嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：提出了一種新型的嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架方案，該方案由視頻分析單元、視頻服務(wù)器、一級客戶端、二級客戶端組成；系統(tǒng)地分析了各個部分的關(guān)鍵技術(shù)并給出了具體設(shè)計和實現(xiàn)方案。多級客戶端的結(jié)構(gòu)可以提供對多個嵌入式智能視頻監(jiān)控器的系統(tǒng)管理，可以實現(xiàn)對多個監(jiān)控場景的全面、無縫監(jiān)控。系統(tǒng)基于Davicn TMS320DM6446芯片實現(xiàn)。實驗表明，該系統(tǒng)安全可靠，可擴充性強，應(yīng)用靈活。
關(guān)鍵詞：智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控；Davicn TMS320DM6446；智能視頻分析

0 引言
    視頻監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了3個主要的發(fā)展階段：第1代是以磁帶存儲為主要特征的本地模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)(VTR時代)；第2代是以ISDN網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、并綜合應(yīng)用數(shù)字壓縮、時隙交換和數(shù)字硬盤錄像機的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)(DVR時代)；第3代是基于IP網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)字視頻技術(shù)和圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控正向智能化的方向發(fā)展，即智能視頻監(jiān)控。與非智能化得視頻監(jiān)控相比，智能視覺監(jiān)控能實現(xiàn)主動監(jiān)控，采用智能算法對監(jiān)控到的畫面進行智能分析，進而進行相應(yīng)的動作。
    智能視頻監(jiān)控有基于PC機的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)和嵌入式的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。兩者相比，嵌入式的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有便攜、低功耗、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)勢，隨著嵌入式智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的大量應(yīng)用、批量生產(chǎn)，其成本優(yōu)勢也將得到體現(xiàn)。嵌入式智能監(jiān)控產(chǎn)品已是監(jiān)控市場發(fā)展趨勢。
    本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于達芬奇DM6446平臺的嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，提出了一種新型的嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架方案，該方案由視頻分析單元、視頻服務(wù)器、一級客戶端、二級客戶端組成的，文中系統(tǒng)地分析了各個部分的關(guān)鍵技術(shù)并給出了具體的設(shè)計、實現(xiàn)方案。多級客戶端的結(jié)構(gòu)可以提供對多個嵌入式智能視頻監(jiān)控器的系統(tǒng)管理，并可以實現(xiàn)對多個監(jiān)控場景的全面、無縫監(jiān)控。本系統(tǒng)基于davicnTMS320DM6446芯片實現(xiàn)，實驗表明該系統(tǒng)安全可靠，可擴充性強，應(yīng)用靈活。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
    如圖1所示，整個系統(tǒng)由視頻采集、視頻服務(wù)、智能視頻分析、智能客戶端、網(wǎng)絡(luò)存儲、電視墻等組成。視頻服務(wù)器負責(zé)整個系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)；智能視頻分析單元負責(zé)實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的智能分析；智能客戶端作為一級客戶端主要是實現(xiàn)流媒體的實時播放，與監(jiān)控管理相關(guān)的各種控制操作，與智能視頻分析相關(guān)的規(guī)則設(shè)置、分析軟件的更新等；網(wǎng)絡(luò)存儲和電視墻作為二級客戶端分別用于視頻回放，實時視頻監(jiān)視。

2 軟硬件實現(xiàn)
    本系統(tǒng)基于TMS320DM6446的實現(xiàn)。TMS320DM6446是TIC6000系列中速度達到4 800 MIPS的雙核處理器，集成了高速C64x+DSP處理器和ARM926EJ2S處理器。針對DSP核具有高速的數(shù)據(jù)處理能力和ARM核優(yōu)于對外設(shè)進行控制的特點，該系統(tǒng)中ARM主要負責(zé)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸控制、外設(shè)控制，即ARM作為視頻服務(wù)器，DSP作為智能視頻分析單元。
    本系統(tǒng)的軟件分為3個部分：視頻服務(wù)器部分采用monta vista linux嵌入式操作系統(tǒng)；智能視頻分析單元運行匯編語言編寫的視頻分析算法，無單獨操作系統(tǒng)，由視頻服務(wù)器Linux來調(diào)度執(zhí)行；智能客戶端在PC上VC++實現(xiàn)，智能客戶端和視頻服務(wù)器間的通信通過Socket實現(xiàn)。

