【正文】 1 第 1章 緒論 課題背景 視頻監(jiān)控以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于安防、交通、公安、銀行、水利等各個領(lǐng)域，幾乎覆蓋各行各業(yè)，視頻監(jiān)控的技術(shù)和手段也在不斷的發(fā)展和提高，尤其是近年來，隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展、 Inter的普及、多媒體處理手段的提高、 視頻壓縮技術(shù)的成熟 、 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使視頻監(jiān)控技術(shù)正 向全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展， 網(wǎng)絡(luò)攝像機（ WebCamera）越來越受到遠程監(jiān)控領(lǐng)域的關(guān)注。因此只要遠程計算機擁有相應(yīng)的訪問權(quán)限，即可實現(xiàn)跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控。在 DSP 出現(xiàn)以前，實時信號處理一般是在通用處理器中完成 的。 1980 年，日本 NEC 公司推出的μ PD7720 是第一個具有硬件乘法器的商用 DSP 芯片。T 公司的 DSP1 DSP32 等?？删幊?DSP 能給生產(chǎn)廠商提供較大的靈活性。雖然從理論上講浮點 DSP 的運算精度更高，動態(tài)范圍更大，但定點 DSP 器件的成本較低，對存儲器的要求也較低，而且耗電較省。在生產(chǎn)工藝上，采用 1μm 以下的 CMOS 制造工藝技術(shù)和砷化鎵集成電路制作技術(shù)，使集成度更高、速度更快、功耗更低，從而使高頻、高速的 DSP 處理器得到更大的發(fā)展。隨著芯片主頻的不斷攀升，存儲器的訪問速度日益成為系統(tǒng)性能提升的瓶頸。 此外，將 DSP 與 MCU 融合在一起的雙核平臺，將成為 DSP 技術(shù)發(fā)展的一種新潮流。通過TCP/IP 協(xié)議， 實現(xiàn)通過以太網(wǎng)與遠程 PC 進行網(wǎng)絡(luò)通信。 嵌入式 Inter 技術(shù)的出現(xiàn)歷史雖然不是 很長，但是發(fā)展速度卻非常 的快。因此，嵌入式 Inter 將有很好的發(fā)展前景和廣闊的市場，未來的 Inter 將由嵌入式 Inter 占主導(dǎo)地位。 emGateway 運行在計算機中， 應(yīng)用系統(tǒng)要通過 emGateway 與 Intemet聯(lián)接。 和 EMIT 相比不需要 PC 機作網(wǎng)關(guān)。 數(shù)字圖像編 碼技術(shù)的發(fā)展概況 數(shù)字信號有很多優(yōu)點，但當模擬信號數(shù)字化后其頻帶大大加寬，一路6MHz 的普通電視信號數(shù)字化后，其碼率將高達 167MbPs，對存儲器容量要求很大，占有的帶寬將達 80MHz 左右，這樣將使數(shù)字信號失去實用價值。 ITUT 與 ISO/IEC 是制定視頻編碼標準的兩大組織， ITUT 的標準包括 、 、 ，主要應(yīng)用于實時視頻通信領(lǐng)域，如可視電話、 會議電視。但實質(zhì)上 以及后來的 +和 ++己 5 發(fā)展成支持全碼率的應(yīng)用 ，這一點從它支持眾多的圖像格式就可以看出，如SubQCIF、 QCIF、 CIF、 4CIF 以及 16CIF 等格式。 的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強，增加了差錯恢復(fù)能力，能夠很好的適應(yīng) IP 和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，是目前最具有發(fā)展前景的視頻壓縮編碼標準。 MPEG2 特別適用于廣播級的數(shù)字電視的編碼和傳送，被認定為 SDTV 和 HDTV 的編碼標準。 低比特率是 MPEG4 的一個主要的目標，有關(guān)誤碼的校正，也給予了極大的關(guān)注，這將使 MPEG4 非常適合于易產(chǎn)生誤碼的環(huán)境中使用，例如個人手持式傳輸設(shè)備。 視頻監(jiān)控技術(shù)在中國的發(fā)展已有 10 年的歷史 6 了。傳統(tǒng)模擬圖像 監(jiān)視系統(tǒng)的主要優(yōu)點是圖 像清晰、不丟幀、延遲小。該種系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為：在監(jiān)控現(xiàn)場，有攝像頭、檢測和報警設(shè)備等，通過各自的傳輸線路連接到監(jiān)控終端。嵌入式 Web 服務(wù)器的主要原理是，視頻服器內(nèi)嵌入一個 Web 服務(wù)器，攝像機送來的視頻信號經(jīng)數(shù)字化后進行壓縮編碼，通過內(nèi)部總線傳到 Web 服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)上的用戶可以通過專用軟件觀看攝像機圖像，授權(quán)用戶還可以控制攝像機云臺鏡頭的動作或?qū)ο到y(tǒng)進行配置。