基于DSP的嵌入式視頻監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言
    隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們的安防意識不斷增強，視頻檢測系統(tǒng)越來越廣泛地被應(yīng)用于各行各業(yè)。如今，許多商場、銀行和智能小區(qū)中都安裝了紅外探頭或基于PC機的視頻監(jiān)測系統(tǒng)，由于其價格高昂，可靠性不高，傳輸距離短、需要有人值守等。針對這種情況，尋求一種方法來改進這一狀況，具有很大的實際意義。
    近幾年，隨著DSP及嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，采用DSP嵌入式系統(tǒng)的視頻設(shè)備已在各領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。本文利用ADSP Blackfin533(BF533)為核心處理器，設(shè)計了視頻檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了視頻圖像的采集、處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸，該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、性能高、可便攜等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計
    系統(tǒng)工作原理：由圖像傳感器采集到的圖像信號以YUV(4：2：2)的格式輸出，通過BF533的PPI接口以DMA方式存入SDRAM。當(dāng)采集完一幀數(shù)據(jù)后，BF533從SDRAM中讀入數(shù)據(jù)進行位圖數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，將位圖圖像數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接口傳輸?shù)竭h程PC機上，然后系統(tǒng)繼續(xù)采集下一幀圖像。
1．1 處理器
    Blackfin處理器是ADI公司與Intel公司2003年4月聯(lián)合開發(fā)的體現(xiàn)高性能體系結(jié)構(gòu)的首款第四代DSP產(chǎn)品，主要面向嵌入式音頻、視頻和通信等領(lǐng)域。ADSP-BF533是目前Blackfin系列數(shù)字信號處理器中性能較高的一款，具有600MHz的主頻、雙16位的MAC(乘加器)和兩個40位的ALU(算術(shù)邏輯單元)、四個8位的視頻處理單元、八個算術(shù)寄存器、10個地址尋址單元，并且集成了大量的外圍設(shè)備和存儲器接口，每秒運算速度最高達到1200MMAC(兆次乘法加法運算)，并且ADSP-BF533在達到600MHz性能水平時的功耗僅為280mW，能耗很小。在圖像處理上的優(yōu)點更為突出，可針對圖像特點運用二維DMA傳輸數(shù)據(jù)，大大加快和方便圖像數(shù)據(jù)的傳送和處理。ADSP-BF533系列DSP具有接口豐富，性能優(yōu)良，更具有視頻處理接口及獨立的視頻指令，特別適用于各種音視頻、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備領(lǐng)域，充分滿足了系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的要求，在實際中獲得了廣泛的應(yīng)用。
1．2 圖像傳感器
    美國Omnivision公司的彩色圖像傳感器OV7660具有30萬像素，芯片的像素陣列達到1300x1280，具有高靈敏度采光、低功耗電源供電等特點且功耗低、體積小，在攝像手機、網(wǎng)絡(luò)視頻等方面應(yīng)用比較廣泛。通過先進的傳感器技術(shù)，還可以通過減少或者消除圖像瑕玷中的普通光／電資源(如固定樣式噪音(FPN)、拖尾效應(yīng)、閃光等)來產(chǎn)生比較清晰、完全、穩(wěn)定的彩色圖像。對于本系統(tǒng)來說，是一種很好的選擇。
    0V7660圖像傳感器，內(nèi)置自動曝光控制(AEC)、自動增益控制(AGC)、自動白平衡(AWB)等功能，支持SXGA、VGA、QVGA、QQVGA、CIF、QCIF和QQCIF，可輸出RGB、YUV和YCbCr等多種視頻數(shù)據(jù)格式。0V7660通過一個專用的Camera Interface接口與核心處理芯片BF533的PPI接口連接，接口電路如圖1所示。

為使芯片正常上作，需要通過串行視頻控制總線(SCCB)總線來配置OV7660的內(nèi)部寄存器，使芯片輸出格式正確的彩色圖像數(shù)據(jù)。
1. 3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    要完成系統(tǒng)的功能，除了處理器和圖像采集模塊，通過B1ackfin533的豐富接口，在開發(fā)過程中還要用到以下模塊。
    (1)SDRAM模塊為系統(tǒng)提供內(nèi)核運行、程序運行、數(shù)據(jù)緩存的空間；
    (2)FLASH模塊為系統(tǒng)提供存儲空間；
    (3)系統(tǒng)調(diào)試、移植、交叉編譯、需要UART接口和JTAG調(diào)試接口；
    (4)圖像數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸需要以太網(wǎng)接口。
    當(dāng)然系統(tǒng)還應(yīng)有電源模塊、系統(tǒng)復(fù)位電路、時鐘模塊等，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2。
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2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件部分包括三部分，嵌入式uClinux(操作系統(tǒng)，圖像傳感器0V7660和網(wǎng)絡(luò)控制器CS8911A的驅(qū)動程序，系統(tǒng)的應(yīng)用程序。
2．1 嵌入式uClinux操作系統(tǒng)
    本系統(tǒng)采用開源、可剪裁、安全性和實時性好的嵌入式uClinux操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確傳輸，并提供了完善的網(wǎng)絡(luò)支持。uClinux并為應(yīng)用程序的設(shè)計提供了眾多API接口函數(shù)，方便了編程實現(xiàn)過程。
    嵌入式uClinux系統(tǒng)是由Boot Loader引導(dǎo)程序、系統(tǒng)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)組成。軟件交叉編譯環(huán)境為Windows系統(tǒng)下的coLinux，該操作環(huán)境具有模擬uClinux操作系統(tǒng)的功能，在擁有colinux環(huán)境的基礎(chǔ)上，選擇合適的開發(fā)工具可以加快開發(fā)速度，節(jié)省開發(fā)成本。軟件編程語言為標(biāo)準(zhǔn)C語言，具有良好的可移植性。
2．2 OV7660和CS8911A驅(qū)動程序
    Blackfin533 uClinux kernel中帶有一些硬件驅(qū)動模塊，縮短了開發(fā)周期。系統(tǒng)上電后，將自動檢測視頻設(shè)備OV7660，視頻設(shè)備被檢測到后，將自動調(diào)用在配置內(nèi)核時已經(jīng)加載到uClinux中的OV7660的驅(qū)動程序模塊PPI_ov7660。
    圖像數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸在Linux的平臺上采用服務(wù)器／客戶端模型，網(wǎng)絡(luò)控制器CS8911A的驅(qū)動程序因為已經(jīng)很成熟了并且對外公開，直接采用了開發(fā)好并已經(jīng)移植到uClinux內(nèi)核中的設(shè)備驅(qū)動程序。
2．3 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計分為圖像采集設(shè)備初始化、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化和圖像的捕捉三部分。視頻圖像采集的程序流程圖如圖3。

