【正文】 . . . .. .1 緒論視頻采集技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)品正經(jīng)歷著由模擬化向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的變革。并在科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源的遙感探測(cè)、交通運(yùn)輸、空間探測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用愈發(fā)廣泛。數(shù)字視頻采集壓縮傳輸系統(tǒng)不僅符合信息產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，而且代表了行業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向，蘊(yùn)藏著巨大的商機(jī)和經(jīng)濟(jì)效益，成為目前信息產(chǎn)業(yè)中頗受關(guān)注的數(shù)字化產(chǎn)品。隨著技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣闊，其普及率也越來(lái)越高，應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到航空航天器材，比如飛機(jī)，小到日常所使用的電子產(chǎn)品，比如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。DSP在當(dāng)今電子類產(chǎn)品中起了不可或缺的作用。TMS320DM642是TI公司于2003年左右推出的一款32位定點(diǎn)DSP芯片，主要面向數(shù)字媒體，屬于C6000系列DSP芯片。DM642保留了C64x原有的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，工作頻率由內(nèi)部倍頻器設(shè)置，可以達(dá)到500MHz、600MHz或720MHz，相應(yīng)的時(shí)鐘周期為2ns、每秒可執(zhí)行指令數(shù)4000 MIPS、4800 MIPS和5760MIPS。DM642采用TI公司第2代增強(qiáng)型超長(zhǎng)指令集，它的EMIFA接口數(shù)據(jù)總線寬度為64位，最高數(shù)據(jù)存取頻率133MHz，可直接與大容量、低成本的SDRAM芯片無(wú)縫連接。DM642片上帶有3個(gè)雙通道數(shù)字視頻口，可同時(shí)處理多路數(shù)字視頻流，片上帶有多通道串行音頻接口，可同時(shí)處理4路立體聲輸入/輸出音頻信號(hào)。DM642擁有I178。C設(shè)備的寄存器，DM642的網(wǎng)口、PCI口和HPI口共享引腳。當(dāng)前在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上，對(duì)視頻數(shù)據(jù)的采集壓縮主要有三種方式：基于PC機(jī)的視頻采集壓縮系統(tǒng)、基于專用視頻壓縮芯片的視頻處理系統(tǒng)和基于高速通用視頻處理DSP的視頻壓縮系統(tǒng)。在現(xiàn)今以高速化為要求的視頻采集技術(shù)中，前兩種技術(shù)難以滿足實(shí)時(shí)處理的要求。基于高速通用視頻處理DSP的視頻壓縮系統(tǒng)成為新一代網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主流。實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題是如何解決圖像信號(hào)的壓縮編碼和壓縮后圖像數(shù)據(jù)的傳輸。目前視頻處理DSP芯片的性能非常強(qiáng)大,并且價(jià)格是可以接受的，采用DSP來(lái)進(jìn)行圖像的壓縮編碼是可行的。與此同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及與推廣，以太網(wǎng)通信速率的提高和交換技術(shù)的發(fā)展使它得到了迅速發(fā)展和普及。目前，以太網(wǎng)技術(shù)己無(wú)可爭(zhēng)議地成為主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 課題研究的目的及意義本論文以TI公司高性能的32位定點(diǎn)TMS320DM642為中央處理器實(shí)現(xiàn)了嵌入式的視頻采集系統(tǒng)，利用DSP將攝像頭獲取的圖像進(jìn)行壓縮，處理，傳輸?shù)浇K端。整個(gè)除了具有圖像采集，圖像壓縮功能之外，還加入了本地大容量存儲(chǔ)模塊以及網(wǎng)絡(luò)接口模塊，具備了較完整的視頻處理所需要的功能。與其他多處理器實(shí)現(xiàn)方式不同的是，TMS320DM642片內(nèi)集成了視頻和網(wǎng)絡(luò)外設(shè)接口，系統(tǒng)的軟件處理工作可以全部都由DM642完成，從而減少了嵌入式視頻系統(tǒng)的成本和開發(fā)難度。，并使用8019實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議。本文比較系統(tǒng)地描述了系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)組成模塊進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，使用protel 99se設(shè)計(jì)電路原理圖和PCB圖，主要包括視頻采集，視頻處理，視頻輸出，音頻輸入/輸出、網(wǎng)絡(luò)傳輸串口等模塊，并針對(duì)DM642高速CPU，分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。