很多國內(nèi)廠商一味追求某一特性的優(yōu)越而忽視或干脆放棄了其它方面的性能，如有些廠商在設(shè)計初期，為了能使傳輸延遲降到最低，在視頻編碼壓縮上加大了壓縮比率，盡管傳輸速度和延遲性能得到了很大提高，但監(jiān)控圖像的整體清晰度和圖像質(zhì)量大打折扣。它 配備 了 10/100BASET 的 LAN 端口，采用 1/3 英寸的 CCD 鏡頭，分辨率可達到 640 480，最高刷新幀率為 30fps。除了索尼公司的 SNCCS50P 之外，還有松下 KXHCM280、三星 SNCL200P/SNCL200WP、安特 ANTNWC10/50/100、瑞典 AXIS 的 AXIS22xx 系列等。而與知名企業(yè)不同，部分本地品牌依托自己靈活的應(yīng)變能力以及良好的性價比，也在市場上獲得了不錯發(fā)展，并占領(lǐng)了不少的市場份額。 本課題主要研究內(nèi)容 及工作 基于以上 的 分析，本文提出了 基于 TI 公司 DM642 的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機系統(tǒng)設(shè)計方案。 本文 所 提出 的 網(wǎng)絡(luò)攝像機 系統(tǒng)，是可以 脫離 PC 獨立工作 的 。 第三，對 設(shè)計好的系統(tǒng) 進行驅(qū)動程序的開發(fā)。 第五 ，設(shè)計 帶有網(wǎng)絡(luò)通信功能的應(yīng)用程序， 實現(xiàn) 視頻 數(shù)據(jù)在 客戶端的呈現(xiàn)。 本文第 1 章是緒論部分，即引言。 本文的第 2 章主要介紹了數(shù)字信號處理器的結(jié)構(gòu)及原理，以及重點講述了 9 本文將要采用的一款 DSP 芯片 — TMS320DM642。重點講述了實時視頻傳輸?shù)乃惴ǚ治龊头桨笇崿F(xiàn)。 本文的第 5 章是對系統(tǒng)軟件部分設(shè)計的分析。論文最后對本 系統(tǒng)的設(shè)計進行了總結(jié)并提出了改進方向。諾依曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點是 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器相互 獨立編址，獨立訪問。 第二，多級的流水線操作。同時，指令并行運行的條件在不斷降低，指令的范圍也在不斷擴大。為此 DSP 芯片采用專用的硬件乘法器，使得乘法運算能夠在一個指令周期內(nèi)完成。加法、減法、比較、移位、最大 /最小值、絕對值運算以及延 遲操作等都可以由一系列特殊指令實現(xiàn)， 極大的提高了性能 和效率 。 TMS320 系列處理器的指令周期已經(jīng)從第一代的 200ns 降低至現(xiàn)在的 5ns 以下。各公司主要芯片產(chǎn)品如表 21 所示 [6]。 12 表 21 典型 DSP 芯片產(chǎn)品 Table 21 Typical Products of DSPChip 生產(chǎn)廠家 主要產(chǎn)品系列 定點位數(shù) 主要應(yīng)用 TI TMS320C6000 32 面 向高端應(yīng)用，最適合寬帶網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字影像應(yīng)用。 TMS320C20xx 16/32 主要針對控制應(yīng)用。 13 增強型DMA控制器64通道EDMAE M I F A 6 4P C I 6 6 取 H P I 3 2取H P I 1 6 + E M A C2 0 b i t V P 2o r 2 1 0 b i t V P 2P L LT I M E R 1T I M E R 2T I M E R 3L2 Cache/存取器 256K字取SRAM2 0 b i t V P 0o r2 1 0 b i t V P 01 0 b i t V P 0 a n dM c B S P 0 o r M c A S P2 0 b i t V P 1o r2 1 0 b i t V P 11 0 b i t V P 1 a n dM c B S P 1 o r M c A S PL 1 P 取 取 C a c h e 1 6 KL 1 D 取 取 C a c h e 1 6 KG P I OC 6 4 x D S P C o r e取取取取T M S 3 2 0 D M 6 4 2 D S P取 取取 取 取 取取 取 取 取取 取 取取 取取 取 取 取取 取 取 A取 取2 圖 22 DM642 芯片結(jié)構(gòu) Chip Structure of DM642 DM642 采用兩級緩存結(jié)構(gòu)，第一級包括相互獨立的 L1P（ 16K 字節(jié) ） 和L1D（ 16K 字節(jié) ） ，只能作為高速緩存使用。 