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隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和多媒體技術(shù)的廣泛應用,數字網(wǎng)絡(luò )視頻得到了飛速發(fā)展.在網(wǎng)絡(luò )視頻會(huì )議和網(wǎng)絡(luò )監控領(lǐng)域中,將傳統的模擬視頻信號轉換成數字視頻信號,并且借助于現有的IP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸已成為當今的一大熱點(diǎn). 從技術(shù)實(shí)現方式來(lái)講,通常是采用網(wǎng)絡(luò )攝像機來(lái)實(shí)現.目前市場(chǎng)上的網(wǎng)絡(luò )攝像機一般有兩類(lèi):一類(lèi)是普通攝像機加視頻網(wǎng)關(guān)構成,但是這種方案體積龐大、操作繁瑣;另一類(lèi)是把全部網(wǎng)絡(luò )接入功能都集成在攝像機中,其體積小、功能全、易于使用和維護.后類(lèi)攝像機有多種解決方案,本文提出一種基于嵌入式DSP的設計方案,并且給出具體的硬件及軟件實(shí)現. 1 硬件系統設計 1.1嵌入式處理器TMS320DM642 TMS320DM642(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DM462)是TI公司近來(lái)發(fā)布的新一代多媒體處理器,它基于其第二代高性能的VelociTI VLIW結構,適用于多種數字媒體應用.DM642的時(shí)鐘頻率為600MHz,指令速度高達4800MIPS.這款DSP的兩大特色在于:第一,擁有三個(gè)可配置的視頻接口(VP),可同時(shí)采集三路視頻信號;第二,集成了以太網(wǎng)接口,10/100Mbps模式自適應,能工作在全雙工或半雙工模式下,并具有硬件流控制和服務(wù)質(zhì)量保證(QoS)支持.DM642的功能十分強大,它是構成多媒體通信系統的最佳平臺之一. 1.2硬件整體架構 本系統的硬件平臺由六部分組成,分別是視頻采集、數據存儲、視頻處理、視頻顯示、網(wǎng)絡(luò )和電源管理.其結構框圖如圖1所示. 視頻采集部分采用模擬PAL制攝像頭,配合高精度視頻A/D轉換器得到數字圖像.A/D轉換器采用TI公司的TVP5145芯片,其采樣精度達到10bit,輸出支持CCIR-656和BT656等格式. 數據存儲部分的RAM采用三星公司的SDRAM.為配合DM642的64位EMIF(外部存儲器接口),使用四片SDRAM,每片工作在16位模式,單片容量為32MB.數據存儲部分的ROM采用ATMEL公司的NOR型的Flash芯片,總容量為256KB,數據總線(xiàn)為8位.本系統中的SDRAM用來(lái)存放系統運行時(shí)的代碼以及臨時(shí)圖像數據,Flash用來(lái)保存系統自啟動(dòng)代碼以及系統程序代碼。 視頻顯示部分采用數字LCD,可省去數/模轉換芯片,只需一片CPLD驅動(dòng)LCD.CPLD采用Altera公司的MAX3000系列.這部分作為輔助功能,可根據實(shí)際運用場(chǎng)合進(jìn)行選擇. DM642的以太網(wǎng)控制器(即EMAC)屬于數據鏈路層,因此需外接物理層芯片才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信.這里采用Intel公司的LXT971A芯片,它提供了MII(Media Independent Interface)接口,可以方便地和DM642連接. 電源管理部分在一個(gè)硬件系統設計中占有舉足輕重的地位.本系統的電源模塊采用MAXIM公司的解決方案,包括一片MAX1762芯片(產(chǎn)生1.4V電源給DM642的I/O供電和產(chǎn)生5V電源給LCD的逆變器供電). 2 設備驅動(dòng)設計 TI為DM642的VP口開(kāi)發(fā)了一個(gè)兩層設備驅動(dòng)模型.上層驅動(dòng)稱(chēng)為Class Driver,更靠近底層硬件.應用時(shí)只需根據這個(gè)模型編寫(xiě)驅動(dòng)程序就可以了. 對于以太網(wǎng)口,TI提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)組件(NDK),為在DSP上開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )應用程序提供了平臺.