基于TMS320DM365的高速網(wǎng)絡攝像機的設計

摘要：針對傳統(tǒng)網(wǎng)絡攝像機的結構復雜、效率低下以及昂貴的成本等問題，提出了基于嵌入式Linux和達芬奇技術TMS320DM365處理器平臺的高速網(wǎng)絡攝像機系統(tǒng)的設計方案。通過時基于TMS320DM365的高速網(wǎng)絡攝像機進行硬件軟件設計，從前端攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，通過Linux操作系統(tǒng)的V4L2編寫驅動程序從而實現(xiàn)視頻的采集。經(jīng)H．264壓縮算法對視頻數(shù)據(jù)進行處理，最后通過RTP以及RTCP編碼后經(jīng)由100 M網(wǎng)口完成網(wǎng)絡傳輸。
關鍵詞：TMS320DM365；高速網(wǎng)絡攝像機；達芬奇技術；軟件硬件設計

    多媒體技術和網(wǎng)絡與移動通信的飛速發(fā)展激發(fā)了人們進行視頻信息交流的需求。隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐步向數(shù)字化發(fā)展．開發(fā)新一代基于計算機網(wǎng)絡以及多媒體壓縮算法的視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為行業(yè)的主流方向。然而隨著視頻應用的迅速增加，開發(fā)者往往需要花費很多時間來熟悉各種多媒體的標準，最終只能通過編寫與改進代碼來進行開發(fā)與改變。隨著美國TI公司推出達芬奇(DaVinci)平臺后，這一切都在發(fā)生改變。

1 達芬奇技術的主要特點
    達芬奇平臺是典型的基于共享存儲的嵌入式多處理(ARM，DSP，VICP，視頻前端和后端等)環(huán)境，支持的關鍵技術是片內(nèi)實現(xiàn)了多通道的交換中心資源(Switch Central Resources，SCR)?；谄瑑?nèi)SCR，達芬奇平臺在片內(nèi)多處理器之間形成了典型的C／S架構：計算能力強大的DSP可以作為服務器提供算法的實時計算服務；帶有JAVA處理能力的ARM9實現(xiàn)網(wǎng)絡，硬盤音視頻I／O等用戶界面。美國TI公司在達芬奇平臺上專門為音視頻編解碼(Codec)多媒體應用精心設計了系統(tǒng)框架，提供了豐富的系統(tǒng)程序接口SPI，應用程序接口API以及視頻，圖像，話音和音頻千余種流媒體算法組件。他們與操作系統(tǒng)，中間件構成了一個應用系統(tǒng)的大部分內(nèi)容，應用系統(tǒng)開發(fā)團隊只需要將他們封裝成運行包，就能得到高可用性和高可靠性的產(chǎn)品。
    達芬奇平臺的最大特點就是基于DSP與ARM的SOC芯片，和與之相關的相關軟件，如圖1所示。

    對達芬奇平臺，硬件上給與雙核架構強有力的支持，在DSP端用DPS／BIOS來支持音／視頻算法的運行，在ARM端用MontaVistaLinux(MV)來支持其對外設的管理。對于ARM與DSP之間的數(shù)據(jù)交叉，則用Codec Engine和Codec Server來加以管理。達芬奇平臺的先進性，對高端音／視頻系統(tǒng)來說，無疑是開發(fā)平臺的最好選擇。