我國(guó)基于嵌入式技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻采集壓縮傳輸系統(tǒng)剛剛起步，所以研究并開發(fā)一種基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻采集壓縮傳輸系統(tǒng)具有很大的工程實(shí)際意義?；贒PS的視頻采集系統(tǒng)，由于可以靈活地修改其圖像處理算法，它的應(yīng)用主要面向用戶的特定需求和對(duì)實(shí)時(shí)性有較高要求的場(chǎng)合。因此，有理由相信在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建視頻圖像采集，處理及壓縮傳輸系統(tǒng)具有廣闊的市場(chǎng)前景。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)在采集系統(tǒng)中，應(yīng)用了基于DSP的圖像處理技術(shù)，特別是在圖像的模式識(shí)別問(wèn)題上充分發(fā)揮了DSP的硬件結(jié)構(gòu)和具有特色的編程指令。圖像模式識(shí)別的典型算法是卷積運(yùn)算，即乘累加，正好發(fā)揮DSP軟、硬件的特長(zhǎng)。傳統(tǒng)的處理方法是基于計(jì)算機(jī)的硬件和軟件的，計(jì)算機(jī)完成一次乘累加運(yùn)算需要11個(gè)機(jī)器周期，而 DSP 完成同樣的運(yùn)算只需1個(gè)機(jī)器周期。本系統(tǒng)采用 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)圖像的模式識(shí)別，提高了處理速度，解決了圖像處理過(guò)程中由于圖像識(shí)別速度慢而影響整個(gè)圖像的處理流程的實(shí)際問(wèn)題，收到了良好的效果。圖像處理技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)以及硬件技術(shù)的發(fā)展是緊密聯(lián)系的。最早發(fā)表有關(guān)計(jì)算機(jī)處理圖像信息的文章的時(shí)間要追溯到20世紀(jì)50年代，隨著計(jì)算機(jī)以及硬件技術(shù)的高速發(fā)展，性能大幅度提高，而價(jià)格卻大幅度下降，無(wú)疑推動(dòng)了圖像處理技術(shù)的發(fā)展，圖像處理系統(tǒng)的發(fā)展大致上可以劃分為四個(gè)階段。（1）圖像數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)發(fā)展的第一階段第一階段的時(shí)間大體上是20世紀(jì)60年代到80年代中期，這個(gè)時(shí)期的圖像處理系統(tǒng)采用機(jī)箱式結(jié)構(gòu)，主流計(jì)算機(jī)采用小型機(jī)，并采用雙屏操作方式，所以系統(tǒng)的體積比較大，功能也比較強(qiáng)，當(dāng)然價(jià)格也比較貴。當(dāng)時(shí)的代表是美國(guó)I2S公司推出的MODEL70、MODEL50圖像計(jì)算機(jī)，英國(guó)JOYCELOBEL公司推出的MAGISCAN圖像分析系統(tǒng)以及美國(guó)VICOM系統(tǒng)公司推出的VICOMVEM圖像處理工作站。（2）圖像處理系統(tǒng)發(fā)展的第二階段第二階段是的時(shí)間大體上是20世紀(jì)80年代中期到90年代初期，這個(gè)階段的主要特點(diǎn)是小型化，外形不再是機(jī)箱式而是插卡式，絕大部分都是采用PC系列微機(jī)構(gòu)成圖像處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)總線采用ISA總線，并采用雙屏操作方式。圖像卡的體積較小，一般圖像卡都是采用大規(guī)模集成電路甚至是制作專用集成電路，從而使價(jià)格降低了。這個(gè)時(shí)期的代表作是美國(guó)Imaging Technology公司推出的PCCISION圖像卡、PCVISIONPlus圖像卡，美國(guó)DT公司推出的DT2851圖像卡，加拿大MATROX公司的一系列圖像卡。（3）圖像處理系統(tǒng)發(fā)展的第三階段第三階段的時(shí)間大體上是從20世紀(jì)90年代初開始，這一階段圖像處理系統(tǒng)突出特點(diǎn)是單屏方式，以微機(jī)PCI總線（Peripheral Component Interconnect bus）為支持的單屏方式和以圖像壓縮傳輸為特點(diǎn)的圖像通信方式成為主流方式，但仍然主要是依靠微機(jī)來(lái)進(jìn)行圖像處理，在Windows平臺(tái)上編制圖像處理軟件包，這個(gè)時(shí)期的代表有美國(guó)Intel公司推出的MMX（多媒體指令系統(tǒng)）等。（4）基于DSP的圖像處理系統(tǒng)隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及，現(xiàn)代的圖像處理方式越來(lái)越向高速、小型、簡(jiǎn)潔的方向發(fā)展，圖像處理逐漸由專用、笨重的圖像處理機(jī)過(guò)渡到通用、小型的微型機(jī)方式，但是由于圖像的數(shù)據(jù)量很大，算法復(fù)雜程度高，人們經(jīng)常使用軟件來(lái)處理，軟件往往局限于計(jì)算機(jī)的配置，使得圖像處理速度比較慢、實(shí)時(shí)性差、價(jià)格高，不適宜在小規(guī)模、小環(huán)境內(nèi)使用。與此同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理各種算法日趨完善，特別是運(yùn)算能力的很強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的問(wèn)世，使現(xiàn)代圖像處理系統(tǒng)進(jìn)入了和計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合的全數(shù)字體制的階段。