有了這個(gè)平臺,在開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )應用程序時(shí),就不用過(guò)多考慮數據如何封閉成IP包,也不用過(guò)多關(guān)心TCP/IP協(xié)議內部的工作機制,這樣可以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期及上市時(shí)間. 1.2 視頻端口的兩層設備驅動(dòng)模型 兩層設備驅動(dòng)模型如圖2 所示.最上層是應用程序,最下層是底層硬件,包括DM642的VP口和視頻A/D芯片.中間大花括號括起來(lái)部分即為設備驅動(dòng).圖中還有一層芯片支持庫(CSL),它提供配置及控制片上外設的C語(yǔ)言接口. 根據VP口的特點(diǎn),設備驅動(dòng)的兩層驅動(dòng)模型的每一層又細分了兩層.從圖2可以看到,把Class Driver分為FVID Class Driver和GIO Class Driver.前者更靠近應用程序,它提供一些特別適用于圖像的API函數;后者提供與Mini Driver進(jìn)行通信的API函數.Mini Driver分成通用部分和特殊部分,這樣分的優(yōu)勢在于:當改變硬件構成時(shí),無(wú)需重寫(xiě)Mini Driver,只需修改特殊部分即可,提高了代碼的重復使用性. 2.2網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)組件 網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)組件的核心即為一系列TCP/IP協(xié)議棧庫.包括:(1)棧庫和網(wǎng)絡(luò )工具庫,它含有一些經(jīng)過(guò)優(yōu)化編譯的協(xié)議棧代碼;(2)操作系統適應庫,它用來(lái)協(xié)調TCP/IP協(xié)議棧和DSP/BIOS之間的接口;(3)網(wǎng)絡(luò )控制及調度庫,它決定TCP/IP環(huán)境的初始化以及網(wǎng)絡(luò )相關(guān)事件是如何被調度的;(4)多種硬件抽象層平臺庫,為T(mén)I公司的多種開(kāi)發(fā)板(比如DSK、TEB和EVM等)提供支持.由于本系統為自行開(kāi)發(fā),所以不涉及HAL. 協(xié)議棧庫的流程框圖如圖3所示,其中灰色模塊分別代表前術(shù)五個(gè)庫. 3 軟件設計及實(shí)現 TI公司的DSP開(kāi)發(fā)軟件包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(CCS)、實(shí)時(shí)操作系統(DSP/BIOS)、第三方算法庫標準(eXpressDSP).DSP/BIOS是一個(gè)用戶(hù)可裁剪的實(shí)時(shí)操作系統,包含內存管理、線(xiàn)程管理、中斷、外設管理和任務(wù)調度等功能.另外,還需使用JPEG標準進(jìn)行圖像壓縮,因為采用JPEG進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )傳輸時(shí),如果出現網(wǎng)絡(luò )短暫阻塞,可將當前幀拋棄而不影響下一幀的圖像,所以能夠保證系統的實(shí)時(shí)性要求.在本系統中調用了TI提供的JPEG算法庫來(lái)完成JPEG壓縮。 3.1軟件流程結構 根據本系統的要求,整個(gè)軟件系統分為五個(gè)任務(wù)模塊,每個(gè)模塊完成穩中有降自的功能.這五個(gè)任務(wù)模塊分別為輸入任務(wù)、處理任務(wù)、輸出任務(wù)、網(wǎng)絡(luò )任務(wù)以及控制任務(wù),其流程如圖4所示.下面敘述任務(wù)間調度及分別完成的功能. (1)輸入任務(wù) 該任務(wù)模塊主要完成將VP口采集到的數字圖像存入動(dòng)態(tài)分配的內存空間中,圖像格式為YUV4:2:2(可根據需要進(jìn)行設置),分辨率為720×480.然后對該圖像色度信號進(jìn)行4:2:0重采樣,這樣做的目的是為了調用JPEG算法庫.完成以上兩步后,輸入任務(wù)模塊發(fā)出一個(gè)消息給處理任務(wù)模塊,告知圖像在內存空間的中位置,讓處理任務(wù)模塊去做進(jìn)一步的處理.接著(zhù),輸入任務(wù)模塊等待處理任務(wù)模塊回復,收到回復消息后,繼續采集下一幀圖像. (2)處理任務(wù)模塊 該任務(wù)模塊主要完成JPEG壓縮.