報警區(qū)域，計算機對報警區(qū)域的圖像進行分析和處理，做到自動監(jiān)控，無人值守。

　　3）數(shù)字視頻經(jīng)過壓縮之后，占用帶寬較小，而且數(shù)字信號在傳輸時容易進行加密，非法截取的信號無法還原為視頻圖像。

　　4）數(shù)字錄像存儲在計算機硬盤上，可以用計算機來檢索和管理，擺脫了手工管理和檢索的復雜繁瑣。

　　基于網(wǎng)絡攝像機的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究，國外起步較早，成熟的網(wǎng)絡攝像機產(chǎn)品有索尼營銷公司推出的10BASE2T的網(wǎng)絡攝像機“SNC2VL10N”，以及松下KX2HCM130、三星SNC2100P、安特ANT2NWC10/50/100等。國外同類產(chǎn)品一般采用MPEG或者小波壓縮方法，性能較好，但價格昂貴，國內(nèi)用戶大都無法承受。我國這方面的研究剛剛起步，大多數(shù)廠商僅代理國外產(chǎn)品，從事實際研究的單位不多。

　　目前國內(nèi)市場上已經(jīng)投入使用的視頻采集設備多以視頻采集卡的形式存在。本文設計的方案采用TI公司的TVP5040作為前端視頻采集設備的主體芯片，可以作為獨立的單元存在，并且具有體積小、處理能力強且功耗低的特點；加之采用了功能強大的TI嵌入式處理器芯片TMS320DSC21,使系統(tǒng)可以快速、穩(wěn)定地實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集、壓縮和打包上傳，為數(shù)字化視頻監(jiān)控提供了解決方案。本文中簡單介紹了TMS320DSC21,詳細介紹了自行研制的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)采集與處理端的硬件結構，以及運用該系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡實時監(jiān)控的設計方案。

　　1　TMS320DSC21微處理器

　　TMS320DSC21微處理器（簡稱DSC21）是一個高性能的單芯片微處理器，由以下幾部分組成：

　　1）1個DSP（TMS320C5409）子系統(tǒng)；

　　2）1個微控制器（ARM7TDMI）子系統(tǒng)；

　　3）2個DSP協(xié)處理器（iMX和VLC）；

　　4）SDRAM控制器；

　　5）圖像外圍單元①。

　　DSC21的高集成度使之特別適合應用于視頻、音頻和圖像類產(chǎn)品。其5個子系統(tǒng)在單個芯片上組成了一個完整的系統(tǒng)。片上MCU運行用戶操作系統(tǒng)處理復雜的協(xié)議，實現(xiàn)控制功能和位操作；DSP和DSP協(xié)處理器完成大運算量計算、數(shù)字信號處理以及算術計算；圖像外圍組件和SDRAM控制器提供極大的數(shù)據(jù)流量。因此，DSC21可以在單芯片上實現(xiàn)高性能、多處理器的圖像處理系統(tǒng)。

　　圖1示出DSC21模塊圖

DSC21模塊包括：

　　1）ARM子系統(tǒng)。由ARM7TDMIRISC內(nèi)核、內(nèi)部RAM和外設模塊組成。ARM子系統(tǒng)完成所有的控制功能，支持實時操作系統(tǒng)，如ucOS,Vx2Works,uITRON,Nucleus和Linux。ARM也控制各個外設模塊，如定時器、中斷控制器、CCD/CMOS控制器、OSD、NTSC/PAL視頻編碼器、USB、CF卡、SM卡、IrDA、預覽引擎、串口等。用戶接口軟件也在ARM上運行。

　　2）DSP子系統(tǒng)。由DSP核、32KBRAM和專用內(nèi)存塊（ImageBuffer）組成。DSP核是一個基于0118μm技術的DSP處理器TMS320C5409DSP。

　　DSP子系統(tǒng)負責所有大運算量信號處理任務，如圖像處理，JPEG壓縮；處理所有的實時I/O,如音頻和ModemI/O,MP3,AAC播放的實現(xiàn)；支持可編程實時自動曝光、自動聚焦、自動白平衡（AE,AF,AWB），以及圖像/視頻拍攝和回放。

　　3）DSP協(xié)處理器。由iMX和VLC兩部分組成，負責協(xié)助DSP子系統(tǒng)進行圖像處理。iMX由4個并行的乘加單元（MAC）組成，適合矩陣運算；而VLC針對JPEG,MPEG1的量化和Huffman編碼進行優(yōu)化。DSP子系統(tǒng)可以通過調(diào)用子程序實現(xiàn)對DSP協(xié)處理器的操作。

　　4）SDRAM控制器。是片外擴展SDRAM與片內(nèi)所有功能模塊的接口。它為片外SDRAM提供與DSC21處理器和圖像單元連接的高帶寬接口，支持最高80MHz,32bitSDRAM。SDRAM控制器支持實時CCD數(shù)據(jù)流輸入和TV顯示數(shù)據(jù)輸出，其訪問性能達到320MB·s-1。

