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[導讀]1 引言  隨著寬帶和無線網(wǎng)絡(luò)的普及和進一步發(fā)展、人們對視頻通信、視頻播放等數(shù)字媒體服務(wù)的要求越來越多,而網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控就是在這樣的市場環(huán)境下應(yīng)運而生。該系統(tǒng)整合了FPGA數(shù)字視頻信號處理技術(shù)、CDMA網(wǎng)絡(luò)和Inte

1 引言

  隨著寬帶和無線網(wǎng)絡(luò)的普及和進一步發(fā)展、人們對視頻通信、視頻播放等數(shù)字媒體服務(wù)的要求越來越多,而網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控就是在這樣的市場環(huán)境下應(yīng)運而生。該系統(tǒng)整合了FPGA數(shù)字視頻信號處理技術(shù)、CDMA網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢,無論您身在何處、任何時間,都可以迅速接入系統(tǒng),隨時隨地的進行遠程監(jiān)控管理。 CDMA無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以和其他的有線/無線網(wǎng)絡(luò)多媒體視頻監(jiān)控系統(tǒng)兼容,便于用戶在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的使用。

2 系統(tǒng)整體構(gòu)成

  系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

  本文實現(xiàn)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要分為兩部分:第一部分,利用硬件描述語言實現(xiàn)視頻采集,視頻VGA顯示,視頻壓縮,視頻緩沖存儲。第二部分,在FPGA中嵌入NiosⅡ軟核,通過Nios Ⅱ軟核控制,將緩沖區(qū)的壓縮好的視頻數(shù)據(jù)通過CDMA無線模塊傳輸?shù)竭h端服務(wù)器。

系統(tǒng)整體框圖各部分功能如下:

  視頻采集部分;將攝像頭采集進來的模擬視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻數(shù)據(jù),并獲取相應(yīng)視頻控制信號。視頻格式轉(zhuǎn)換部分;將采集模塊輸出的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成需要的視頻格式。視頻緩存部分;將視頻數(shù)據(jù)暫存在FIFO中,然后由FIFO轉(zhuǎn)存在SDRAM中。CDMA模塊部分;將壓縮好的視頻數(shù)據(jù)通過CDMA傳輸?shù)竭h端服務(wù)器。VGA視頻顯示部分;將攝像頭采集進來的視頻通過VGA接口,在本地顯示器顯示。NiosⅡ控制部分;當監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異?,F(xiàn)象時,Nios Ⅱ控制系統(tǒng)控制視頻壓縮、視頻緩存和CDMA模塊三部分協(xié)調(diào)工作,將壓縮好的視頻數(shù)據(jù)由CDMA傳輸給遠端服務(wù)器。遠端服務(wù)器將CDMA傳送回來的圖像數(shù)據(jù)在上位機上解壓以圖片方式顯示,并記錄事件發(fā)生時間。

  用戶端將CDMA傳回的數(shù)據(jù)經(jīng)由提供的解碼記錄軟件,在PC機顯示,并記錄事件發(fā)生時間。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

  本系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下模塊:圖像采集模塊,圖像處理模塊,VGA顯示模塊,CDMA無線傳輸模塊,遠端服務(wù)器。

3.1 圖像采集模塊

  采集模塊是整個系統(tǒng)非常重要的前端,采集質(zhì)量的好壞將直接影響整個系統(tǒng)的識別效果,同時采集的速度也是整個系統(tǒng)設(shè)計速度的瓶頸所在。

  本設(shè)計中采用了ADV7181來完成視頻處理。ADV7181對視頻信號進行采樣解碼后,得到與CCIR656標準兼容的YCrCb 4:2:2格式的輸出編碼。要對YCrCb 4:2:2格式的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理。

  彩色CCD攝像頭采集到的模擬視頻信號,經(jīng)過ADV7181芯片的解碼得到數(shù)字視頻信號。ADV7181芯片通I2C總線控制,I2C控制模塊是由自定義外設(shè)實現(xiàn)的,SOPC提供的IP核只需對其參數(shù)進行配置便可加入到該系統(tǒng)中。圖像采集模塊如圖2所示。