3 功能模塊實現(xiàn)方案
3．1 視頻采集
    系統(tǒng)采用TI公司的視頻解碼芯片TVP5146實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，由DM6446的I2C對其控制，數(shù)字信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后送至DM6446的VPFE模塊。[!--empirenews.page--]
3．2 視頻服務(wù)器
    視頻服務(wù)器由ARM子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、VPSS、視頻自動環(huán)出、外圍設(shè)置及控制電路組成，負責(zé)系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)，視頻處理等。
    視頻處理模塊VPSS(VPEE和VPBE)包括視頻的編解碼、視頻輸入輸出、視頻放大。DM6446中集成了VPSS。視頻信號輸入到視頻處理前端(VPEE)后直接通過EDMA方式送至DDR中指定的空間存儲。當VP5146轉(zhuǎn)換完一幀圖像，產(chǎn)生EDMA中斷信號，并在EDMA中斷服務(wù)程序中由DSP子系統(tǒng)完成智能視頻分析的任務(wù)。視頻數(shù)字信號經(jīng)處理后通過視頻后端(VPBE)放大經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳出，或者轉(zhuǎn)換成NTSL／PAL制式的電視信號傳輸?shù)诫娨晧Α?br />     為了保證系統(tǒng)的魯棒性，本系統(tǒng)設(shè)計了視頻自動環(huán)出功能。在視頻服務(wù)器或智能視頻分析單元出現(xiàn)故障的情況下，視頻自動環(huán)出能控制視頻雙通道切換，直接輸出前端的復(fù)合視頻信號。在故障的情況下不影響視頻信號的傳輸，保證信號的連續(xù)性，保證系統(tǒng)的魯棒性。
    另外視頻服務(wù)器中還包含網(wǎng)絡(luò)接口模塊、存儲模塊、電源管理與復(fù)位模塊、串口模塊等。
3．3 智能視頻分析單元
    智能視頻分析單元負責(zé)對視頻圖像進行編解碼、分析，得到對監(jiān)控場景的理解，智能視頻分析系統(tǒng)的性能很大程度上依賴于其中智能視頻分析算法的精度和效率，所以算法的合理設(shè)計至關(guān)重要。目前智能視頻分析算法有很多種，但各自有其局限性，為某一應(yīng)用選擇合適的算法，往往從速度、精度還有應(yīng)用范圍等方面做綜合權(quán)衡。本系統(tǒng)主要針對禁區(qū)入侵智能監(jiān)控的應(yīng)用，為該應(yīng)用設(shè)計了一套快速實用的智能視頻分析算法，其視頻分析過程如圖2所示。

    本系統(tǒng)中的智能視頻分析單元由DM6446的DSP內(nèi)核運行智能視頻分析算法來實現(xiàn)。[!--empirenews.page--]
3．4 智能客戶端
    智能客戶端作為監(jiān)控者與視頻服務(wù)器的人機交互在智能監(jiān)控系統(tǒng)中扮演著重要作用，本系統(tǒng)在PC機Windows VC++6．0環(huán)境下實現(xiàn)，智能客戶端與視頻服務(wù)器之間采用C-S的模式構(gòu)建，客戶端程序采用了2個類對象分別來實現(xiàn)人機界面功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能，其與視頻服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

    智能客戶端能自動搜索局域網(wǎng)中所有的設(shè)備(嵌入式智能視頻監(jiān)控器)，并對搜索到的設(shè)備提供身份驗證、實時視頻場景監(jiān)控，用戶權(quán)限管理、日期時間管理、設(shè)備信息管理、報警規(guī)則設(shè)置、報警任務(wù)設(shè)置，報警信息查詢、固件升級等服務(wù)。
    智能客戶端本身不存在有數(shù)據(jù)的存取，其每一個操作都必須與視頻服務(wù)器通信，多個操作可能會同時發(fā)生(例如：固件升級和報警產(chǎn)生同時發(fā)生)，本系統(tǒng)中采用多線程的方式來實現(xiàn)多個任務(wù)的并行或串行，分別為自動搜索設(shè)備線程、配置數(shù)據(jù)通信線程、視頻場景監(jiān)控線程、固件升級線程，其流程圖如圖4所示。

