摘  要： 針對視頻監(jiān)控終端設備中的視頻實時顯示,、編碼數(shù)據(jù)本地存儲備份等雙重需求，設計了一種基于DM365視頻處理芯片,、H.264壓縮技術,、嵌入式Linux操作系統(tǒng)的雙碼流視頻監(jiān)控終端設備。給出了系統(tǒng)的總體軟硬件結構,，重點闡述了視頻處理子系統(tǒng)模塊（包括視頻前端采集模塊和視頻后端顯示模塊）以及視頻編碼模塊,。測試結果表明，系統(tǒng)實時監(jiān)測性能良好,，本地存儲的編碼數(shù)據(jù)清晰穩(wěn)定,，具有很強的實用性和廣闊的發(fā)展前景。

　　關鍵詞： 視頻監(jiān)控,；DM365,；ARM

0 引言

　　隨著網(wǎng)絡技術、視頻編解碼技術、信息處理技術在安防領域中的應用日趨成熟,，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展也從最初的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展到了如今的網(wǎng)絡數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1],。以往視頻圖像處理算法主要由DSP處理，但是隨著算法復雜度的增加及視頻分辨率的提高,，傳統(tǒng)DSP逐漸無法勝任這方面的工作[2],。為此，需要新的處理器架構來提高視頻算法的并行性與帶寬,。當前TI公司已經推出相關的異構處理器與多核DSP,；英偉達公司推出了最新的SoC芯片Tegra4，其內含4個Cortex．A15和72個GeForceGPU[3-4],。最新的SoC制程也已經達到28 nm,，幾乎取得了相當于PC的頻率帶寬。由于視頻的數(shù)據(jù)量大,，占用帶寬多,，這不僅對網(wǎng)絡是個不小的負擔，對圖像本地存儲備份的能力也有很大的影響,，所以就需要采取一種高效的壓縮算法對視頻進行編碼，以降低其所占用的網(wǎng)絡帶寬和存儲空間[5],。近年來,，H.264、MJPGE等算法的研究使得網(wǎng)絡較實時傳輸和本地存儲備份成為了可能,。最新的H.265壓縮算法的出現(xiàn)大大提高了視頻傳輸效率,，但這需要相應的處理器能力的提高[6]。

　　本文所設計的多路數(shù)據(jù)流視頻監(jiān)控終端設備基于TI公司的TMS320DM365芯片,，支持雙路不同分辨率大小的數(shù)據(jù)流,，分別實現(xiàn)兩種不同的功能，第一路數(shù)據(jù)流實現(xiàn)D1（720×576）分辨率大小H.264編碼數(shù)據(jù)的本地存儲備份,，第二路數(shù)據(jù)流實現(xiàn)QVGA（320×240）分辨率大小原始數(shù)據(jù)的實時顯示,。

1 系統(tǒng)總體設計框架

　　本文采用視頻采集芯片+多核芯片（ARM核+DSP核或編解碼協(xié)處理器組成）的方案來設計視頻監(jiān)控終端設備，這種方案將視頻采集芯片獲得的數(shù)據(jù)接入到多核芯片中,，再交由DSP核或編解碼協(xié)處理器完成視頻數(shù)據(jù)的編碼,，最終通過ARM核對系統(tǒng)進行控制，完成數(shù)據(jù)流的正確傳遞和其他必要操作,。這種方案成本較低,，性價比較高。

　　硬件框架方面,，選用了TI公司的基于DaVinci技術的TMS320DM365芯片作為處理器芯片,，以及同為TI公司出品的TVP5151芯片作為視頻前端采集芯片來搭建嵌入式視頻監(jiān)控設備。

　　系統(tǒng)硬件框架設計圖如圖1所示。

　　軟件框架方面,，采用多線程配合工作的方案進行設計,，多線程編程相較于多進程編程，它不僅在資源利用率方面有較大的優(yōu)勢,，同時也大大降低了程序員編程的難度,，加快了項目軟件的開發(fā)。