圖2 圖像采集模塊

  2C20通過I2C來控制ADV7181B對視頻信號的采樣。ADV7181B芯片產(chǎn)生的數(shù)字視頻信號、控制信號和狀態(tài)信號送入控制芯片F(xiàn)PGA中,即把場同步信號VREF、行同步信號HREF、奇偶場標志信號RTS0、片選信號CE、垂直同步信號VS、象素時鐘信號LLC2以及數(shù)字視頻信號VPO等管腳連接到FPGA芯片,以獲知各種采集信息。

  由于攝像頭輸出模擬信號,需要經(jīng)過視頻A/D轉(zhuǎn)化后,把模擬視頻信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字視頻信號,輸入進FPGA芯片,F(xiàn)PGA根據(jù)狀態(tài)信號SRTS0把奇偶場圖像信號分別存儲在SDRAM(ODD)和SDRAM(EVEN)中。

3.2 圖像處理模塊

  由圖3可以清楚的看出圖像處理過程,攝像頭采集信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入ITU R656解碼器(Decoder),經(jīng)解碼后分出的Y、Cr、Cb三種基色信號數(shù)據(jù)線,這三種基色信號、控制信號和時鐘信號進入緩沖器(Buffer)后共同作用輸出Y[7:0]、Cr[7:0]、Cb[7:0]三種基色信號線給RGB模塊,通過對三種基色的混合調(diào)制便可得到彩色的圖像畫面。
圖像傳輸過程中需要對圖像信息進行壓縮。由于通常無損壓縮的壓縮比不高,所以在很多情況下,經(jīng)過無損壓縮后的數(shù)據(jù)量仍將超過實際應(yīng)用所能忍受的負荷。所以實現(xiàn)有較高壓縮比的高保真的有損圖像壓縮就很重要。

圖3 圖像處理模塊

  本算法的編碼器包括3個步驟:第1步是對原始圖像進行向量變換,第2步是動態(tài)位分配的向量量化VQ(Vector Quantization)編碼,第3步是進行一種熵編碼。相應(yīng)的解碼器也包括3個步驟:解碼器由編碼器的3個步驟的逆過程按逆序組成。圖4所示為算法編碼器和解碼器的框架圖。

圖4 編碼器和解碼器的框架

  圖像處理部分是整個系統(tǒng)的核心,需要對外圍的器件進行集中控制和處理。FPGA/CPLD對圖像信號的采集、控制、存儲數(shù)據(jù)到SRAM以及從SRAM讀取數(shù)據(jù)都在這里實現(xiàn)。選用CycloneII EP2C20F484C7芯片,利用Verilog HDL作為硬件描述語言,實現(xiàn)對各小模塊的連接控制。

3.3 VGA顯示模塊

  如圖5 VGA顯示模塊所示,從攝像頭過來的信號經(jīng)過視頻解碼后到視頻處理芯片,視頻處理芯片輸出三路的R、G、B數(shù)字信號到視頻DAC,然后輸出三路的模擬R、G、B信號到顯示屏顯示。.這其中,視頻DAC的速度直接決定了輸出圖像的分辨率和刷新率,而其精度則決定了輸出圖像的質(zhì)量。DAC的速度和分辨率的關(guān)系可以通過下面的關(guān)系式得到:

  時鐘頻率=點速率=(水平分辨率)×(垂直分辨率)×(刷新率)/(回掃系數(shù));
  水平分辨率=行的像素數(shù)目;
  垂直分辨率=幀的像素數(shù)目。

圖5 VGA顯示模塊

3.4 CDMA無線模塊

  CDMA(Code-Division Multiple Access)技術(shù)是近年來在數(shù)字移動通信進程中出現(xiàn)的一種先進的無線擴頻通信技術(shù),具有頻譜利用率高、話音質(zhì)量好、保密性強、掉話率低、電磁輻射小、容量大、覆蓋廣等特點。