    客戶端系統(tǒng)啟動后，進入到自動搜索界面，創(chuàng)建自動搜索設(shè)備線程，在該線程中與視頻服務(wù)器通信，采用TCP／IP協(xié)議，確認對方設(shè)備在工作狀態(tài)后，顯示所有正常工作的設(shè)備，創(chuàng)建配置數(shù)據(jù)通信線程、視頻場景監(jiān)控線程，并銷毀自動搜索設(shè)備線程。
    配置數(shù)據(jù)通信線程負責(zé)顯示視頻服務(wù)器端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，發(fā)送用戶的配置數(shù)據(jù)給視頻服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)通信采用TCP／IP協(xié)議。
    視頻場景監(jiān)控線程實現(xiàn)解碼視頻圖像并顯示，網(wǎng)絡(luò)通信采用UDP協(xié)議，在該線程中使用了CXIMAGE類對象來解碼和顯示視頻圖像。配置數(shù)據(jù)通訊線程和視頻場景監(jiān)控線程在客戶端程序運行時一直存在。
    固件升級線程只有在用戶進行了“版本升級”操作時才啟用，其中的網(wǎng)絡(luò)通信采用FTP協(xié)議，當固件升級完畢，銷毀該線程。
3．5 二級容尸端
    二級客戶端包括網(wǎng)絡(luò)存儲單元和電視墻。
    網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控存儲單元通過DM6446的ATA接口，存儲經(jīng)過智能視頻分析后的視頻數(shù)據(jù)，以供監(jiān)控視頻回放。由于存放的是處理后的視頻數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)智能搜索，從海量的視頻數(shù)據(jù)中迅速定位，大大提高系統(tǒng)的使用效率。智能客戶端(一級客戶端)本身沒有存儲功能，只提供實時監(jiān)控功能，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控存儲單元作為智能記憶單元，為一級客戶端提供時間上的補充。
    智能客戶端主要的功能在于配置管理視頻服務(wù)器，在監(jiān)控功能上只能提供一個場景點的監(jiān)控。電視墻可同時監(jiān)控多個場景，給系統(tǒng)提供更加全面完善的監(jiān)控，為一級客戶端提供空間上的補充。
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4 系統(tǒng)測試
    本文提出的構(gòu)架方案和實現(xiàn)方案已通過測試。圖5～圖7為某場景禁區(qū)入侵測試報警效果截圖。其中圖5為某室內(nèi)場景圖，圖6中為該場景設(shè)置了禁區(qū)規(guī)則，圖中的黑色粗實線就是通過客戶端設(shè)置的禁區(qū)絆線，從線上通過則會觸發(fā)報警，圖7為規(guī)則觸犯后報警圖，線框部分為檢測到的入侵目標。

5 結(jié)語
    提出了一種新型的嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控的構(gòu)架方案，并給出了具體的實現(xiàn)方案，該方案實現(xiàn)的系統(tǒng)采用集中式統(tǒng)一管理，多點分布式布控，可以應(yīng)用于多場景、多點監(jiān)控。系統(tǒng)采用多級客戶端結(jié)構(gòu)，一級客戶端提供集中式統(tǒng)一管理，二級客戶端提供對多個監(jiān)控場景的全面、無縫監(jiān)控?？蓴U展性強，系統(tǒng)中可以隨時加入新的布控點，智能客戶端通過重新搜索功能就可實現(xiàn)對新布控點的控制和管理。智能視頻分析算法可以通過網(wǎng)絡(luò)更新；針對不同的場景、監(jiān)控的不同要求，可以采用不同的智能視頻分析算法，提供個性化的視頻智能分析服務(wù)，這些都給系統(tǒng)的應(yīng)用帶來極大的靈活性。