2 TMS320DM365介紹
    TI公司的TMS320DM365是一款面向多媒體技術應用的高性能芯片。TM320DM365功能框圖如圖2所示。

    內(nèi)核方面TMS320DM365集成ARM926EJ-S.H.264協(xié)處理器(HDVICP)，MPEG4／JPEG協(xié)處理器(MJCP)，能以1080p格式與10幀／s的速度提供H．264編解碼功能，和以1080p格式與24幀／s的速度提供MPEG4編解碼功能，以及以720p格式與30幀／s的速度提供H．264或MPEG4編解碼功能。存儲方面擴展存儲器接口EMIFs包括1個16位256 M地址空間的DDR2和mDDR，以及1個16／8位的AEMIF，可擴展的類型有8／16位NAND Flash，16Mb NOR Flash，SRAM，16位OneNAND等。其他外圍擴展控制器還包括16位HPI(Host-Port Interface)，2個MMC(Multimedia Card)／SD(Secure Digital)／SDIO接口，1個16位的WDT(Watch DogTimer)，5個SPI(Serial Port Interface)接口其中每個具有兩個片選，1個主／從I2C(Inter-Integrated Circuit)總線控制器，1個支持2．0USB OTG接口控制器等。[!--empirenews.page--]
    TMS320DM365集成的ARM926EJ-S處理器包括32 kBRAM、16 kB ROM(用于非AEMIF啟動模式下的ARMbootloader)、16 kB指令緩存、8 kB數(shù)據(jù)緩存、CP15及MMU等。其中CP15用來對指令、數(shù)據(jù)緩存、MMU以及其他ARM子系統(tǒng)進行配置及控制。MMU使用統(tǒng)一的TLB來對頁表中存儲的信息進行緩存，并為類似Linux、WindowsCE、ultron以及ThreadX等操作系統(tǒng)提供虛擬內(nèi)存。該處理器的寫緩沖數(shù)據(jù)容量高達17 kB，使其可以大幅提高內(nèi)核的性能。
    TMS320DM365中的視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)由兩個接口，分別用于視頻捕獲的視頻前段(VPFE)輸入接口和用于圖像顯示的視頻后端(VPBE)輸出接口。圖3為視頻處理子系統(tǒng)系統(tǒng)框圖。

    VPFE模塊主要用于捕獲視頻信號，也可以直接從前端輸入已有的視頻信號。VPFE輸入接口有1個CCD控制器(CCDC)、1個預處理器、柱狀模塊、自動曝光／白平衡／聚焦模塊(H3A)和寄存器組成。CCDC可以與視頻解碼器、CMOS傳感器或電荷耦合裝置連接；預處理器是一個實時的圖像處理器，它把來自CMOS或CCD的原始圖像從RGB轉變?yōu)閅UV422的編碼；柱狀模塊和H3A模塊實現(xiàn)基于原始圖像信息的硬件操作。
    VPBE輸出接口由1個OSD引擎和1個視頻編碼器組成。OSD引擎能夠顯示兩組獨立的視頻窗口或兩組獨立的OSD窗口，還可以以2個視頻窗口、1個OSD窗口和一個屬性窗口的形式顯示。OSD用于在視頻圖像上疊加音量，圖標等位圖或圖像信息。視頻編碼模塊提供數(shù)字輸出和模擬輸出。數(shù)字輸出支持24bitRGB888格式、8／16bit BT．656以及具有獨立的水平和垂直同步功能的CCIT.601輸出；模擬輸出支持4路10bit DAC，均工作于54 MHz，支持復合NTSC／PAL、S端子和分量視頻。

3 系統(tǒng)硬件設計
    系統(tǒng)硬件結構如圖4所示，本系統(tǒng)選擇以TMS320DM365為嵌入式處理器，外圍電路包括有音頻、視頻信號采集電路，以太網(wǎng)絡電路，電源接口，JTFAG，UART，NAND Flash，SD卡，DDR2，USB2．0 OTG以及I2C。

