0 引言

　　在數(shù)字化視頻監(jiān)控技術飛速發(fā)展的今天，數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)正迅速的深入到各行業(yè),，如企業(yè),、煤礦,、學校、公共場所,，為人們的工作和生活帶來了一次大變革,。由于能夠在達芬奇平臺中實現(xiàn)數(shù)字視頻、音頻,、語音與話音技術,，因此達芬奇技術可以為數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的當前變革打下基礎。

　　與此同時,，隨著3G 網(wǎng)絡的開通,，更為高清移動數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)提供了實現(xiàn)的可能。

　　本文中要設計的3G移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種能提供視頻采集,、視頻數(shù)據(jù)壓縮,、聯(lián)動報警、衛(wèi)星定位及網(wǎng)絡傳輸功能于一體的一種移動實時視頻監(jiān)控系統(tǒng),。其主要技術瓶頸就在于：①其系統(tǒng)耗時是否能保證其實時性要求,，關鍵為H.264壓縮算法耗時。由于嵌入式環(huán)境資源的限制,，在視頻數(shù)據(jù)的實時性傳輸和圖像質(zhì)量方面,，尤其是多路的情況下，其一直都得不到保證,。但是隨著達芬奇技術的成熟,，其ARM 926EJ-S與DSP C64x+ 的雙核架構，H.264 壓縮算法獨立運行在DSP的 Codec Server 端,，解決了系統(tǒng)耗時保證其實時性要求,。②其3G 無線網(wǎng)絡傳輸能否保證視頻質(zhì)量及實時性。在保證視頻質(zhì)量及傳輸實時性要求上,，可以從兩個方面入手：①縮短視頻數(shù)據(jù)的傳輸時間,，使用當前最高效的H.264 編碼技術縮小傳輸?shù)男畔⒘浚捎脛討B(tài)自適應調(diào)整視頻數(shù)據(jù)的幀碼率來減少傳輸?shù)男畔⒘?，以適應無線帶寬及抖動,。②實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS 機制，自己設計實現(xiàn)了3G 無線傳輸?shù)腝oS 機制,，選用實時傳輸控制協(xié)議RTCP 和RTP 配合使用,，能以有效的反饋和最小的開銷實現(xiàn)傳輸效率最佳化，因此保證了視頻質(zhì)量及其實時性,。

　　1 系統(tǒng)架構及工作原理

　　本系統(tǒng)采用的是由達芬奇處理器（TMS320DM6446）,、DDR2SDRAM（MT47H64M16）、NAND FLASH（K9F1208X0C）,、視頻解碼器TVP5150,、3G 芯片（中興MC8360）,、GPS 衛(wèi)星定位芯片加上外圍接口芯片的方案。CCD 攝像機采集模擬視頻信號傳入視頻解碼器內(nèi),，進行模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換,， 輸出符合ITU-BT.656標準的數(shù)字視頻信號，然后將數(shù)字視頻信號傳到視頻處理子系統(tǒng)的前端進行預處理,，將數(shù)字視頻信號通過本人設計的OSD字幕添加算法加入白底黑邊字幕后,，經(jīng)過Codec Engine 編碼后通過USB2.0 總線端口送入3G 傳輸芯片，無線傳輸?shù)竭h程視頻監(jiān)控中心,；達芬奇處理器檢測進行衛(wèi)星定位命令,，通過串口接收GPS 衛(wèi)星定位信息，然后將GPS 衛(wèi)星定位信息傳入到3G 傳輸芯片,，無線傳輸?shù)竭h程視頻監(jiān)控中心,，在地圖上標定其坐標點及其移動軌跡。DM6446 上的DSP 端主要負責視頻編解碼工作,，ARM 端做為控制視頻解碼芯片,、3G 傳輸芯片,、GPS 定位芯片和外圍接口芯片的控制器,。系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖如圖1 所示。

　　圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖

　　2 硬件方案設計

　　2.1 視頻采集與解碼設計

　　本設計中選用TI 公司的視頻解碼芯片TVP5150 完成視頻圖像的模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換,。TVP5150 是超低功耗,、支持NTSC/PAL/S E C A M 等格式的高性能視頻解碼器，它正常工作時功耗僅115mW,，并具有32 腳TQFP 超小封裝,。它可以接收兩路CVBS或一路S-Video 信號，通過I2C 總線設置其內(nèi)部寄存器,，可以輸出8位4:2：2的ITU BT.656信號,。

　　TVP5150 芯片采用14.31818 MHz 晶振做為輸入時鐘，數(shù)字和模擬輸入電壓為1.8V,，IO 口電壓為3.3V;信號輸入有AIP1A 和AIP1B 兩路,，并且都進行阻抗匹配設計，防止對輸入信號的反射,；YOUT［0:7］輸出8 路YcbCr 信號,，行場同步信號選擇引腳HSYNC 和VSYNC 輸出；SCLK 引腳向DM6446 芯片輸出27MHz 時鐘信號,，用來同步數(shù)據(jù)采集,。

