【正文】 大，功耗也稍大。 由于本系統(tǒng)是運用于視頻采集壓縮系統(tǒng)，因此其特性直接決定了視頻采集壓縮系統(tǒng)核心 DSP 所需要具備的性能。其功能特點包括：音視頻錄象、音視頻檢索與回放、壓縮、傳輸?shù)鹊取? 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設計 第 7 頁 共 83 頁 （ 1） 系統(tǒng)要能夠實時壓縮多路信號并傳輸?shù)揭曨l服務器，就必須采用高壓縮比的壓縮算法。當前廣泛應用的 算法 和 MPEG4 算法 以及最新的比 節(jié)省 50%碼率的 標準都對 DSP 芯片的計算能力提出了巨大的挑戰(zhàn)。 （ 2） 系統(tǒng)的管理是基于對網(wǎng)絡視頻服務器 IP 地址的列表管理，監(jiān)控端軟件能夠連接所有的前端網(wǎng)絡 視頻服務器，并將其 IP 地址列入管理清單；用戶還能夠任意選擇區(qū)域內(nèi)的音視頻通道。同時，系統(tǒng)需要提供報警功能，當監(jiān)視區(qū)域有異常情況時，監(jiān)控端主機會及時以聲像報警，并可控制外接警報器報警和控制現(xiàn)場設備實現(xiàn)報警聯(lián)動。此外，在一般情況下，攝像機采用定焦距、定方向的固定方式，但在光照度變化大的場所應選用自動光圈鏡頭，大范圍監(jiān)控區(qū)域宜選用帶有轉動云臺和可變鏡頭的攝像機。監(jiān)控中心通過控制端軟件，能夠控制遠端攝像機鏡頭和云臺的轉動。 以上這些特性決定了 DSP 芯片需要具備豐富的外設資源，以滿足網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的需要。 綜合以上兩點 考慮，本系統(tǒng)采用 TI 公司 DM64x 系列中性能較高的 DM642芯片。 DM642 強大的計算能力和指令集功能、豐富的片上外設以及齊備的開發(fā)資料完全滿足系統(tǒng)的設計及應用要求。 基于 TMS320DM642 的 視頻采集壓縮系統(tǒng) 的總體方案 TMS320DM642是 TI公司 C6000系列 DSP最新的定點 DSP，其核心是 C6416型高性能數(shù)字信號處理器，具有極強的處理性能，高度的靈活性和可編程性，同時外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡通信等設備及接口，特別適用于機器視覺、醫(yī)學成像、網(wǎng)絡視頻監(jiān)控、數(shù)字廣播以及基于數(shù)字視 頻 /圖像處理的消費類電子產(chǎn)品等高速 DSP 應用領域。 本課題 針對市場客戶的需求，設計并實現(xiàn)了一款以 TVP5150 為視頻輸入解碼器，以 TLV320AIC23B 為音頻輸入采集電路，以 TMS320DM642 型 DSP 為核心處理器的多路視頻采集兼壓縮處理 PCI 板卡， 以 RTL8019AS 為網(wǎng)卡芯片， 并將其應用于構建高穩(wěn)定性 的 多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。 基于 TMS320DM642 的視頻采集壓縮系統(tǒng)的硬件框圖如圖 1 所示。 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設計 第 8 頁 共 83 頁 系統(tǒng)的設計目標為 4 路網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)。每個攝像頭采集到的視頻信號經(jīng)過視 頻 A/D 芯片轉換為 DM642 視頻口識別的 的視頻流格式， 4 路音頻 LINE_IN 信號由音頻 A/D 轉換后通過 IIS 接口與 DM642 相連。 DM642 芯片對輸入的音視頻流進行壓縮編碼，編碼后的音視頻流通過以太網(wǎng)口 (EMAC)發(fā)送給遠端的視頻服務器，從而實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控。 圖 １ 基于 TMS320DM642 的視頻采集壓縮系統(tǒng)的硬件框圖 DSP 開發(fā)平臺所 涉及 的關鍵技術 及其方案選型 視頻解碼 TVP5150是一種低功耗芯片，正常工作時的功耗 為 113mW,在 節(jié)電模式下得功耗為 1mW，該芯片內(nèi)核電源電壓為 ，輸入 /輸出電源電壓為 。 TVP5150芯片的引腳定義如圖 2所示，它是一種 32引腳 TQFP封裝的芯片，外部時鐘頻率 27MHz，通過 I2C接口配置 內(nèi)部的寄存器。 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設計 第 9 頁 共 83 頁 圖 2 TVP5150芯片引腳定義 音頻編解碼 DM642的音頻接口外部需要接音頻解碼芯片或者音頻編碼芯片，通過編解碼芯片的 D/A或者 A/D進行 模擬音頻信號和數(shù)字音頻信號之間的轉化。 