2 視頻處理子系統(tǒng)模塊

　　TMS320DM365芯片上提供了一個視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）,，用于視頻數(shù)據(jù)的實時采集,、播放等功能。VPSS內部集成了一個視頻處理前端模塊（VPFE）和一個視頻處理后端模塊（VPBE）,，VPFE用來控制接入的外部圖像采集設備,，如圖像傳感器、視頻解碼器等,，本系統(tǒng)接入了TVP5151視頻解碼器,。VPBE則用來控制接入的顯示設備，如標清的模擬電視顯示器,、數(shù)字的LCD液晶顯示屏等,，本系統(tǒng)接入了RGB565LCD液晶顯示屏。此外,，VPSS還集成了內存緩存區(qū)和DMA（直接內存訪問）控制器,，用來保證有效地利用DDR2或mDDR，控制突發(fā)帶寬,。

　　2.1 驅動配置

　　2.1.1 VPFE采集驅動的配置

　　VPFE采集驅動通過標準的V4L2接口將底層硬件的功能暴露給了上層應用程序,，這樣，應用程序就能通過控制V4L2設備（/dev/Video0）來獲取由連接到VPFE的視頻解碼器（如TVP5151）采集到的一幀原始數(shù)據(jù),。VPFE硬件模塊支持以下兩種不同的數(shù)據(jù)管道[7],，如圖2所示。

　?。?）輸入接口通過IPIPE接入到SDRAM,，所有型號的SoC都支持這個通道。

　?。?）輸入接口通過IPIPE接入到Previewer,，并最終從Resizer輸出兩種不同分辨率大小的視頻數(shù)據(jù)到SDRAM，從RSZ-A輸出的是原始分辨率大小的圖像,，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)編碼,，從RSZ-B輸出的是分辨率較小的圖像，用于后續(xù)的實時顯示,。

　　為了實現(xiàn)前文所述的視頻實時顯示功能,，通過VPFE驅動將VPFE硬件模塊配置成第二種數(shù)據(jù)流通道的采集方式,。

　　2.1.2 VPBE顯示驅動的配置

　　VPBE顯示驅動由更底層的V4L2（Video for Linux 2）驅動和FB（Frame Buffer）驅動構成，當內核加載V4L2驅動時,，它會向內核注冊/dev/Video2和/dev/Video3兩個設備,，而當內核加載FB驅動時，它會向內核注冊/dev/fb/0,、/dev/fb/1,、/dev/fb/2、/dev/fb/3 4個設備,，注冊的設備都對應了它們所能控制的圖層[8],，對應關系如表1所示。

　　可以通過設置系統(tǒng)啟動參數(shù)來決定VPBE驅動被加載時會向內核注冊的設備,，以此決定開啟的圖層以及圖層開啟后受何種設備控制[9],，例如，注冊/dev/fb/3設備,，VID1圖層將被開啟且只受/dev/fb/3設備控制,。在實際方案中，啟動參數(shù)指定VPBE向內核注冊/dev/Video2設備和/dev/fb/0設備,，分別開啟了VID0圖層和OSD0圖層,，其中VID0圖層受/dev/Video2設備控制，用于顯示采集到的視頻數(shù)據(jù),，而OSD0圖層受/dev/fb/0設備控制,，用于顯示QT等UI交互界面，其余圖層默認保持關閉狀態(tài),。

　　VID0圖層的數(shù)據(jù)和VID1圖層的數(shù)據(jù)會依次經過VPBE硬件模塊中的OSD部件和ENC部件,，最終由DAC模塊輸出模擬信號或者由LCD控制器輸出數(shù)字信號[10],，數(shù)據(jù)管道如圖3所示,。

　　在前文中已提到，LCD液晶屏被接入到了VPBE模塊,，所以VPBE驅動將VPBE硬件模塊配置成視頻數(shù)據(jù)由VID0圖層輸入,，并最終通過LCD控制器輸出到LCD液晶屏上。

　　2.2 應用程序設計

　　在VPFE驅動將VPFE硬件模塊配置為雙分辨率數(shù)據(jù)流的前提下,，將應用層程序設計為一路數(shù)據(jù)流用于視頻實時顯示,，另外一路數(shù)據(jù)流用于視頻編碼，Capture線程數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示,。