　　2.2 DDR2 SDRAM 內(nèi)存接口設計

　　內(nèi)存主要用來緩存視頻輸入圖像數(shù)據(jù)，存儲ARM 和DSP代碼等,。DDR2 內(nèi)存是一種新型高速,、大容量的雙速率同步存儲器,，相對于DDR，DDR2 具有更高的頻寬,、更低的功耗,、更好的高速效能。

　　本設計選用Micron 公司的MT47H64M16BT 型號DDR2芯片,，該芯片單片容量為1Gb,，提供16 位字長數(shù)據(jù)總線接口，芯片采用1.8V 做為輸入電壓,，其內(nèi)存支持差分鎖存信號,，可以保證電路在高速情況下準確的鎖存總線上的數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠,。為提高系統(tǒng)內(nèi)存容量并最大限度利用DDR2控制器的32 數(shù)據(jù)總線,，設計選用兩片MT47H64M16BT，分別作為數(shù)據(jù)總線的高低16 位,，組成32 位數(shù)據(jù)總線,、大小為256Mbyte 的內(nèi)存系統(tǒng)。將兩片16 位DDR2 芯片與32 位總線的DDR2 控制器連接時,，把數(shù)據(jù)總線和相應的數(shù)據(jù)選通信號及字節(jié)使能信號與相應DDR2 芯片分別連接,，其它信號兩片DDR2 芯片公用。此時,，32 位數(shù)據(jù)總線的DDR2 控制器可同時訪問兩片DDR2 芯片,。

　　2.3 電源設計

　　本設計選用TI 公司的TPS75003 和TPS62040 電源管理芯片，T P S 7 5 0 0 3 具有兩路最大提供3 A 的拓撲電源和一路300mA LDO 電源,，每個Buck 輸出電壓范圍在1.2V 至6.5V 之間,，LDO 輸出電壓范圍在0.9V 至6.5V 之間，輸入電壓范圍在2.2V 至6.5V 之間,。TPS62040 是高效異步開關DC/DC 轉(zhuǎn)換電源,，其轉(zhuǎn)換效率達到95%，輸入電壓范圍在2.5V 至6.0V,，輸出電壓在0.7V 至6.0V,，因此都可通過主電源+5V 供電。

　　系統(tǒng)電源分為+5V,、+3.3V,、+1.8V、+1.2V 四種,，系統(tǒng)主供電電源為+5V,，其余均由+5V 電源供給。因此，采用一片TPS75003 和一片TPS62040 完成系統(tǒng)四種電源的轉(zhuǎn)換,。設計用TPS75003 的SW1 引腳經(jīng)過SI2323 續(xù)流整形后輸出1.2V 電壓用于DM6446 內(nèi)核供電,，IS1 引腳連接參考電壓，F(xiàn)B1 引腳接輸出1.2V 電壓作為反饋,，SW2 引腳輸出3.3V 電壓用于DM6446 外設接口供電,。TPS62040 的SW1 和SW2 引腳短接后輸出1.8V 電壓用于DM6446 存儲器接口供電，F(xiàn)B 引腳連接1.8V 作為反饋輸入,。這樣,，用一片TPS75003 和TPS62040 電源管理芯片就可以滿足本系統(tǒng)供電。TPS75003 和TPS62040電源轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示,。

　　圖2 TPS75003 和TPS62040 電源轉(zhuǎn)換電路圖

　　3 軟件方案設計

　　本系統(tǒng)選用嵌入式MontaVista Linux操作系統(tǒng)平臺,，其具有安全、穩(wěn)定,、高效率,、高實時性等特點。本文系統(tǒng)軟件采用模塊化設計,，從功能角度,，其軟件體系結(jié)構主要劃分為以下五部分：采集模塊、編碼模塊,、3G 傳輸模塊,、GPS 衛(wèi)星定位模塊、設備監(jiān)測模塊,。由于3G無線傳輸受到其帶寬的限制,，如何能保證視頻圖像質(zhì)量和實時性尤為關鍵,，因此,，3G 傳輸模塊是系統(tǒng)軟件的核心部分。

　　3.1 采集模塊

　　本模塊主要完成視頻的采集,、圖像格式轉(zhuǎn)換,。采用V4L2接口采集攝像頭的視頻數(shù)據(jù)，V4L2 是Linux 下開發(fā)視頻采集設備驅(qū)動程序的一套規(guī)范,，這套規(guī)范使用分層的方法給驅(qū)動程序開發(fā)提供了清晰的模型和一致的接口,。應用程序處于最上層，V4L2 處于中間層,，而硬件設備處于下層,，從而通過驅(qū)動程序，應用程序?qū)υO備的操作如同一個文件一樣,，屏蔽了硬件設備的具體操作,。

