基于DSP TMS320VC5402芯片實現(xiàn)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

作者：李小貝，陳東進，沈小豐

1 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡介

視頻監(jiān)控近年來得到了迅速的發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷地擴展。以往國內(nèi)使用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是模擬系統(tǒng)，到了20世紀90年代末，隨著網(wǎng)絡(luò)寬帶、計算機處理能力和存儲容量的迅速提高，以及各種實用視頻信息處理技術(shù)的出現(xiàn)，視頻監(jiān)控從模擬視頻監(jiān)控進入了數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)時代，即數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)將攝像機獲得的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，便于計算機處理，或者由數(shù)字攝像機直接輸出數(shù)字視頻信號。在計算機顯示器上顯示或者在監(jiān)視器上顯示多路實時活動圖像的同時，還可以將各路信號分別存儲于計算機的硬盤內(nèi)，或者在網(wǎng)絡(luò)上進行傳輸。

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機或嵌入式系統(tǒng)為中心，視頻處理技術(shù)為基礎(chǔ)，利用圖像數(shù)據(jù) 壓縮的國際標準（JPEG、MPEG1或MPEG4），綜合利用圖像傳感器、計算機網(wǎng)絡(luò)、自動控制和人工智能等技術(shù)的一種新型監(jiān)控系統(tǒng)。

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)除了具有傳統(tǒng)閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的所有功能外，還具有遠程視頻傳輸與回放、

自動異常檢測與報警、結(jié)構(gòu)化的視頻數(shù)據(jù)存儲等功能。

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)輸入模擬視頻信號，數(shù)字化后進行圖像壓縮，然后進行存儲、傳輸及相關(guān)控制。他主要包括3個部分：

數(shù)字視頻錄像（Digital Video Recorder，DVR）將視頻圖像采集并保存在硬盤里面，這種設(shè)備稱為數(shù)字視頻錄像機，或硬盤錄像機。

數(shù)字視頻服務(wù)器（Digital Video Recorder，DVS）將圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h方的其他計算機終端。

數(shù)字視頻控制（Digital Video Control，DVC）數(shù)字視頻控制系統(tǒng)將控制指令送往受控設(shè)備，如控制云臺的上下左右、攝像機的聚焦、遠近和變焦等。

與數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的主要技術(shù)：視頻數(shù)據(jù)的壓縮、視頻的分析與理解、視頻流的傳 輸與質(zhì)量控制。

2 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的DVR技術(shù)

目前大多數(shù)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是通過圖像采集卡將模擬攝像機傳輸過來的模擬視頻圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻圖像的，因此數(shù)字視頻采集卡是數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。但是大多數(shù)的數(shù)字視頻采集卡都是基于PC機技術(shù)的，這樣就限制了視頻采集的局限性和移動性。隨著DSP技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，可以用性價比高的DSP芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PC機，來控制整個DV R的工作和完成圖像探測功能。整套DVR系統(tǒng)的組成如圖1所示。

2.1 DVR系統(tǒng)控制

該系統(tǒng)中采用了TI公司推出的高性能數(shù)字信號處理器TMS320VC5402。其采用程序空間與數(shù)據(jù)空間完全獨立的哈佛總線結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行采用流水線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有一到多個處理內(nèi)核，帶有片上硬件乘法器，其指令執(zhí)行速度最快為幾十納秒，處理能力為100 MIPS。這些為DSP在高速大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中提供了廣闊的應(yīng)用空間。片內(nèi)共有8條總線（4條程序存儲器總線、1條數(shù)據(jù)存儲器總線和3條地址總線）、片上存儲器和片上外圍電路等硬件，有高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，具有功耗低、高度并行等優(yōu)點。系統(tǒng)設(shè)計中在DSP的外部擴展了64 k*16 b的程序存儲器和256 k*16 b的數(shù)據(jù)存儲器，DSP的運行程序由4 Mb的FLAS H ROM來加載程序。整套DVR系統(tǒng)的工作過程由DSP來控制完成，其流程圖如圖2所示。

2.2 視頻采集技術(shù)

