一種3G移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文針對(duì)3G 移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)面臨實(shí)時(shí)性高、運(yùn)算量大、帶寬低的要求，提出了一種基于DaVinci 技術(shù)和3G 網(wǎng)絡(luò)傳輸為基礎(chǔ)的解決方案。該方案完成了系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)和軟件模塊化詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了OSD 字幕的前端添加功能，并解決了在3G 無線帶寬抖動(dòng)下采用自適應(yīng)幀碼率和QoS 機(jī)制，使視頻圖像流暢穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)的測試結(jié)果表明，能夠在3G 低帶寬下流暢地進(jìn)行移動(dòng)視頻監(jiān)控。

0 引言

在數(shù)字化視頻監(jiān)控技術(shù)飛速發(fā)展的今天，數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)正迅速的深入到各行業(yè)，如企業(yè)、煤礦、學(xué)校、公共場所，為人們的工作和生活帶來了一次大變革。由于能夠在達(dá)芬奇平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻、音頻、語音與話音技術(shù)，因此達(dá)芬奇技術(shù)可以為數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的當(dāng)前變革打下基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，隨著3G 網(wǎng)絡(luò)的開通，更為高清移動(dòng)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)提供了實(shí)現(xiàn)的可能。

本文中要設(shè)計(jì)的3G移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種能提供視頻采集、視頻數(shù)據(jù)壓縮、聯(lián)動(dòng)報(bào)警、衛(wèi)星定位及網(wǎng)絡(luò)傳輸功能于一體的一種移動(dòng)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。其主要技術(shù)瓶頸就在于：①其系統(tǒng)耗時(shí)是否能保證其實(shí)時(shí)性要求，關(guān)鍵為H.264壓縮算法耗時(shí)。由于嵌入式環(huán)境資源的限制，在視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸和圖像質(zhì)量方面，尤其是多路的情況下，其一直都得不到保證。但是隨著達(dá)芬奇技術(shù)的成熟，其ARM 926EJ-S與DSP C64x+ 的雙核架構(gòu)，H.264 壓縮算法獨(dú)立運(yùn)行在DSP的 Codec Server 端，解決了系統(tǒng)耗時(shí)保證其實(shí)時(shí)性要求。②其3G 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸能否保證視頻質(zhì)量及實(shí)時(shí)性。在保證視頻質(zhì)量及傳輸實(shí)時(shí)性要求上，可以從兩個(gè)方面入手：①縮短視頻數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間，使用當(dāng)前最高效的H.264 編碼技術(shù)縮小傳輸?shù)男畔⒘浚捎脛?dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整視頻數(shù)據(jù)的幀碼率來減少傳輸?shù)男畔⒘浚赃m應(yīng)無線帶寬及抖動(dòng)。②實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS 機(jī)制，自己設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了3G 無線傳輸?shù)腝oS 機(jī)制，選用實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP 和RTP 配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷實(shí)現(xiàn)傳輸效率最佳化，因此保證了視頻質(zhì)量及其實(shí)時(shí)性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

本系統(tǒng)采用的是由達(dá)芬奇處理器（TMS320DM6446）、DDR2SDRAM（MT47H64M16）、NAND FLASH（K9F1208X0C）、視頻解碼器TVP5150、3G 芯片（中興MC8360）、GPS 衛(wèi)星定位芯片加上外圍接口芯片的方案。CCD 攝像機(jī)采集模擬視頻信號(hào)傳入視頻解碼器內(nèi)，進(jìn)行模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換， 輸出符合ITU-BT.656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)，然后將數(shù)字視頻信號(hào)傳到視頻處理子系統(tǒng)的前端進(jìn)行預(yù)處理，將數(shù)字視頻信號(hào)通過本人設(shè)計(jì)的OSD字幕添加算法加入白底黑邊字幕后，經(jīng)過Codec Engine 編碼后通過USB2.0 總線端口送入3G 傳輸芯片，無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程視頻監(jiān)控中心；達(dá)芬奇處理器檢測進(jìn)行衛(wèi)星定位命令，通過串口接收GPS 衛(wèi)星定位信息，然后將GPS 衛(wèi)星定位信息傳入到3G 傳輸芯片，無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程視頻監(jiān)控中心，在地圖上標(biāo)定其坐標(biāo)點(diǎn)及其移動(dòng)軌跡。DM6446 上的DSP 端主要負(fù)責(zé)視頻編解碼工作，ARM 端做為控制視頻解碼芯片、3G 傳輸芯片、GPS 定位芯片和外圍接口芯片的控制器。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

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2 硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 視頻采集與解碼設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中選用TI 公司的視頻解碼芯片TVP5150 完成視頻圖像的模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換。TVP5150 是超低功耗、支持NTSC/PAL/S E C A M 等格式的高性能視頻解碼器，它正常工作時(shí)功耗僅115mW,并具有32 腳TQFP 超小封裝。它可以接收兩路CVBS或一路S-Video 信號(hào)，通過I2C 總線設(shè)置其內(nèi)部寄存器，可以輸出8位4:2:2的ITU BT.656信號(hào)。