    網(wǎng)絡攝像機系統(tǒng)的信息處理流程主要分為圖像的獲取、圖像的處理傳輸以及圖像的顯示3部分。本系統(tǒng)中，前端攝像頭負責圖像的捕捉，將獲取的未經(jīng)壓縮處理的圖像信號傳輸至電路板中通過TMS320DM365芯片進行壓縮處理以及SD卡的相應存儲，再由以太網(wǎng)接口或其他接口將處理過圖像進行傳輸，在遠端監(jiān)視器上將圖像進行顯示。[!--empirenews.page--]
    本系統(tǒng)的視頻采集模塊采用TVP5146。傳統(tǒng)NTSC／PAL攝像頭的輸出信號格式為模擬信號，由于TMS320DM365的視頻輸入信號是通過VPFE的CCDC以ITU-R BT．601／BT．656格式進行輸入的，所以首先需要通過視頻前段濾波放大器OPA361對采集到的模擬信號進行放大，經(jīng)過視頻解碼芯片TVPS146將模擬信號進行圖像的抗混疊濾波預處理、模擬數(shù)字化轉換及亮度／色度、水平／垂直同步信號的分離，實現(xiàn)模擬視頻信號轉換為數(shù)字并行信號BT.656碼流格式，隨后通過2個12位2選1的FET多路復用器對4路視頻信號選擇1路作為輸入從而完成VPFE的視頻輸入工作。  TVP5146是一種高性能單片數(shù)字視頻解碼器，它可將所有常見的基帶模擬視頻信號，例如NTSC，PAL，SECAM混合信號數(shù)字化并解碼為數(shù)字視頻信號。該解碼器還包括了具有模擬預處理功能的4路10位30MSPS的模數(shù)轉換器。高達10組的視頻輸入終端可以用來配置作為RGB，YPbPr，CVBS分量信號或者S端子視頻輸入。
    網(wǎng)絡控制模塊主要包括EMAC模塊和MDIO模塊，原理圖如圖5所示。

    本系統(tǒng)采用TI公司出品的TSB43EA42作為以太網(wǎng)收發(fā)器。TSB43EA42支持10 MB／100 MB基帶傳輸，提供與MAC層相接的MII接口。它與DM3 65通信的主要引腳有：發(fā)送、接收數(shù)據(jù)線、時鐘、使能信號、錯誤指示、管理數(shù)據(jù)接口、控制／指示引腳等。EMAC控制模塊內(nèi)部集成了8 kB的RAM，主要功能使存放緩沖描述符和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。MDIO模塊則主要通過兩線接口完成對物理層芯片的配置，工作狀態(tài)檢測等工作。
    串口模塊采用TI公司的MAX322ICPW，主要用來負責開發(fā)板與計算機之間的通信。通過超級終端，完成Linux內(nèi)核的下載以及相關參數(shù)的設置，完成系統(tǒng)的開發(fā)以及調(diào)試。存儲模塊包括了2個擴展存儲接口EMIF和2個MMC／SD卡接口。前者包括DDR控制器和異步擴展存儲接口AEMIF分別用于擴展連接對DDR存儲器和Flash存儲器；后者實現(xiàn)了2個SD卡存儲器的擴展連接。
    電源模塊采用了TI公司的TPS65023作為電源管理芯片。該芯片包括3個DC／DC轉換器以及2個200mA線性穩(wěn)壓器LDO。每路LDO由TMS320DM3 65通過I2C與之通信，實現(xiàn)各路輸出電源電壓的控制，為內(nèi)核存儲器和I／O接口提供1．3，1.8，3．3 V的工作電壓；也可通過5 V穩(wěn)壓器直流供電，通過DC／DC轉換器提供1．3，1．8，3．3 V供電。

4 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)的視頻采集模塊負責從攝像頭中讀取視頻流數(shù)據(jù)，讀出的圖像數(shù)據(jù)交由壓縮模塊處理。攝像頭驅動程序加載完成后為了進行視頻采集必須加入Video4Linux模塊，從而可以通過Video4Linux模塊提供的編程接口從攝像頭設備中獲取圖像幀?；赩4L的視頻采集流程圖如圖6所示。

