基于DM642的網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為滿足現(xiàn)代實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用的需求，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于TI公司多媒體DSP芯片TMS320DM642的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)，給出了網(wǎng)絡(luò)視頻節(jié)點(diǎn)的硬件及軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。結(jié)果證明，該系統(tǒng)能對視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮編碼，并在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間傳輸，且傳輸速率穩(wěn)定，圖像質(zhì)量可調(diào)，能滿足現(xiàn)代各種實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的要求。
關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)視頻；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；DM642；圖像壓縮；動態(tài)JPEG

    網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)是隨著視頻圖像、語音等多媒體信息數(shù)字處理技術(shù)與數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的。網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)將傳統(tǒng)攝像機(jī)和PC的功能整合到了一起，不僅將能模擬視頻信號數(shù)字化并壓縮，還帶有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，在網(wǎng)絡(luò)上擁有一個(gè)IP地址。視頻經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，并可在裝有視頻管理軟件的標(biāo)準(zhǔn)PC上顯示和存儲。網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)可選擇高分辨率攝像機(jī)(數(shù)百萬像素)，具有穩(wěn)定的圖像質(zhì)量和傳輸速率，現(xiàn)在已在各種嵌入式視頻會議系統(tǒng)，可視電話及各種分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。文中實(shí)現(xiàn)了一種基于TI公司推出的一款針對多媒體處理領(lǐng)域應(yīng)用的DSP，TMS320DM642的網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 網(wǎng)絡(luò)視頻節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)視頻節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由CCD攝像頭輸入的視頻信號首先通過視頻編碼器SAA7115H進(jìn)行數(shù)字化處理，所得數(shù)字視頻信號經(jīng)過視頻端口(VP0)的內(nèi)部FIFO緩沖后，由DM642通過EDMA將數(shù)據(jù)傳送到片外SDRAM中，以便供視頻應(yīng)用程序使用。視頻應(yīng)用程序?qū)D像進(jìn)行相應(yīng)處理(如增強(qiáng)、編碼)之后由以太網(wǎng)控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)。

    系統(tǒng)核心TMS320DM642是個(gè)強(qiáng)大的多媒體處理器，也是構(gòu)成多媒體通信系統(tǒng)的良好平臺。為了滿足視頻和圖像處理的需要，它采用了Velo ciTI體系結(jié)構(gòu)，主頻600 MHz，8個(gè)并行運(yùn)算單元，處理能力達(dá)4 800 MIPS，L1PCache和L1DCache分別為16 kB，工作在CPU全速訪問狀態(tài)，二級緩存256 kB。DM642采用高級超長指令字結(jié)構(gòu)和硬件流水機(jī)制，使其在一個(gè)指令周期能夠并行處理多條指令，從而加速了處理速度。這使得構(gòu)建小型實(shí)時(shí)化的視頻實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)成為可能。DM642外設(shè)中有3個(gè)可配置的視頻接口，可以和視頻輸入、輸出或傳輸流無縫連接；同時(shí)還帶有10／100 Mbs自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，提供DSP核與網(wǎng)絡(luò)之間的高效連接；豐富的外圍接口使其近乎是一個(gè)多媒體嵌入式系統(tǒng)的單芯片硬件平臺。DM642的完全可編程性，又可以使其能夠兼容正在發(fā)展的各種多媒體信號處理標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成通用的軟件平臺，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2 網(wǎng)絡(luò)視頻節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
2．1 整體流程
    TI公司的DSP開發(fā)軟件包括集成開發(fā)環(huán)境(CCS)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(DSP／BIOS)、第三方算法庫標(biāo)準(zhǔn)(eXpressDSP)。本系統(tǒng)中調(diào)用TI提供的JPEG算法庫。