TVP5150 芯片采用14.31818 MHz 晶振做為輸入時(shí)鐘，數(shù)字和模擬輸入電壓為1.8V,IO 口電壓為3.3V;信號(hào)輸入有AIP1A 和AIP1B 兩路，并且都進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，防止對(duì)輸入信號(hào)的反射；YOUT[0:7]輸出8 路YcbCr 信號(hào)，行場同步信號(hào)選擇引腳HSYNC 和VSYNC 輸出；SCLK 引腳向DM6446 芯片輸出27MHz 時(shí)鐘信號(hào)，用來同步數(shù)據(jù)采集。

2.2 DDR2 SDRAM 內(nèi)存接口設(shè)計(jì)

內(nèi)存主要用來緩存視頻輸入圖像數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)ARM 和DSP代碼等。DDR2 內(nèi)存是一種新型高速、大容量的雙速率同步存儲(chǔ)器，相對(duì)于DDR,DDR2 具有更高的頻寬、更低的功耗、更好的高速效能。

本設(shè)計(jì)選用Micron 公司的MT47H64M16BT 型號(hào)DDR2芯片，該芯片單片容量為1Gb,提供16 位字長數(shù)據(jù)總線接口，芯片采用1.8V 做為輸入電壓，其內(nèi)存支持差分鎖存信號(hào)，可以保證電路在高速情況下準(zhǔn)確的鎖存總線上的數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。為提高系統(tǒng)內(nèi)存容量并最大限度利用DDR2控制器的32 數(shù)據(jù)總線，設(shè)計(jì)選用兩片MT47H64M16BT,分別作為數(shù)據(jù)總線的高低16 位，組成32 位數(shù)據(jù)總線、大小為256Mbyte 的內(nèi)存系統(tǒng)。將兩片16 位DDR2 芯片與32 位總線的DDR2 控制器連接時(shí)，把數(shù)據(jù)總線和相應(yīng)的數(shù)據(jù)選通信號(hào)及字節(jié)使能信號(hào)與相應(yīng)DDR2 芯片分別連接，其它信號(hào)兩片DDR2 芯片公用。此時(shí)，32 位數(shù)據(jù)總線的DDR2 控制器可同時(shí)訪問兩片DDR2 芯片。

2.3 電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用TI 公司的TPS75003 和TPS62040 電源管理芯片，T P S 7 5 0 0 3 具有兩路最大提供3 A 的拓?fù)潆娫春鸵宦?00mA LDO 電源，每個(gè)Buck 輸出電壓范圍在1.2V 至6.5V 之間，LDO 輸出電壓范圍在0.9V 至6.5V 之間，輸入電壓范圍在2.2V 至6.5V 之間。TPS62040 是高效異步開關(guān)DC/DC 轉(zhuǎn)換電源，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95%,輸入電壓范圍在2.5V 至6.0V,輸出電壓在0.7V 至6.0V,因此都可通過主電源+5V 供電。

系統(tǒng)電源分為+5V、+3.3V、+1.8V、+1.2V 四種，系統(tǒng)主供電電源為+5V,其余均由+5V 電源供給。因此，采用一片TPS75003 和一片TPS62040 完成系統(tǒng)四種電源的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)用TPS75003 的SW1 引腳經(jīng)過SI2323 續(xù)流整形后輸出1.2V 電壓用于DM6446 內(nèi)核供電，IS1 引腳連接參考電壓，F(xiàn)B1 引腳接輸出1.2V 電壓作為反饋，SW2 引腳輸出3.3V 電壓用于DM6446 外設(shè)接口供電。TPS62040 的SW1 和SW2 引腳短接后輸出1.8V 電壓用于DM6446 存儲(chǔ)器接口供電，F(xiàn)B 引腳連接1.8V 作為反饋輸入。這樣，用一片TPS75003 和TPS62040 電源管理芯片就可以滿足本系統(tǒng)供電。TPS75003 和TPS62040電源轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示。

圖2 TPS75003 和TPS62040 電源轉(zhuǎn)換電路圖

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3 軟件方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用嵌入式MontaVista Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)，其具有安全、穩(wěn)定、高效率、高實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。本文系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，從功能角度，其軟件體系結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)澐譃橐韵挛宀糠郑翰杉K、編碼模塊、3G 傳輸模塊、GPS 衛(wèi)星定位模塊、設(shè)備監(jiān)測模塊。由于3G無線傳輸受到其帶寬的限制，如何能保證視頻圖像質(zhì)量和實(shí)時(shí)性尤為關(guān)鍵，因此，3G 傳輸模塊是系統(tǒng)軟件的核心部分。

