基于TMS320DM642的紅外監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：紅外監(jiān)控系統(tǒng)以其不受可視環(huán)境影響、24 h不間斷工作等諸多優(yōu)勢(shì)逐漸成為安防監(jiān)控領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。在此設(shè)計(jì)的嵌入式處理平臺(tái)以TMS320DM642為核心，紅外視頻源采用FLIR熱成像儀，紅外圖像經(jīng)TVP5150解碼芯片處理后進(jìn)行H．264編碼壓縮，數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸至客戶(hù)端PC機(jī)，基于Visual C++平臺(tái)開(kāi)發(fā)的客戶(hù)端解碼器進(jìn)行解碼及圖像增強(qiáng)后實(shí)時(shí)還原紅外圖像，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、圖像還原質(zhì)量高，以太網(wǎng)的平均傳輸率為0．087 MB／s，圖像壓縮率約為7：1，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：紅外熱成像；TMS320DM642；H．264；Visual C++

    紅外技術(shù)自誕生以來(lái)，紅外探測(cè)器作為一種在常溫下即可將任何物體發(fā)出的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的熱輻射轉(zhuǎn)換器，以其被動(dòng)探測(cè)隱蔽性強(qiáng)、體積小巧易攜帶等諸多優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于紅外偵查與跟蹤、雷達(dá)制導(dǎo)、電力監(jiān)測(cè)、安防監(jiān)控、醫(yī)療診斷等軍事及民用領(lǐng)域。紅外監(jiān)控技術(shù)集紅外熱成像技術(shù)與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)勢(shì)于一體，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足，是未來(lái)安防監(jiān)控領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。本文在客戶(hù)端／服務(wù)器的系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上提出了以TMS320DM642為核心的紅外監(jiān)控系統(tǒng)，前端采用FLIR公司的紅外熱成像儀，紅外圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)H．264技術(shù)壓縮后通過(guò)以太網(wǎng)傳輸至客戶(hù)端PC機(jī)，利用由Visual C++平臺(tái)開(kāi)發(fā)的客戶(hù)端解碼器解壓縮后還原紅外圖像并顯示。整套紅外監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，圖像壓縮比率高，網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率低，圖像還原質(zhì)量較好，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架
    紅外監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是基于DSP實(shí)現(xiàn)紅外視頻數(shù)據(jù)從前端光源紅外探測(cè)器到上位機(jī)PC端的實(shí)時(shí)顯示，主要由前端視頻源、DSP服務(wù)器及PC客戶(hù)端構(gòu)成，如圖1所示。系統(tǒng)前端紅外圖像采集設(shè)備采用FHR公司的紅外熱成像儀，能夠提供320×240像素的紅外圖像，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DSP端采集模塊、存儲(chǔ)模塊、壓縮模塊及網(wǎng)絡(luò)模塊的處理后，H．264數(shù)據(jù)流在以太網(wǎng)的另一端PC上位機(jī)端經(jīng)過(guò)解碼后，紅外圖像數(shù)據(jù)保存或顯示于客戶(hù)端。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 視頻采集模塊
    DM642無(wú)法處理紅外熱像儀輸出的PAL模擬信號(hào)，所以本系統(tǒng)首先采用視頻解碼芯片TVP5150解碼紅外視頻數(shù)據(jù)。TVP5150是TI公司生產(chǎn)的超低功耗(115 mw)、可編程高性能視頻解碼器。本設(shè)計(jì)中TVP5150接收熱像儀輸出的紅外圖像PAL信號(hào)，輸出8位4：2：2格式的的ITU-R BT．656視頻解碼信號(hào)，芯片與DM642的硬件連接如圖2所示。
    視頻采集模塊的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)遵循TI公司針對(duì)DSP驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)定義的基于DSP／BIOS雙層外設(shè)驅(qū)動(dòng)模型，該模型從功能上分為與硬件無(wú)關(guān)的類(lèi)驅(qū)動(dòng)和硬件相關(guān)的微驅(qū)動(dòng)，類(lèi)驅(qū)動(dòng)(Class Driver)負(fù)責(zé)互連頂層應(yīng)用程序和微驅(qū)動(dòng)。而微驅(qū)動(dòng)(Mini Driver)與具體應(yīng)用到的外設(shè)相關(guān)，針對(duì)TVP5150芯片只需要簡(jiǎn)單修改EDC(ExtemalDevice Contml)函數(shù)即可控制視頻解碼芯片的打開(kāi)、關(guān)閉以及控制。如調(diào)用mdBindDev函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)通道進(jìn)行綁定；調(diào)用mdCreateChan函數(shù)完成通信對(duì)象的創(chuàng)建；調(diào)用mdDelvteChan函數(shù)刪除通信對(duì)象并釋放相關(guān)資源；調(diào)用mdControlChan函數(shù)向TVP5150發(fā)送控制命令等。
2．2 存儲(chǔ)模塊
    系統(tǒng)采用兩片共4Mx64 b的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SDRAM存放視頻數(shù)據(jù)，一片4Mx8 b的FLASH存儲(chǔ)程序。紅外圖像的壓縮等處理均是在SDRAM內(nèi)部完成的，F(xiàn)LASH芯片接收并存儲(chǔ)通過(guò)仿真器JTAG接口下載到開(kāi)發(fā)板的DSP程序，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)加載程序并運(yùn)行。
    (1)FLASH。本系統(tǒng)采用4Mx8b的Am29LV033C，DM642通過(guò)分別控制FLASH的片選信號(hào)、讀使能和寫(xiě)使能，其與DM642的連接如圖3所示。