　?。?）第一路數(shù)據(jù)流

　　hCapture-->hCapBuf-->hDstBuf（D1：720x576）-->hOutFifo，用于視頻編碼存儲,。

　?。?）第二路數(shù)據(jù)流

　　hCapture-->hCapBuf-->hRzbBuf-->hDisBuf（QVGA：320x240）-->hDisplay,，用于視頻實時顯示。

　　hCapBuf緩存用于存放VPFE采集驅動采集到的原始視頻數(shù)據(jù),，存放著736×576大小的數(shù)據(jù),，hDstBuf緩存中的數(shù)據(jù)用于供后續(xù)視頻編碼存儲，存放著D1：720×576大小的數(shù)據(jù),，hDisBuf緩存中的數(shù)據(jù)用于供后續(xù)視頻顯示回放,，存放著QVGA：320×240大小的數(shù)據(jù)，hRzbBuf緩存中的數(shù)據(jù)用于供后續(xù)視頻編碼上傳,。

3 視頻編碼模塊

　　原始視頻數(shù)據(jù)的編解碼需要用到達芬奇軟件框架的Codec Engine（編解碼引擎）技術來實現(xiàn),。Codec Engine定義了一組VISA（Video Image Speech Audio）APIs接口供應用程序調用。DM365的高清視頻協(xié)處理器（HDVICP）封裝了相應的編解碼算法,，ARM處理器中的應用程序可以通過VISA-APIs接口對編解碼算法進行調用,。ARM處理器負責執(zhí)行應用程序，視頻協(xié)處理器負責執(zhí)行編解碼算法,，這樣不僅大大降低了ARM處理器的CPU占用率,，還能提高編解碼的效率。本文采用H.264編碼標準進行編碼,，需要調用相應的H.264算法實例,。

　　3.1視頻編碼接口

　　H.264是一種高性能的視頻編解碼標準，繼承了H.263和MPEG1/2/4視頻編碼器的優(yōu)點,。H.264標準中定義了兩個層次：視頻編碼層（VCL）和網(wǎng)絡抽象層（NAL）,，VCL負責高效的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)壓縮，NAL提供適當?shù)慕涌趯?shù)據(jù)進行打包和傳送,。

　　為了得到H.264格式的視頻流,，需要配置alg_server.cfg文件來實現(xiàn)對已經編譯算法的調用，文件配置如下：

　　var H264ENC=xdc.useModule（′ti.sdo.codecs.h264enc.ce.H264ENC′）,；//指定調用的算法

　　var myEngine=Engine.create（"alg_server",，[{name："h264enc"，mod：H264ENC,，local：true,，groupId：1}]）；

　　//創(chuàng)建引擎實例

　　在應用程序中能調用的接口函數(shù)有：VIDENC1_create,、VIDENC1_control,、VIDENC1_process和VIDENC1_delete，它們分別負責編碼實例的創(chuàng)建,、控制,、運行以及最終的清除。

　　3.2 應用程序設計

　　所設計的Video線程基于Capture線程,，Capture線程向Video線程輸入一路D1：720×576大小的數(shù)據(jù)流,，Video線程如圖5所示,。

4 測試結果

　　測試環(huán)境搭建方法如下：

　　（1）LCD液晶屏連接在以TMS320DM365為主芯片的產品板上,，TMS320DM365主芯片的CPU頻率為216 MHz,，板載Flash為1 GB，板載DDR2為128 MB,。

　?。?）本地備份的視頻數(shù)據(jù)文件存儲在SD卡中，文件格式為H.264,，文件大小為6.2 MB,，總時長為1 min，使用VLC播放器播放,。

　　經測試,，視頻監(jiān)控終端設備能實時地顯示攝像頭采集到的視頻畫面，顯示畫面大小為QVGA（320×240）,，如圖7（a）所示,。SD卡里存儲備份的視頻數(shù)據(jù)也成功紀錄了一段時間內的視頻畫面，分辨率大小為D1（720×       576）,，如圖7（b）所示,。

5 結論

　　本文設計實現(xiàn)了基于TMS320DM365硬件平臺的視頻監(jiān)控終端設備，該視頻監(jiān)控終端設備不僅具有數(shù)據(jù)采集功能,，而且還集成了本地存儲備份以及原始數(shù)據(jù)實時顯示等核心功能,。采用TMS320DM365的ARM+DSP雙核模式，提高了編碼效率以及傳輸效率,，通過測試發(fā)現(xiàn),，實時圖像清晰流暢，ARM資源占有率低,，可擴展性大,，滿足系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性的要求。

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