3.1 采集模塊

本模塊主要完成視頻的采集、圖像格式轉(zhuǎn)換。采用V4L2接口采集攝像頭的視頻數(shù)據(jù)，V4L2 是Linux 下開發(fā)視頻采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一套規(guī)范，這套規(guī)范使用分層的方法給驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)提供了清晰的模型和一致的接口。應(yīng)用程序處于最上層，V4L2 處于中間層，而硬件設(shè)備處于下層，從而通過驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的操作如同一個(gè)文件一樣，屏蔽了硬件設(shè)備的具體操作。

TVP5150 驅(qū)動(dòng)程序以包含在Linux內(nèi)核中，本設(shè)計(jì)是基于該驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)視頻采集的，視頻采集程序基本流程如圖3所示。

圖3 視頻采集程序基本流程圖

3.2 編碼模塊

本模塊主要完成了OSD 字幕信息添加及圖像的壓縮編碼。

設(shè)計(jì)中充分利用了Davinci 編解碼引擎接口進(jìn)行應(yīng)用程序編程，對(duì)采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行YUV 格式轉(zhuǎn)換后，通過自己設(shè)計(jì)的OSD 字幕算法加入OSD 字幕信息，采用優(yōu)化的TI 公司H.264 壓縮算法，對(duì)完成處理的YUV4:2:0 格式數(shù)據(jù)進(jìn)行幀間編碼壓縮。

OSD 字幕算法實(shí)現(xiàn)了在YUV 圖像上面添加中英文字幕信息，并可設(shè)置字體的字和邊界為兩種顏色，以在不同背景色下清晰顯示字體。其基本原理為根據(jù)字符的ASCII 從點(diǎn)陣字庫中讀入其點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次外圍邊界像素點(diǎn)擴(kuò)展，這樣就可以判斷每位數(shù)據(jù)中為1 的相鄰8 個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)位的值，為0則表示該點(diǎn)是字符的邊框，為1 則表示該點(diǎn)是字符邊框內(nèi)的背景色。

3.3 3G傳輸模塊

本部分主要完成視頻數(shù)據(jù)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的3G 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，用于支持視頻監(jiān)控及系統(tǒng)控制通訊等功能。設(shè)計(jì)中采用RTP/RTCP 協(xié)議配合使用，由于無線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，加入了自適應(yīng)幀碼率處理機(jī)制及QoS 處理機(jī)制，保證了視頻圖像質(zhì)量和實(shí)時(shí)性要求。其基本過程是壓縮編碼完成后，進(jìn)行視頻預(yù)存緩沖處理，對(duì)編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行RTP 封包處理，然后經(jīng)過USB總線傳輸?shù)?G 模塊中，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送；接收數(shù)據(jù)完成后，進(jìn)行命令解析處理，判斷是否有自適應(yīng)或重傳控制命令，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整幀碼率以降低無線網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載，或者通過預(yù)存緩沖機(jī)制提取出丟失視頻數(shù)據(jù)，完成重傳數(shù)據(jù)傳輸。

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其3G 傳輸程序基本流程如圖4 所示。

圖4 3G 傳輸程序基本流程圖

3.4 GPS衛(wèi)星定位模塊

設(shè)計(jì)中使用GPS統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的NMEA（National Marine ElectronicsAssociation）協(xié)議完成通訊解析，其主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的解析處理，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器軟件上，以對(duì)本3G 無線移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)其位置信息、速度信息、方向信息、可用衛(wèi)星數(shù)及狀態(tài)信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示，從而在地圖上標(biāo)定出移動(dòng)平臺(tái)的地理坐標(biāo)、移動(dòng)軌跡及其狀態(tài)信息等。

3.5 設(shè)備監(jiān)測模塊

本部分主要完成系統(tǒng)控制命令解析及其響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)、鏡頭等設(shè)備的控制；各種報(bào)警事件的檢測與處理，如視頻丟失、視頻遮擋、移動(dòng)偵測報(bào)警等功能；系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測處理，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)或崩潰的自動(dòng)重啟、系統(tǒng)程序的自動(dòng)升級(jí)、系統(tǒng)程序的恢復(fù)出廠設(shè)置等功能；系統(tǒng)運(yùn)行權(quán)限及規(guī)則的檢測處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者的權(quán)限分級(jí)管理和操作規(guī)則的合法化。

4 結(jié)論

基于3G無線移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入內(nèi)部測試階段并且功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠很好的在3G 無線帶寬抖動(dòng)中進(jìn)行視頻監(jiān)控，為移動(dòng)視頻監(jiān)控應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，如移動(dòng)警車監(jiān)控系統(tǒng)等。本文提出一種基于TI DM6446 的3G 移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)和軟件模塊化詳細(xì)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)很好的解決了在視頻監(jiān)控前段OSD 字幕信息添加和無線帶寬抖動(dòng)的問題，從而使視頻監(jiān)控流暢穩(wěn)定。