    如圖2所示，整體流程可分為3個(gè)模塊：圖像的輸入任務(wù)、處理任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)。輸入任務(wù)獲得獲取攝像頭捕獲的模擬視頻信號，并經(jīng)過兩次采樣后，將得到的數(shù)字圖像幀數(shù)據(jù)通過同步通訊(Synchronized COMmunication，SCOM)由輸入任務(wù)進(jìn)入到處理模塊。處理模塊完成圖像幀的壓縮編碼。編碼結(jié)束以后，會產(chǎn)生JPEG格式的圖像文件。該壓縮圖像由SCOM傳遞到最后一個(gè)模塊一網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。網(wǎng)絡(luò)任務(wù)生成一個(gè)該JPEG圖像的HTML文件，傳輸?shù)浇K端計(jì)算機(jī)后，可在計(jì)算機(jī)的網(wǎng)頁瀏覽器上觀看到圖像。圖像幀在幾個(gè)任務(wù)模塊之間的傳遞都是通過指針實(shí)現(xiàn)的。
2．2 圖像的獲取及視頻端口驅(qū)動
    本系統(tǒng)中，原始圖像幀是由攝像機(jī)獲取的，編碼后進(jìn)入DM642的視頻端口(VP)。對于DM642的VP口，TI提供了一個(gè)兩層設(shè)備驅(qū)動模型：類／微驅(qū)動模型(Class／Mini Driver)，其中Class Driver(上層驅(qū)動)用于連接應(yīng)用程序和下層驅(qū)動，Mini Driver(下層驅(qū)動)靠近底層硬件。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用程序可以復(fù)用絕大部分相似設(shè)備的驅(qū)動程序，從而提高驅(qū)動程序的開發(fā)效率。根據(jù)VP口的特點(diǎn)，Class Driver又可分為FVIDCl ass Driver和GIO Class Driver，F(xiàn)VID Class Driver更接近應(yīng)用程序，提供一些特別適用于圖像的API函數(shù)，而GIO ClassDriver則提供與Mini Driver進(jìn)行通信的API函數(shù)。在視頻采集過程中，使用硬件中斷對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行控制和傳輸，在中斷服務(wù)程序中，根據(jù)視頻端口內(nèi)部FIFO的狀態(tài)通過EDMA完成視頻數(shù)據(jù)的讀入。
    系統(tǒng)用于編碼支持的視頻標(biāo)準(zhǔn)有PAL、NTSC和SECAM制式。PHILIPS的圖像解碼芯片SAA7115支持6路復(fù)合模擬視頻或3路S端子信號輸入，支持多種格式的數(shù)字RGB和YUV視頻信號輸出。輸入的模擬視頻信號經(jīng)過SAA7115H采樣后轉(zhuǎn)化為YUV 4：2：2格式的數(shù)字視頻，分辨率為720x480(可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，DM642通過I2C總線對SAA7115H進(jìn)行參數(shù)設(shè)定)。這是第一次采樣過程。為了方便調(diào)用TI提供的JPEG算法庫，還要對圖像信號進(jìn)行二次采樣，將其轉(zhuǎn)換為YUV 4：2：0格式。轉(zhuǎn)換完成以后，將指向所得圖像在內(nèi)存區(qū)位置的指針通過SCOM消息傳遞給下一個(gè)任務(wù)，即編碼。
2．3 圖像的壓縮編碼
    原始圖像的數(shù)據(jù)量非常大，而網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸捰邢?，為了提高圖像的傳輸速率，有必要對原始圖像進(jìn)行壓縮編碼處理。這一模塊就是要將YUV 4：2：0格式的圖像壓縮成JPEG格式的圖像。JPEG是一種被大量應(yīng)用程序支持且非常流行的靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以直接通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)頁瀏覽器解壓并查看JPEG格式的圖像。在NTSC模式下(每秒30幀圖像)，把每一秒中連續(xù)的圖像看作是獨(dú)立的30幀靜態(tài)圖，作為動態(tài)JPEG(MJPEG)來進(jìn)行編碼。用戶可自定義JPEG壓縮的壓縮級別，這將決定圖像的壓縮程度，并會直接決定所產(chǎn)生圖像的質(zhì)量。JPEG編碼流程如圖3所示。

    Data reformat：將原始掃描圖像分割成一系列8x8大小的圖像塊，同時(shí)這個(gè)步驟還將象素的灰度進(jìn)行平移，動態(tài)范圍由(0～255)轉(zhuǎn)化為(-127～128)，以消除信號偏移量的影響。
    DCT：對上一步得到的每個(gè)8x8圖像塊進(jìn)行2D離散余弦變換，并輸出其頻譜。由于DCT是一種可分離變化，因此可把它作為兩次8點(diǎn)1D離散余弦變換來實(shí)現(xiàn)。
    DC encode：對離散余弦變換后得到的直流分量(DC)系數(shù)進(jìn)行量化和Huffman編碼(變長編碼)。
Quantization and RLE：對非零交流分量(AC)系數(shù)進(jìn)行量化，并對其進(jìn)行行程長度編碼。
    AC VLC：對上一步的輸出結(jié)果再進(jìn)行變長編碼，并且構(gòu)造圖像的熵編碼塊。
    Byte stuff：在JPEG標(biāo)準(zhǔn)中，一個(gè)或多個(gè)控制碼以后面的0xFF來標(biāo)記。在字節(jié)0xFF后面加上0x00則表示該0xFF是數(shù)據(jù)的一部分而非控制字。Byte stuff給熵編碼塊里的所有OxFF的后面插入0x00。
    編碼過程中包含了一系列的數(shù)據(jù)處理和傳輸操作。在對圖像進(jìn)行JPEG編碼時(shí)，調(diào)用編碼控制函數(shù)jpgenc_ti()，這個(gè)函數(shù)包含了編碼所需要的全部功能函數(shù)，聲明如下：
   