　　5）圖像外圍組件。DSC21有4個圖像單元：

　　CCD控制器、預覽引擎、連拍模式壓縮/解壓縮單元和硬件圖形單元。這些專用的圖像單元由ARM控制，用于向DSC21系統(tǒng)讀入數(shù)據(jù)并建立彩色顯示。

　　CCD控制器可以為CCD/CMOS圖像傳感器提供必要的同步時序邏輯，并支持逐行掃描和隔行掃描CCD/CMOS圖像傳感器。通過對CCD控制器內(nèi)部的寄存器進行配置，可以使CCD控制器處于不同的工作狀態(tài)。CCD控制器能支持高達16Mpix（4K×4K）的CCD/CMOS圖像傳感器。

　　預覽引擎模塊將CCD控制器傳來的數(shù)據(jù)轉換成適合NTSC/PAL編碼器的顯示格式，它可達到實時30幀·s-1的NTSC/PAL預覽。預覽引擎內(nèi)置增益控制、白平衡、垂直水平噪聲過濾、CFA插值、降采樣、伽馬校正和色空間轉換等功能。

　　連拍模式壓縮解壓縮模塊采用無損（或有損）算法，將從CCD控制器傳來的原始圖像數(shù)據(jù)壓縮并寫入SDRAM,解壓縮引擎在DSP的控制下可以對這些數(shù)據(jù)解壓。這些數(shù)據(jù)被處理、顯示，存回SDRAM。連拍模式可以支持10幀·s-1高分辨率照片的拍攝。

　　硬件圖形單元由3部分組成：OSD（OnScreenDisplay）、NTSC/PAL編碼器和DAC（數(shù)模轉換器）。

　　OSD支持3個硬件窗口，NTSC/PAL編碼器集成了復合視頻信號輸出通道和獨立R,G,B輸出通道①。[!--empirenews.page--]2　基于DSC21的嵌入式網(wǎng)絡攝像機系統(tǒng)

　　2.1　系統(tǒng)硬件組成

　　本系統(tǒng)對采集的圖像進行處理和壓縮，得到MJPEG文件，再通過網(wǎng)絡傳送，使遠程控制端可以實時觀看現(xiàn)場情況，并可調(diào)整圖像質量、云臺角度等。

圖2示出嵌入式視頻采集系統(tǒng)框圖。視頻A/D芯片完成1～4路攝像頭的輸入轉換，F(xiàn)LASH芯片用于存放所有程序，SDRAM用于中間數(shù)據(jù)存儲，CPLD用于硬盤邏輯變換，以太網(wǎng)控制器芯片負責將圖像文件上傳并接收控制端的命令和參數(shù)。

　　2.2　系統(tǒng)軟件

　　系統(tǒng)軟件包括嵌入式系統(tǒng)軟件和硬件驅動程序。本系統(tǒng)使用基于ucLinux的嵌入式操作系統(tǒng)作為下位機系統(tǒng)軟件。ucLinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本。

　　ucLinux具有對多種文件系統(tǒng)的支持能力，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可以借鑒Linux豐富的資源，對一些復雜的應用具有相當?shù)膬?yōu)勢；但是由于沒有MMU（內(nèi)存管理單元），其多任務的實現(xiàn)需要一定的技巧。ucLinux的典型啟動過程見圖3。

　　在ucLinux系統(tǒng)中，幾乎所有設備的控制操作都由與設備相關的代碼來實現(xiàn)，這些代碼就是設備驅動程序。系統(tǒng)內(nèi)核必須為從硬盤驅動器到鍵盤和磁帶等的每個外部設備嵌入設備驅動程序。一般外設的驅動程序先在用戶空間編寫，即先在應用層實現(xiàn)對外設的操作，驅動程序在應用層調(diào)試好之后，就可以封裝到內(nèi)核模塊中。

　　3　系統(tǒng)在網(wǎng)絡監(jiān)控中的應用

　　基于嵌入式操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡攝像機系統(tǒng)非常適合網(wǎng)絡監(jiān)控的應用。CAU2DVCⅠ是基于TMS320DSC21的嵌入式網(wǎng)絡攝像機。CAU2DVCⅠ的性能參數(shù)如下：圖像壓縮格式為M2JPEG;圖像分辨率為CIF（352×288pix）；通信口RS485;以太網(wǎng)接口RJ24510/100Mbitbase2T自適應；網(wǎng)絡協(xié)議TCP/IP;傳輸幀率PAL最大25幀·s-1,NTSC最大30幀·s-1;報警接口2入2出；嵌入式操作系統(tǒng)u2cLinux;靜態(tài)IP地址，可通過網(wǎng)絡設置。

　　本系統(tǒng)可應用于多個領域：電力系統(tǒng)（發(fā)電廠、供電所、無人值守變電站）、房地產(chǎn)行業(yè)（智能化小區(qū)/大廈、基礎工程現(xiàn)場、物業(yè)管理中心）、教育系統(tǒng)（幼兒園、考場、高等院校）和制造業(yè)（工廠、車間），現(xiàn)已有多臺在北京和上海等地投入使用。圖5示出基于CAU2DVCⅠ型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構圖。CAU2DVCⅠ型網(wǎng)絡攝像機已經(jīng)應用于通州供電局瞳里變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，效果很好。