可編程視頻解碼芯片采用SAA7113；該芯片是可編程視頻處理芯片，采用CMOS工藝。通過簡單的I2C總線可以對其實現(xiàn)編程控制；內(nèi)部包含兩路模擬處理通道，能實現(xiàn)視頻源的選擇、抗混疊（去假頻）濾波、模／數(shù)變換、自動增益控制、時鐘產(chǎn)生、多制式解碼及亮度、對比度和飽和度控制。他將不同制式的模擬信號統(tǒng)一成為相同的數(shù)字標準，采用ITUR B T601格式，采樣時對亮度信號和兩個色差信號分別編碼，對不同制式信號采用單一的取樣頻率，而且和任何模擬系統(tǒng)的彩色副載波頻率無關(guān)，因此在分量系統(tǒng)中不再包含任何副載波。取樣頻率定為13.5 MHz，他也是對亮度信號Y的取樣頻率，由于色度信號的帶寬遠比亮度信號的帶寬窄，因而對色度信號U和V的取樣率較Y減半，為6.75 MHz。每個數(shù)字有效行分別有720個亮度取樣點和360*2個色差信號取樣點。對每個分量的取樣點進行均勻量化，對每個取樣進行8 b的PCM編碼。

由于DSP沒有I2C總線接口，本系統(tǒng)采用CPLD輔助DSP模擬I2C總線的控制方式，在CPLD內(nèi)部I2C的控制功能用Verilog語言編寫，其主要代碼如下：

在本系統(tǒng)中通過在CPLD內(nèi)部設(shè)置I2C總線的地址和寄存器的方法來完成DSP用數(shù)據(jù)模擬I2 C總線的任務(wù)，使用起來十分方便。

2.3 JPEG壓縮技術(shù)

在實際應(yīng)用中，采用ZORAN公司的單片JPEG壓縮/解壓縮芯片ZR36060，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

ZR36060的特點如下：

（1）單片結(jié)構(gòu)，片上集成了JPEG壓縮/解壓縮所需全部模塊。

（2）運動JPEG壓縮/解壓縮功能，能夠處理高達25 幀/s的方象素及CCIR PAL或30 幀/s的方象素及CCIR NTSC實時視頻信號。

（3）多種模式數(shù)據(jù)率控制，可以很方便地改變壓縮比。

（4）視頻數(shù)據(jù)輸入端口支持多種視頻解碼器（A/D變換器），如Philips，Brooktree，Samsung等。

（5）視頻總線寬度可以是8 b或16 b。

（6）同步發(fā)生器可工作于主或從模式。

（7）控制端口支持標準微處理器操作。

（8）提供多種片上視頻處理：視頻混合（mix）、尺度變換（scale）、剪切（crop）及背景色輸出等。

（9）壓縮數(shù)據(jù)可以主方式從壓縮數(shù)據(jù)端口或以從方式從控制端口輸出，兩種方式都有握手功能以便進行數(shù)據(jù)流控制。

ZR36060其數(shù)據(jù)端口有3個：

控制端口用來完成對ZR36060的初始化，當芯片工作于數(shù)據(jù)從方式時，還用于輸出或輸入壓縮數(shù)據(jù)。視頻端口壓縮時輸入原始視頻數(shù)據(jù)，解壓縮時輸出解壓后的視頻數(shù)據(jù)，除數(shù)據(jù)線外還有行場同步、時鐘等必要信號線，同步可工作于主方式或從方式，可直接與視頻解碼器或幀存儲器接口完成實時的運動JPEG處理。

壓縮數(shù)據(jù)端口用于數(shù)據(jù)主方式時輸出或輸入壓縮數(shù)據(jù)。

壓縮數(shù)據(jù)流壓縮時數(shù)字Y，C信號由Y，C總線進入ZR36060，經(jīng)視頻接口進入條存儲器（St rip Memory）緩存，之后進入JPEG處理機進行壓縮，壓縮后的JPEG數(shù)據(jù)進入一個長度為512的先入先出寄存器（FIFO）緩存，再經(jīng)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)主方式）或控制端口（數(shù)據(jù)從方式）輸出。