    (2)SDRAM。由于在整個(gè)圖象處理過(guò)程中需要緩存大量的圖像數(shù)據(jù)，而DM642芯片內(nèi)部只集成了256 KB的SRAM，顯然不能滿(mǎn)足需求，TM320 DM642外掛兩片SDRAM來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)空間，保證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，圖像的緩存功能。SDRAM采用2M 64 b存儲(chǔ)空間的HY57V643220，并與EMIF的CE0接口相接，如圖4所示。
2．3 壓縮模塊
    系統(tǒng)的視頻壓縮模塊采用H．264技術(shù)對(duì)紅外圖像進(jìn)行編碼，加入了多模式宏塊劃分、高精度運(yùn)動(dòng)估計(jì)、整數(shù)變換與量化等諸多技術(shù)亮點(diǎn)。設(shè)計(jì)采用調(diào)用H．264視頻編碼庫(kù)h264enc．lib對(duì)紅外圖像進(jìn)行處理，視頻壓縮流程如圖5所示。

2．4 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊
    TMS320DM642的網(wǎng)絡(luò)通信接口由EMAC(Ethemet Media Access Controller)控制模塊、EMAC模塊與MDIO(Managemem Data Input／Output)模塊3部分組成的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用Broadcom公司的BCM5221作為10／100Base-TX以太網(wǎng)收發(fā)器，與DM642連接如圖6所示。

3 客戶(hù)端解碼器的設(shè)計(jì)
    在上位機(jī)PC端的紅外視頻圖像解碼器是基于Windows環(huán)境下VC 6．0的基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)MFC(Microsoft Foundation Classes)設(shè)計(jì)的，主要負(fù)責(zé)接收DSP網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送來(lái)的紅外圖像數(shù)據(jù)碼流，對(duì)碼流進(jìn)行解碼并正確顯示。解碼器的界面如圖7所示。
    客戶(hù)端解碼器可在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置區(qū)域配置服務(wù)器端IP地址、子網(wǎng)掩碼及默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等信息以便進(jìn)行通信，并配置相應(yīng)碼率；客戶(hù)端還集成了圖像處理與錄像的功能，圖像增強(qiáng)采用直方圖均衡方式對(duì)紅外圖像進(jìn)行處理，錄像時(shí)保存文件為*．264格式數(shù)據(jù)，方便對(duì)關(guān)鍵視頻信息保存及回放。

4 系統(tǒng)測(cè)試及評(píng)價(jià)
    紅外監(jiān)控系統(tǒng)的成像效果主要取決于紅外熱成像儀、壓縮傳輸?shù)那度胧狡脚_(tái)以及圖像的接收與顯示終端三部分，其中壓縮與傳輸?shù)那度胧紻SP平臺(tái)H．264壓縮比率以及網(wǎng)絡(luò)傳輸速率成為本系統(tǒng)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。系統(tǒng)正常工作情況下測(cè)試了30s，60s和90s三組時(shí)間下服務(wù)器與客戶(hù)端的之間紅外視頻數(shù)據(jù)的平均傳輸速率，如表1所示。

    紅外監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器與客戶(hù)端的以太網(wǎng)平均傳輸速率為0．087 MB／s，又由熱像儀輸出紅外圖像分辨率為320x240，每秒鐘原始圖像數(shù)據(jù)量約為0．608 MB／s，估算系統(tǒng)壓縮率約為7：1。系統(tǒng)正常工作時(shí)客戶(hù)端成像效果如圖8所示。

5 結(jié)語(yǔ)
    作為紅外技術(shù)領(lǐng)域的重要應(yīng)用，紅外監(jiān)控系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了以TMS320DM642為核心的嵌入式紅外視頻采集壓縮傳輸平臺(tái)，并且開(kāi)發(fā)了配套解碼與顯示客戶(hù)端軟件，使得無(wú)論在視頻處理芯片TMS320DM642還是在H．264視頻編解碼算法都體現(xiàn)了遠(yuǎn)程紅外視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)亮點(diǎn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、圖像還原質(zhì)量較高、占用帶寬低，以太網(wǎng)的平均傳輸率為0．087 MB／s，圖像壓縮率約為7：1，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。