TLV320AIC23B是一款高性能的立體聲音頻編解碼芯片。片上帶有耳機輸 出放大器，支持 MIC和 LINE IN兩種方式，輸入和輸出可增益編程。 TLV320AIC23B芯片集成了基于 Sigmadelta采樣技術的 A/D轉換電路和 D/A轉換電路，可在 8K或96K采樣速度下提供 16位、 20位、 24位或 32位的采樣數(shù)據(jù)， A/D和 D/A的信噪比可以達到 90dB或 100dB。 TLV320AIC23B芯片是一種低功耗器件，回放模式下功耗僅為 23mW，省電模式下功耗小于 15μ W。 TLV320AIC23B芯片的數(shù)字音頻接口包括了 LRCIN、 DIN、 LRCOUT、 DOUT和 BCLK等引腳。 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設計 第 10 頁 共 83 頁 圖 3 TLV320AIC23B芯片引腳定義 本系統(tǒng)的壓縮方案及 視頻壓縮的標準 視頻壓縮通過減少和去除冗余視頻數(shù)據(jù)的方式，達到有效發(fā)送和存儲數(shù)字視頻文件的目的。在壓縮過程中，需要應用壓縮算法對源視頻進行壓縮以創(chuàng)建壓縮文件，以便進行傳輸和存儲。要想播放壓縮文件，則需要應用相反的解壓縮算法對視頻進行還原，還原后的視頻內(nèi)容與原始的源視頻內(nèi)容幾乎完全相同。壓縮、發(fā)送、解壓縮和顯示文件所需的時間稱為延時。在相同處理能力下，壓縮算法越高級，延時就越長。 視頻編解碼器（編碼器 /解碼器）是指兩個協(xié)同運行的壓縮 解壓 算法。使用不同標準的視頻編解碼器通常彼此之間互不兼容；也就是說，使用一種標準進行壓縮的視頻內(nèi)容無法使用另外一種標準進行解壓縮。例如， MPEG4 Part 2解碼器就不能與 。這是因為一種算法無法正確地對另外一個算法的輸出信號進行解碼，然而我們可以在同一軟件或硬件中使用多種不同的算法，以支持對多種格式的文件進行壓縮。 由于不同的視頻壓縮標準會使用不同的方法來減少數(shù)據(jù)量，因此壓縮結果在比特率、質(zhì)量和延時方面也各不相同。 ITUR 國際電信聯(lián)盟的無線通信部門（ ITUR）制定 的標準。嚴格來說， ITUR 應該是隸屬 ITUR 的一個子協(xié)議。 ITUR 則是ITUR 附件 A 中的數(shù)字接口標準，用于主要數(shù)字視頻設備 (包括芯片 )之間采用 27Mhzs 并口 或 243Mbs 串行接口的數(shù)字傳輸接口標準。 ITUR 視頻 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設計 第 11 頁 共 83 頁 數(shù)據(jù)流包括圖像亮度 Y 和色度 Cb、 Cr 信息， Y、 Cb、 Cr 3 個分量在 ITUR 視頻流數(shù)據(jù)中的比例為 4:2:2。 擁有 8/10 位數(shù)據(jù)傳輸 ， 不需要同步信號 。特點是先傳 Y，后傳 UV，同時 行場同步信號嵌入在數(shù)據(jù)流中 。 它 包含 了 三部分 ： （ 1） 視頻信號 （ 2） 定時基準信號： 有兩個定時基準信號，一個在每個視頻數(shù)據(jù)塊的開始 (Start of ActiveVideo，SAV)，另一個在每個視頻數(shù)據(jù)塊的結束 (End of Active Video， EAV)；每個定時基準信號由 4 個字的序列組成，格式如下： FF 00 00 XY（ 16 進制）頭三個是固定前綴，第 4 個字包含定義第二場標識、場消隱狀態(tài)和行消隱狀態(tài)的信息。 （ 3） 輔助信號： 輔助數(shù)據(jù)信號可以以 10 比特形式只在行消隱 間距 傳送，還可以以 8 比特形式只在場消隱中 的行的有效 間距中 傳送。 ITUR 視頻數(shù)據(jù)流通常采用隔行掃描技術，包括上下兩場，根據(jù)場頻和每場圖像包含的行數(shù)，可分為 4 種視頻格式 表 1 視頻數(shù)據(jù)格式 頻率 /線數(shù) 奇數(shù)場線數(shù) 偶數(shù)場線數(shù) 像素數(shù) /行 場頻 60Hz/525 線 240 240 640 60 60Hz/525 線 244 243 720 60 50Hz/625 線 288 288 768 50 50Hz/625 線 288 288 720 50 視頻網(wǎng)絡傳輸技術 及實現(xiàn) 近些年來，多媒體技術、網(wǎng)絡技術和無線 通信技術的迅速發(fā)展為相互之間的交叉融合奠定了基礎，也使得其成為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。傳統(tǒng)的 Inter主要提供數(shù)據(jù)業(yè)務，無線通信主要提供語音業(yè)務，而多媒體技術的日新月異，使得文本、語音、圖形、圖像和視頻綜合進入 Inter和無線通信領域的需求日益增長。