    本系統(tǒng)采用RTP實時傳輸協(xié)議以及RTCP實時傳輸控制協(xié)議作為視頻傳輸?shù)膮f(xié)議。RTP在多點傳送或單點傳送的網(wǎng)絡服務上，提供端對端的網(wǎng)絡傳輸功能，適合應用程序傳輸實時數(shù)據(jù)，如：音頻、視頻或者仿真數(shù)據(jù)。RTP由于沒有為實時服務提供資源預留功能，所以不能保證QoS(服務質(zhì)量)。RTCP作為一種控制協(xié)議，通過擴展可以升級為大型的多點傳送網(wǎng)絡，并提供最小限度的控制和鑒別功能。在RTP會話期間，各參與者周期性的傳送RTCP包，RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料，因此服務器可以利用這些信息動態(tài)的改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，他們能以有效地反饋和量小的開銷使傳輸效率最佳化，RTCP利用主要的兩種控制包SR和RR反饋的信息如數(shù)據(jù)包丟失比，數(shù)據(jù)包丟失率，吞吐量和吞吐率，數(shù)據(jù)包到達時延抖動和往返傳播時延等來調(diào)節(jié)實時傳輸，并調(diào)整系統(tǒng)的打包格式，發(fā)包速率來保證流暢地傳輸數(shù)據(jù)和清晰的播放視頻，因此特別適合傳送網(wǎng)上的實時數(shù)據(jù)。
    JRTPLIB作為一個RTP協(xié)議的庫，用來開發(fā)多媒體的應用十分方便。通過JRTPLIB庫發(fā)送或接收RTP數(shù)據(jù)，而不用考慮SSRC的沖突、調(diào)度，連RTCP的數(shù)據(jù)也不需要用戶來發(fā)送。用戶只需要使用相應的類來發(fā)送和接收媒體數(shù)據(jù)。下面介紹RTP相關代碼的具體實現(xiàn)。
    在使用JRTPLIB傳輸多媒體數(shù)據(jù)之前，首先應該創(chuàng)建一個RTPSession類的一個對象來標識此次會話。然后通過RTPSession實例的create()方法來對其進行初始化操作。在create()時，需要兩個參數(shù)sessparams和transparams，分別為RTPSessionParams和RTPUDPv4Trans mission Params的實例。在create()成功以后，需要設置目標地址、凈荷類型、時間戳增量等信息。在RTP會話建立起來以后，我們就可以進行媒體數(shù)據(jù)的傳輸。傳輸凈荷數(shù)據(jù)的方法很簡單，只需要調(diào)用RTPSession實例的SendPacker()方法就可以了。同時為了適應在網(wǎng)上的傳輸，還需對凈荷數(shù)據(jù)進行分割。為了方便的使用，我們需進一步的封裝。對于RTP分組的接收部分，由于給出的是拆分了的數(shù)據(jù)幀，我們需要組合成完整的數(shù)據(jù)幀。這里需要注意的是由于本攝像機采用的H．264解碼算法，所以分流式接收方式以及RTP分組接收方式兩種模式，對于流式傳輸，有的組合成完整的數(shù)據(jù)幀的步驟放在了H．264的NAL層。但對有些音頻和JPEG等應用，還是需要進行組裝過程的。

5 結束語
    提出一種基于TMS320DM365的高速網(wǎng)絡攝像機系統(tǒng)設計。網(wǎng)絡攝像機接入局域網(wǎng)后，在局域網(wǎng)內(nèi)部的PC機上通過IE輸入網(wǎng)絡攝像機的IP地址，通過第三方軟件便可以觀看到攝像機捕捉到的圖像以及網(wǎng)絡攝像機的相關數(shù)據(jù)流量信息。當獲得圖像質(zhì)量要求較高時，相應的圖像數(shù)據(jù)量也會增高，反之減小。在640X480的分辨率下，測得數(shù)據(jù)流量約為960 kb／s，可以滿足對監(jiān)控視頻流暢性的要求。
    本文首先介紹了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢以及嵌入式處理器TMS320DM365的特點，之后通過對該系統(tǒng)的硬件設計以及軟件設計的詳細分析，實現(xiàn)了基于達芬奇技術TMS320DM365的高速網(wǎng)絡攝像機系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了最新的技術，降低了產(chǎn)品的成本，具有很強的實用性，是一種比較理想的網(wǎng)絡攝像機解決方案，可廣泛應用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)。