在數(shù)據(jù)主方式下，ZR36060輸出CCS信號指示數(shù)據(jù)有效，并輸出CWR信號作為數(shù)據(jù)選通，外部設(shè)備若來不及接收數(shù)據(jù)可向ZR36060的BUSY引腳發(fā)BUSY請求，ZR36060停止向外輸出數(shù)據(jù)，暫時將數(shù)據(jù)壓入FIFO，若FIFO溢出，則JPEG處理機停止壓縮，視頻數(shù)據(jù)暫時壓入條存儲器。當外設(shè)撤消BUSY請求后，ZR36060繼續(xù)壓縮、輸出數(shù)據(jù)，如果外設(shè)速度太慢導致條存儲器也溢出，則ZR36060將給出錯誤指示并在中斷允許的情況下發(fā)出中斷請求。在數(shù)據(jù)從方式下，由外設(shè)向ZR36060讀數(shù)據(jù)，BUSY引腳改由ZR36060驅(qū)動輸出，若ZR36060內(nèi)部FIFO無數(shù)據(jù)可讀，B U SY將變?yōu)橛行б酝ㄖ庠O(shè)，此時外設(shè)應(yīng)等待BUSY變?yōu)闊o效。若外設(shè)讀數(shù)據(jù)速度太慢也將導致出錯，數(shù)據(jù)壓滿FIFO和條存儲器，其過程與主方式相同。由于采用FIFO和條存儲器，瞬時速度很高的JPEG數(shù)據(jù)得以緩存，外設(shè)可以平均速率訪問ZR36060，可降低對外設(shè)的要求。

2.4 硬盤接口技術(shù)

IDE接口的硬盤驅(qū)動器提供了2種數(shù)據(jù)傳輸模式：PIO模式和DMA模式。由于PIO模式控制相對容易，提供了一種編程控制輸入/輸出的快速傳輸方法。該模式采用高速的數(shù)據(jù)塊I/O，以扇區(qū)為單位，用中斷請求方式與CPU進行批量數(shù)據(jù)交換。在扇區(qū)讀寫操作時，一次按16 b長度通過內(nèi)部的高速PIO數(shù)據(jù)寄存器傳輸。通常情況下，數(shù)據(jù)傳輸以扇區(qū)為單位，每傳輸一扇區(qū)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個中斷。由于本系統(tǒng)圖像壓縮數(shù)據(jù)的最大速率只有20 kb/s，采用PIO寫盤速度可以達到192 kb/s，完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。

2.5 視頻編碼技術(shù)

視頻編碼器選用Philips公司的SAA7121，在DSP的控制下將JPEG解壓縮后的數(shù)字YUV視頻數(shù)據(jù)編碼為PAL模擬視頻信號輸出。SAA7121也是由I2C總線來控制，其控制方法同SAA7113。

3 本系統(tǒng)的實際工作性能

（1）輸入信號格式：標準視頻信號，PAL制或NTSC制。

（2）畫面大?。?52*248（也可是352*288）。

（3）每秒錄制或播放25幀，每幀2場，共50場，隔行掃描。

（4）每場圖片壓縮后大小平均為10 kB，0.5 MB/s，1.8 GB/h，可根據(jù)需 要配接10“80 G的硬盤，實現(xiàn)5”40 h的連續(xù)錄像。

（5）對于用于監(jiān)控場合時，可以每秒錄制25幀25場，回放時每秒25幀50場，這樣可以節(jié)約一倍的硬盤空間，把碼率降為0.25 MB/s，也就是2 MB/s。用80 G硬盤能錄80多個小時。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)用MJPEG的壓縮方法雖然碼率比較大，但效果確實很好，實測時錄制了一段電視節(jié)目，觀看的主觀感受比基于MPEG 1的VCD要清晰，毫無色塊現(xiàn)象，和原信號基本沒有差別。另外本系統(tǒng)能夠脫離PC機獨立運行，同時由于采用DSP控制整個系統(tǒng)，其成本比使用ARM控制的監(jiān)控系統(tǒng)要低，有較大的經(jīng)濟價值，特別是應(yīng)用在車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)中有很大的發(fā)展空間。

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