其中，視頻應用以其高數(shù)據(jù)量，實時性強等特點，給學術界和工業(yè)界提出了巨大的挑戰(zhàn)，也成為研究的熱點和難點。 本文研究并總結了在 Inter和無線信道上傳輸圖像和視頻的各種主流技術，具體的研究內(nèi)容如下： 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設計 第 12 頁 共 83 頁 （ 1） 從圖像和視頻的壓縮編碼方面介紹了傳統(tǒng)的編 碼技術和可伸縮性的編碼技術。重點分析了離散余弦變換、小波變換、匹配追尋算法、精細可伸縮性算法和漸進精細可伸縮性算法等具有代表性的算法。 （ 2） 從網(wǎng)絡的傳輸控制方面介紹了差錯控制和擁塞控制。重點分析了前向糾錯、重傳、容錯性編碼、差錯掩蓋、速率控制和速率成型等技術。 （ 3） 從與視頻傳輸相關的網(wǎng)絡協(xié)議方面介紹了包括網(wǎng)絡層協(xié)議 IP，傳輸層協(xié)議 UDP、 TCP、 RTP和 RTCP，任務控制協(xié)議 RTSP、 RSVP和 SIP，以及在 Inter上傳輸 MPEG4視頻流的端到端結構中的協(xié)議棧。 （ 4） 提出并實驗了基于圖像的 全局 DCT變換的位平面編碼，給出了具體的實驗結果，并作了相應的分析。介紹了網(wǎng)絡仿真環(huán)境 Network Simulator 2，并用它實現(xiàn)了基本的網(wǎng)絡仿真實驗。 本系統(tǒng)中使用 8019 實現(xiàn) UDP 協(xié)議 RTL8019AS 是高度集成以太網(wǎng)控制器，它能夠簡單的解答即插即用 NE2020兼容適配器，這種適配器具有二重和功率下降特性。通過三電平控制特性，RTL8019AS 是已制的對網(wǎng)絡設備 GREEN PC 理想的選擇。全二重功能能夠模擬傳播和接收在雙絞線到全二重以太網(wǎng)交換機。這個特性不僅強帶寬從 10 到20MBPS，而且避免了由于以太網(wǎng)頻道爭奪特性導致的讀出多路存取協(xié)議的問題。微軟公司的即插即用功能能減輕用戶較差的營業(yè)收入而注意適配器資源，如IRQ,輸入輸出，和存儲器地址等等。然而，為了特殊的應用而得不到即插即用功能的兼容性， RTL8019AS 支持 JUMPER 和 JUMPERLESS 選項。 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設計 第 13 頁 共 83 頁 圖 4 RTL8019AS芯片引腳定義 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設計 第 14 頁 共 83 頁 3 DSP 系統(tǒng)硬件設計 視頻處理系統(tǒng)主要就是視頻和音頻的采集、數(shù)據(jù)處理、視頻 壓縮 、 傳輸 等。本系統(tǒng)是一個基于 DSP 的視頻采集要 求對視頻信號具備采集，實時 處理 ， 壓縮傳輸 。因此一個視頻采集通?？捎扇缦虏糠謽嫵桑阂曨l圖像的采集、處理，音頻信號的處理，各種同步邏輯控制，視頻和音頻數(shù)據(jù)的存儲，系統(tǒng)電源管理 ，視頻的壓縮傳輸 等。 主處理器 TMS320DM642 TMS320DM642 芯片屬于 TI 公司的 C64x 系列 DSP，是 TI 公司著重推出的超強多媒體處理器。該 DSP 芯片為 548 腳 BGA 封裝，高度集成化；并且為了滿足視頻處理的需要，該芯片內(nèi)部采用 Cache 結構，支持兩極 Cache：其中第一級 Cache 對開發(fā)人員來說是不可見的，而第二級的 Cache 大小是可配置的，芯片自動完成這兩級 Cache 之間數(shù)據(jù)一致性的維護。這兩級 Cache 的支持大大提高了 CPU 的執(zhí)行效率。 圖 5 TMS320DM642 內(nèi)部結構圖 TMS320DM642 的硬件架構 TMS320DM642 采用第二代高性能、先進的超長指令字 veloci 結構的 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設計 第 15 頁 共 83 頁 DSP 核及增強的并行機制，當工作在 720M 赫茲的時鐘頻率下，其處理性能最高可達 5760MI/s，使得該款 DSP 成為數(shù)字媒體解決方案的首選產(chǎn)品，它不僅擁有高速控制器的操作靈活性，而且具有陣列處理器的數(shù)字處理能 力，TMS320DM642 的外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡通信接口。 TMS320DM642 的主要特點如下 : 3 個可配置的視頻端口（ VPORT0－ 2）能夠與通用的視頻編、解碼器實現(xiàn)無縫連接，支持多種視頻分辨率及視頻標準，支持 RAW 視頻輸入 /輸出，傳輸流模式； 1 個 10/100Mb/s 以太網(wǎng)接口（ EMAC），符合 IEEE 標準； 1 個多通道帶緩沖音頻串行端口（ McASP），支持 I2S， DIT， S/PDIF，IEC609581， AES CP430