以DSP為核心的硬件系統(tǒng)同樣可以用來(lái)進(jìn)行圖像處理，為這個(gè)問(wèn)題的解決帶來(lái)了新的途徑。DSP的運(yùn)算速度和運(yùn)算精度不斷地提高，片內(nèi)的存儲(chǔ)容量不斷地加大，系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)處理能力以及與外部設(shè)備的通信功能不斷地增強(qiáng)，完全可以脫離 PC機(jī)開發(fā)出基于DSP的圖像系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活，成本比較低，便于實(shí)際中使用。 本課題研究的內(nèi)容提出了一種通用的基于DSP的視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，介紹了系統(tǒng)的軟件和硬件構(gòu)成，重點(diǎn)研究了系統(tǒng)軟件部分所涉及到的視頻采集處理，編解碼，圖像實(shí)時(shí)顯示與控制等關(guān)鍵視頻技術(shù)。完成的主要工作如下:（1）以TMS320DM642構(gòu)建成視頻采集的硬件系統(tǒng)。將TVP5150作為視頻采集芯片。（2）掌握8019網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議；（3）靈活運(yùn)用C6000系列DSP外圍電路的設(shè)計(jì)與開發(fā)，使用Protel 99se設(shè)計(jì)電路原理圖和PCB圖；（4）了解視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)壓縮與解壓方法，掌握其中一種解壓縮的編程，實(shí)現(xiàn)一個(gè)windows平臺(tái)下的圖像編碼。.（5）代碼移植，對(duì)代碼進(jìn)行修改，使之符合DSP編程需要，把代碼移植到DSP上，使之能在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。根據(jù)DSP處理芯片的特性對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，提高代碼性能。2 DSP系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的分析 數(shù)字信號(hào)處理器DSP（digital singnal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)通信需求正向多樣化、個(gè)人化方向發(fā)展。而無(wú)線數(shù)據(jù)通信作為向社會(huì)公眾迅速、準(zhǔn)確、安全、靈活、高效地提供數(shù)據(jù)交流的有力手段，其市場(chǎng)需求也日益迫切。正是在這種情況下，3G、4G通信才會(huì)不斷地被推出，但是無(wú)論是3G還是4G，未來(lái)通信都將離不開DSP技術(shù)（數(shù)字信號(hào)處理器)，DSP作為一種功能強(qiáng)大的特種微處理器,主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視像信號(hào)的高速數(shù)學(xué)運(yùn)算和實(shí)時(shí)處理方面，可以說(shuō)DSP將在未來(lái)通信領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用。 內(nèi)置數(shù)字信號(hào)處理器(DSP，DigitalSignalProcessor)是車載主機(jī)內(nèi)以邏輯電路對(duì)音視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行再加工處理的專用元件，是一個(gè)統(tǒng)稱名詞，包括數(shù)字效果器、EQ、3D環(huán)繞等等。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP，即DigitalSignalProcessor）是進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的專用芯片，是伴隨著微電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的新器件。　　數(shù)字信號(hào)處理器并非只局限于音視頻層面，它廣泛的應(yīng)用于通信與信息系統(tǒng)、信號(hào)與信息處理、自動(dòng)控制、雷達(dá)、軍事、航空航天、醫(yī)療、家用電器等許多領(lǐng)域。以往是采用通用的微處理器來(lái)完成大量數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，速度較慢，難以滿足實(shí)際需要；而同時(shí)使用位片式微處理器和快速并聯(lián)乘法器，曾經(jīng)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的有效途徑，但此方法器件較多，邏輯設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)復(fù)雜，耗電較大，價(jià)格昂貴。數(shù)字信號(hào)處理器DSP的出現(xiàn)，很好的解決了上述問(wèn)題。DSP可以快速的實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。