2．3．1 圖像采集設(shè)備初始化
    對于uClinux操作系統(tǒng)，它將設(shè)備看作文件，因此，想對設(shè)備進行讀寫等操作，應(yīng)首先打開設(shè)備，完成操作后再關(guān)閉設(shè)備。設(shè)備文件的初始化主要針對PPI的／dev／ppifcd設(shè)備。本系統(tǒng)可以從4個步驟進行。
    (1)打開視頻設(shè)備 利用open()函數(shù)實現(xiàn)打開PPI視頻設(shè)備。
    fd_ppi=open(“／dev／ppifcd”，O_RDWR)
    fd_ppi為設(shè)備文件描述符。
    (2)獲取設(shè)備信息 利用相應(yīng)的ioctl()函數(shù)取得設(shè)備文件的相關(guān)信息，包含設(shè)備的基本信息參數(shù)(設(shè)備名稱、支持的最大最小分辨率、信號源信息等)；
    ioctl(fd_ppi，CMD_PPI_GET_VIDEOIN，＆video_in)
    (3)獲取影像信息 利用相應(yīng)的ioctl()函數(shù)取得影像支持信息，包含設(shè)備采集圖像的各種屬性參數(shù)(色調(diào)、亮度、飽和度、對比度、色相等)；
    ioctl(fd_ppi，CMD_PPI_SET_0V7660，＆pictures)
    (4)關(guān)閉視頻設(shè)備利用close()函數(shù)關(guān)閉PPI視頻設(shè)備。
    if(fd_ppi)close(fd_ppi)；
2．3．2 數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化
    本系統(tǒng)開始采集攝像頭數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為YUV420格式，在PC上顯示的時候采用的是RGB565格式，因此在采集完畢之后必須進行圖像數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換。
    RGB與YUV之間可以相互轉(zhuǎn)化，對應(yīng)關(guān)系如下：

其反變化公式如下
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根據(jù)上述關(guān)系可以通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化。
2．3．3 圖像的捕捉
    在PPI_ov7660中采用直接讀取的方法，直接讀取方法比較簡單，通過調(diào)用read()函數(shù)，將輸入的圖像數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)核緩沖區(qū)中，就可以實現(xiàn)對每幀圖像的讀取。過程如下：
    (1)通過調(diào)用函數(shù)malloc()為采集的圖像數(shù)據(jù)分配內(nèi)存；
    in_buff=(unsigned char*)malloc(IMG_SIZE)
    (2)通過調(diào)用read()函數(shù)將前端采集的圖像數(shù)據(jù)讀到in_buf中；
    Fd=read(fd_ppi，in_buff，IMG_SIZE)
    (3)通過調(diào)用write()函數(shù)將內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)寫到創(chuàng)建的一個file里。
    fd=fopen(“pic”，“wb”)fwrite(in_buff，l，nOutputBytes，fd)

3 圖像的網(wǎng)絡(luò)傳輸與顯示
    在uClinux平臺上采用服務(wù)器／客戶端模型通過建立TCP套接字來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接，本系統(tǒng)通過基于TCP協(xié)議的socket編程，完成了圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送和客戶端的接收程序。流程圖如圖4所示。

 以網(wǎng)絡(luò)上PC機為客戶端，用VC編寫圖像顯示界面。把服務(wù)端采集的圖像傳送至接收端，如圖5所示。實驗表明，系統(tǒng)每秒采集15幀圖像，沒有停頓感，滿足實時性要求。
    圖5 系統(tǒng)采集界面顯示

本系統(tǒng)以B1ackfin533為數(shù)據(jù)處理核心，依托數(shù)字圖像處理技術(shù)和DMA技術(shù)，并通過以太網(wǎng)與上位機通信進行數(shù)據(jù)傳輸，完成了一個完整的視頻監(jiān)測系統(tǒng)。其設(shè)計特點為結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、圖像分辨率高、成本低廉、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)布線。本系統(tǒng)滿足實時行要求，具有很大的應(yīng)用前景。