處理任務(wù)模塊首先獲得一個(gè)從輸入任務(wù)模塊發(fā)出的消息,并且從中得到圖像數據.接著(zhù)進(jìn)行JPEG壓縮,如前所述,壓縮調用了JPEG算法庫,其壓縮的速度和性能比較好.在處理任務(wù)模塊完成圖像壓縮后,發(fā)出三個(gè)消息:第一個(gè)發(fā)給輸入任務(wù)模塊,使其繼續采集下一幀圖像;第二個(gè)發(fā)給網(wǎng)絡(luò )任務(wù)模塊,把JPEG圖像在內存中的位置以及字節數告訴網(wǎng)絡(luò )任務(wù)模塊供其處理,同時(shí),處理任務(wù)模塊將等待網(wǎng)絡(luò )任務(wù)模塊回復消息;最后一個(gè)消息發(fā)給輸出任務(wù)模塊,告知原始圖像在內存中的位置,讓輸出任務(wù)模塊把它輸出到LCD進(jìn)行顯示.同樣,它也將等待輸出任務(wù)模塊回復消息. (3)輸出任務(wù)模塊 該任務(wù)模塊完成將采集到的原始圖像輸出LCD進(jìn)行顯示.由于采集到的是YUV圖像,而本系統的LCD使用RGB信號作為輸入,這需要經(jīng)過(guò)數字圖像格式轉換,該轉換交由CPLD完成. (4)網(wǎng)絡(luò )任務(wù)模塊 該任務(wù)模塊完成網(wǎng)絡(luò )傳輸功能.分三部分實(shí)現:第一部分先獲得一個(gè)從處理傷模塊發(fā)出的消息,從中得到JPEG圖像的大小和在內存中的位置,并通過(guò)UDP協(xié)議的Socket套接字將其發(fā)送給客戶(hù).同時(shí)發(fā)出一個(gè)消息給處理任務(wù)模塊,告知已獲得JPEG圖像,可進(jìn)行下一幀圖像的壓縮.第二部分進(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)的設定.如果要連接Internet,必須設置DHCP,動(dòng)態(tài)分配IP地址.除此以外,還要選擇哪種網(wǎng)絡(luò )服務(wù),DM642支持Telnet、HTTP、Data server等服務(wù),本系統使用HTTP服務(wù).第三部分為加載網(wǎng)頁(yè),在PC機上用HTML編寫(xiě)網(wǎng)頁(yè),在該網(wǎng)頁(yè)中內嵌一段JavaApplet小程序以實(shí)現本系統和客戶(hù)端的交互.HTML文件不能直接加載給DM642,必須在DOS環(huán)境下使用binsrc插件把它轉換成用C語(yǔ)言描述的數據數組.當用戶(hù)通過(guò)IE瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)本系統時(shí),HTTP服務(wù)器通過(guò)嵌入式文件系統訪(fǎng)問(wèn)內存中的HTML網(wǎng)頁(yè)(即訪(fǎng)問(wèn)那個(gè)用C語(yǔ)言描述的數據數組),該文件系統是基于RAM的文件系統,它駐留在OS.LIB中.同時(shí),JavaApplet小程序隨同HTML文件下載到客戶(hù)端 并由IE瀏覽器解釋執行. (5)控制任務(wù)模塊 該任務(wù)模塊完成在HTML網(wǎng)頁(yè)上對JPEG壓縮性能的控制.在網(wǎng)頁(yè)中接收的用戶(hù)自定義參數,通過(guò)DSP/BIOS中的郵箱機制傳北宜給處理任務(wù)模塊,從而修改JPEG的壓縮參數,改變壓縮質(zhì)量.圖5所示即為接收用戶(hù)修改參數的對話(huà)框,1表示壓縮質(zhì)量最差,100表示壓縮質(zhì)量最好. 這些任務(wù)的初始化在系統的main()函數里實(shí)現.另外,對DM642芯片的初始化(包括初始化寄存器、二級緩存(L2)的設置等)均在dm642init()函數中完成,該函數定義在DSP/BIOS的用戶(hù)初始化函數列表中,在此不再贅述. 本文提出的基于TMS320DM642的網(wǎng)絡(luò )攝像機的設計方案已經(jīng)成功實(shí)現.在客戶(hù)端打開(kāi)IE瀏覽器,即可看到實(shí)時(shí)監控的圖像,圖像顯示較流暢,在局域網(wǎng)內的圖像幀率可以達到30幀/秒.而且可以同時(shí)采集多路視頻信號,滿(mǎn)足多個(gè)客戶(hù)的連接請求.本系統滿(mǎn)足了目前寬帶環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò )視頻會(huì )議以及視頻監控的要求,其應用前景十分廣泛。 |