對(duì)于車載主機(jī)而言，數(shù)字信號(hào)處理器DSP目前主要是提供特定的音場(chǎng)或效果，例如劇場(chǎng)、爵士樂(lè)等等，有些還能接收高清晰度(HD)無(wú)線電和衛(wèi)星無(wú)線電等等，以達(dá)到最大的視聽享受。數(shù)字信號(hào)處理器DSP增強(qiáng)了車載主機(jī)的性能和可用性，提高了音視頻質(zhì)量、提供了更多的靈活性和更快的設(shè)計(jì)周期。隨著技術(shù)的發(fā)展，相信以后還能提供更多的聽覺和視覺特效，而使車載主機(jī)成為車內(nèi)的高科技信息和娛樂(lè)中心。 DSP選型的依據(jù)參考了市場(chǎng)上主流的DSP芯片之后，現(xiàn)將其特點(diǎn)總結(jié)如下：Nexperia系列的PNX1300 DSP處理能力稍弱，PNX1500和PNX1700處理能力較強(qiáng)，而且其外設(shè)功能也較強(qiáng)，價(jià)格在同類產(chǎn)品中屬于中等。DM64X系列優(yōu)勢(shì)在于其計(jì)算能力和指令集功能都很強(qiáng)大，且片上外設(shè)豐富，資料齊全便于開發(fā)，缺點(diǎn)是芯片價(jià)格貴。Cradle公司的DSP處理能力強(qiáng)大，而且其I/O 外圍接口可編程，因此外設(shè)實(shí)現(xiàn)方便。但是，由于是多核芯片，所以協(xié)調(diào)難度較大，功耗也較大，芯片資料缺乏。ADI的Blackfin系列DSP體積小，功耗低，非常適合做手持式產(chǎn)品開發(fā)，價(jià)格便宜，但相比較Philips和TI的DSP，其劣勢(shì)在于能夠支持Blackfin的第三方算法較少。Equator的BSP系列芯片的優(yōu)點(diǎn)在于片上I/O接口豐富，完全采用C語(yǔ)言編程，靈活性高，價(jià)格也較低，但與同系列的Philips和TI的DSP相比，軟件開發(fā)難度較大，功耗也稍大。由于本系統(tǒng)是運(yùn)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(diǎn)包括：音視頻錄象、音視頻檢索與回放、壓縮、傳輸?shù)鹊取＃?）系統(tǒng)要能夠?qū)崟r(shí)壓縮多路信號(hào)并傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器，就必須采用高壓縮比的壓縮算法。%。（2）系統(tǒng)的管理是基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)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(luò)視頻服務(wù)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(shí)，系統(tǒng)需要提供報(bào)警功能，當(dāng)監(jiān)視區(qū)域有異常情況時(shí)，監(jiān)控端主機(jī)會(huì)及時(shí)以聲像報(bào)警，并可控制外接警報(bào)器報(bào)警和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)動(dòng)。此外，在一般情況下，攝像機(jī)采用定焦距、定方向的固定方式，但在光照度變化大的場(chǎng)所應(yīng)選用自動(dòng)光圈鏡頭，大范圍監(jiān)控區(qū)域宜選用帶有轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)和可變鏡頭的攝像機(jī)。監(jiān)控中心通過(guò)控制端軟件，能夠控制遠(yuǎn)端攝像機(jī)鏡頭和云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。以上這些特性決定了DSP芯片需要具備豐富的外設(shè)資源，以滿足網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的需要。綜合以上兩點(diǎn)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(qiáng)大的計(jì)算能力和指令集功能、豐富的片上外設(shè)以及齊備的開發(fā)資料完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)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(diǎn)DSP，其核心是C6416型高性能數(shù)字信號(hào)處理器，具有極強(qiáng)的處理性能，高度的靈活性和可編程性，同時(shí)外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)通信等設(shè)備及接口，特別適用于機(jī)器視覺、醫(yī)學(xué)成像、網(wǎng)絡(luò)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(fèi)類電子產(chǎn)品等高速DSP應(yīng)用領(lǐng)域。本課題針對(duì)市場(chǎng)客戶的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)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(yīng)用于構(gòu)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益?；?TMS320DM642 的視頻采集壓縮系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為 4 路網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。每個(gè)攝像頭采集到的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻 A/D