1)數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)計

  模塊利用DE1的配置串口與CDMA模塊通信,當監(jiān)視到有人走過時,NiosⅡ系統(tǒng)發(fā)出拍照指令,通過攝像頭記錄下圖像,同時NiosⅡ系統(tǒng)通過UART串口向CDMA發(fā)送信息,CDMA模塊向設(shè)定的手機發(fā)送報警信息,并向上位機發(fā)送圖像信息。

  NiosⅡ與CDMA的通信是采用AT指令向CDMA模塊發(fā)送命令。當監(jiān)視發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象時, NiosⅡ系統(tǒng)接收到來自監(jiān)控模塊產(chǎn)生的異常信號,馬上進行拍照命令,同時向CDMA發(fā)送AT指令,并利用UART的中斷接收CDMA返回的信號,一旦確認CDMA模塊接收到AT指令將向CDMA發(fā)送下一條指令,如果NiosⅡ系統(tǒng)沒有收到CDMA模塊返回來的OK信號,系統(tǒng)將不斷的向CDMA發(fā)送AT指令直到CDMA響應(yīng)成功。其中NiosⅡ系統(tǒng)接收CDMA返回信號和向CDMA發(fā)送信號采用中斷方式。

2)CDMA響應(yīng)過程

  系統(tǒng)向CDMA模塊發(fā)送AT指令初始化CDMA模塊,然后調(diào)用建立PPP連接的函數(shù),先用AT指令A(yù)TD#777接通CDMA,然后初始化PPP連接,當PPP連接完成后設(shè)置好相應(yīng)的IP參數(shù)。

  然后初始化WAP相關(guān)參數(shù),建立WAP連接,調(diào)用信息發(fā)送函數(shù)將圖像信息發(fā)送到與上位機相連接的CDMA模塊中,完成數(shù)據(jù)的傳送后,斷開PPP連接。負責接收數(shù)據(jù)的CDMA模塊把數(shù)據(jù)通過串口傳送到上位機中。

3)TCP/IP協(xié)議

  TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議)是一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,它規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)上的所有通信設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕拘畔卧菙?shù)據(jù)包。當包經(jīng)由 TCP/IP 協(xié)議棧時,每一層上的協(xié)議都會在基本頭中添加或刪除字段。

3.5 遠程服務(wù)上位機設(shè)計

  該系統(tǒng)利用VB編寫程序,將CDMA接收回來的圖像數(shù)據(jù)以文本格式進行存儲,并將圖片在系統(tǒng)界面上顯示,同時記錄事件發(fā)生時間。遠端服務(wù)器監(jiān)控顯示效果如圖6所示。

圖6 遠端服務(wù)器顯示
 
  遠端服務(wù)器應(yīng)用程序流程圖如圖7所示:

 
圖7 遠端服務(wù)器應(yīng)用程序流程圖

3.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

  本系統(tǒng)使用了Altera公司的Quartus II、SOPC Builder、Nios II IDE等軟件進行FPFA內(nèi)硬件邏輯和嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)。該系統(tǒng)的軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)論

  本系統(tǒng)充分發(fā)揮了 SOPC的特點,采用FPGA和嵌入式軟核的思想來設(shè)計該系統(tǒng),用FPGA硬件來采集、分析數(shù)據(jù),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的并行處理;同時,本系統(tǒng)根據(jù)需求增加了UART模塊,使得Nios II核能快速的進行數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)在傳輸之前,通過一個硬件描述語言模塊來實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的壓縮。在保證視覺效果的前提下,通過一個簡易的壓縮算法,系統(tǒng)的整體性能得到了大大的提升。傳輸?shù)男侍岣吡艘槐丁ios II 中斷技術(shù)的使用,與查詢方式相比,中斷技術(shù)大大提高CPU使用的效率。

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