    編碼過程結(jié)束以后，通過SCOM消息通過指針將JPEG文件傳遞到下一個(gè)模塊，即網(wǎng)絡(luò)傳輸。
2．4 網(wǎng)絡(luò)傳輸
    對于以太網(wǎng)口，TI提供了DSP上網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)平臺(NDK)，它的核心是一系列TCP／IP協(xié)議棧庫。在此平臺上，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序時(shí)就不需要過多考慮TCP／IP協(xié)議內(nèi)部的工作機(jī)制，使得開發(fā)過程大大簡化。
    網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是通過網(wǎng)絡(luò)初始化來啟動的。初始化程序可參照TI提供的TMS320C6000TCP／IP網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具包。網(wǎng)絡(luò)任務(wù)一旦初始化成功以后，會創(chuàng)建發(fā)送(TX)任務(wù)，并開始等待由上一級模塊傳遞過來的SCOM消息。得到傳遞過來的JPEG圖像以后，任務(wù)執(zhí)行后產(chǎn)生一個(gè)基于RAM的IMAGEn．jpg文件，該文件可以被HTTP服務(wù)器所識別，n的值是由圖像捕獲的通道來確定的。完成這些工作以后，發(fā)送一個(gè)SCOM消息到上一級任務(wù)，表示已準(zhǔn)備好接收下一幅JPEG圖像。下一步則進(jìn)行協(xié)議棧的初始化，包括IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)的設(shè)定。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接有效時(shí)，TX任務(wù)將JPEG文件發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
    DM642支持Telnet、HTTP、Data server等服務(wù)。本設(shè)計(jì)中使用HTTP服務(wù)，并且在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行配置。如果要連接Internet，則必須設(shè)置DHCP，動態(tài)分配IP地址。在局域網(wǎng)內(nèi)調(diào)試網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)，設(shè)定本系統(tǒng)IP為192．168．1．2，其他設(shè)置如下：
   

3 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用
    用網(wǎng)線連接系統(tǒng)和PC，設(shè)置PC的IP地址為192．168．1．1。啟動Internet Explorer，在地址欄輸入192．168．1．2后，網(wǎng)頁里顯示從攝像頭里攝取的圖像，并以30幀／秒的速率更新，起到實(shí)時(shí)傳輸?shù)男Ч鐖D4所示。

    可以在HTML網(wǎng)頁上對JPEG壓縮性能的控制。在網(wǎng)頁中輸入用戶自定義參數(shù)，通過DSP／BIOS中的郵箱機(jī)制傳遞給處理任務(wù)模塊來修改JPEG的壓縮參數(shù)，改變壓縮質(zhì)量，如圖5所示。

    圖像質(zhì)量與用戶設(shè)定的JPEG壓縮參數(shù)Q有關(guān)，Q越大圖像越清晰，如圖6所示。

4 結(jié)束語
    文中實(shí)現(xiàn)了一種基于DM642平臺的網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)。可以預(yù)見，隨著數(shù)字信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)將得到越來越廣泛得應(yīng)用。未來的應(yīng)用必然要求網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足以下幾個(gè)條件：遠(yuǎn)程訪問能力，高度的靈活性和可擴(kuò)展性，經(jīng)濟(jì)實(shí)用以及分布式智能。文中提出的基于DSP的網(wǎng)紹視頻系統(tǒng)，在現(xiàn)有的帶寬條件下能夠流暢、清晰、穩(wěn)定地傳輸圖像，如果在DSP視頻應(yīng)用程序中加入相應(yīng)的功能，如監(jiān)控中的動態(tài)目標(biāo)檢測等，就可實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，具有廣泛的應(yīng)用前景。