　　TVP5150 驅(qū)動程序以包含在Linux內(nèi)核中，本設計是基于該驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)視頻采集的，視頻采集程序基本流程如圖3所示,。

　　圖3 視頻采集程序基本流程圖

　　3.2 編碼模塊

　　本模塊主要完成了OSD 字幕信息添加及圖像的壓縮編碼,。

　　設計中充分利用了Davinci 編解碼引擎接口進行應用程序編程，對采集到的視頻數(shù)據(jù)進行YUV 格式轉(zhuǎn)換后,，通過自己設計的OSD 字幕算法加入OSD 字幕信息,，采用優(yōu)化的TI 公司H.264 壓縮算法，對完成處理的YUV4:2：0 格式數(shù)據(jù)進行幀間編碼壓縮,。

　　OSD 字幕算法實現(xiàn)了在YUV 圖像上面添加中英文字幕信息,，并可設置字體的字和邊界為兩種顏色，以在不同背景色下清晰顯示字體,。其基本原理為根據(jù)字符的ASCII 從點陣字庫中讀入其點陣數(shù)據(jù),，進行一次外圍邊界像素點擴展，這樣就可以判斷每位數(shù)據(jù)中為1 的相鄰8 個像素點對應位的值,，為0則表示該點是字符的邊框,，為1 則表示該點是字符邊框內(nèi)的背景色。

　　3.3 3G傳輸模塊

　　本部分主要完成視頻數(shù)據(jù)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的3G 無線網(wǎng)絡傳輸,，用于支持視頻監(jiān)控及系統(tǒng)控制通訊等功能,。設計中采用RTP/RTCP 協(xié)議配合使用，由于無線網(wǎng)絡的不穩(wěn)定性,，加入了自適應幀碼率處理機制及QoS 處理機制,，保證了視頻圖像質(zhì)量和實時性要求。其基本過程是壓縮編碼完成后,，進行視頻預存緩沖處理,，對編碼數(shù)據(jù)進行RTP 封包處理，然后經(jīng)過USB總線傳輸?shù)?G 模塊中,，通過無線網(wǎng)絡進行發(fā)送,；接收數(shù)據(jù)完成后，進行命令解析處理,，判斷是否有自適應或重傳控制命令,，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整幀碼率以降低無線網(wǎng)絡傳輸負載，或者通過預存緩沖機制提取出丟失視頻數(shù)據(jù),，完成重傳數(shù)據(jù)傳輸,。

　　其3G 傳輸程序基本流程如圖4 所示。

　　圖4 3G 傳輸程序基本流程圖

　　3.4 GPS衛(wèi)星定位模塊

　　設計中使用GPS統(tǒng)一標準的NMEA（National Marine ElectronicsAssociation）協(xié)議完成通訊解析,，其主要實現(xiàn)了對GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的解析處理,，并實時傳輸?shù)竭h程服務器軟件上，以對本3G 無線移動監(jiān)控系統(tǒng)平臺實現(xiàn)其位置信息,、速度信息,、方向信息、可用衛(wèi)星數(shù)及狀態(tài)信息等進行實時監(jiān)控顯示，從而在地圖上標定出移動平臺的地理坐標,、移動軌跡及其狀態(tài)信息等,。

　　3.5 設備監(jiān)測模塊

　　本部分主要完成系統(tǒng)控制命令解析及其響應，以實現(xiàn)對云臺,、鏡頭等設備的控制,；各種報警事件的檢測與處理，如視頻丟失,、視頻遮擋,、移動偵測報警等功能；系統(tǒng)運行狀態(tài)檢測處理,，以實現(xiàn)系統(tǒng)運行出錯或崩潰的自動重啟,、系統(tǒng)程序的自動升級、系統(tǒng)程序的恢復出廠設置等功能,；系統(tǒng)運行權限及規(guī)則的檢測處理,，以實現(xiàn)對使用者的權限分級管理和操作規(guī)則的合法化。

　　4 結(jié)論

　　基于3G無線移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)進入內(nèi)部測試階段并且功能強大,，性能穩(wěn)定,，擴展性強，能夠很好的在3G 無線帶寬抖動中進行視頻監(jiān)控,，為移動視頻監(jiān)控應用打下了堅實的基礎,，如移動警車監(jiān)控系統(tǒng)等。本文提出一種基于TI DM6446 的3G 移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計方案,，并進行了系統(tǒng)硬件詳細設計和軟件模塊化詳細設計,。該系統(tǒng)很好的解決了在視頻監(jiān)控前段OSD 字幕信息添加和無線帶寬抖動的問題，從而使視頻監(jiān)控流暢穩(wěn)定,。