DM642 芯片外設(shè)包括三個可以配置的視頻口，一個多通道音頻串行端口（ McASP），兩個多通道串口（ McBSP）， 64bit 的外部存儲單元接口 EMIF，66MHz32bit， 的 PCI 主 /從接口， 10/100Mbps 以太網(wǎng)接口（ EMAC）及通用 I/O 端口（ GPIO）等外圍接口。 DM642 圖像視頻接口 DM642 擁有三個可配置的視頻端口設(shè)備（ VP0、 VP VP2） 。下面是這兩種模式的主要技術(shù)性能 [8]。其中 EMAC 控制PHY 與 DM642 之間的數(shù)據(jù)包的交換， MDIO 控制 PHY 的配置與狀態(tài)的檢測。 256 39。由于在視頻監(jiān)控中，前景有時比背景圖像重要，因此可以采用式 (22)定義幀的失真度 [11]。 峰值信噪比（ PSNR） 宏塊峰值信噪比定義如式 (23)所示 [12]。 39。2 , , , , 1 , , 1( ) ( )x y x y x y x y x yV M M M M? ? ? ? (25) 式中 V1 為水平方向上的邊界差值，只對宏塊左右邊界的像素計算， V2 為豎直方向上的編輯誒差值，只對宏塊上下邊界的像素計算，塊效應(yīng) B 定義為宏塊中各邊界差值的均值。 17 本章小結(jié) 本章 介紹了數(shù)字信號處理器的特點， 分析了 DSP 的 性能比較，闡述了 本系統(tǒng)選擇 DM642 的依據(jù)。通過本章的敘述 ， 對今后開發(fā)DSP 產(chǎn)品打下理論基礎(chǔ)。 表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù) 據(jù) 鏈 路 層物 理 層應(yīng) 用 層比 特 流 傳 輸物 理 層 控 制地 址 和 最 佳 路 由端 到 端 連 接協(xié) 調(diào) 連 接數(shù) 據(jù) 描 述協(xié) 議 傳 輸 圖 31 OSI 七層模型及其功能 Function of OSI SevenLayer Model 協(xié)議分層大大簡化了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 的復(fù)雜性，這實際也是自頂向下、逐步細化的程序設(shè)計方法的很好的應(yīng)用。數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是提供對物理層的控制，檢測并糾正可能出現(xiàn)的錯誤，使之對網(wǎng)絡(luò)層顯現(xiàn)一條無錯線路 。表示層關(guān)注于所傳輸?shù)男畔⒌恼Z法和意義 。 TCP/IP 協(xié)議 TCP/IP 協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) 與 OSI 參考模型不同， TCP/IP 模型更側(cè)重于互聯(lián)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送，而不是嚴格的功能層次劃分。 如圖 32 所示 [17]。它是 TCP/IP 協(xié)議棧中最重要的一層，主要功能是可以把源主機上的分組發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)中的任何一臺目標主機上。要注意有些應(yīng)用層協(xié)議是基于 TCP 協(xié)議的 （ 如 FTP 和 HTTP 等 ） ，有些應(yīng)用層協(xié)議 是基于 UDP 協(xié)議的 （ 如 SNMP 等 ） 。 21 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議分析 IP 協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)層主要 由以下協(xié)議組成： ICMP、 IP 和 IGMP，其中 IP 是TCP/IP 協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。這種方式看似簡單，易于實現(xiàn)，但其最大的缺點是如果不能保證虛電路中沿途經(jīng)過的節(jié)點都能可靠地發(fā)送數(shù)據(jù)，就可能使網(wǎng)絡(luò)崩潰。無連接方式的優(yōu)點是顯而易見的，源端和目標端之間的通信可以通 過多條通路進行，而不依賴于某一條通路，因此可靠性和通信效率高。如果在 IP 數(shù)據(jù)包的傳輸過程中，某個網(wǎng)關(guān)因為某種原因無法轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)包，數(shù) 據(jù)包就會被丟棄。它使我們在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時知道故障的具體原因與位置。 23 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 UDP UDP 協(xié)議在工作時是建立在 IP 協(xié)議之上的，UDP 從進程的緩沖區(qū)接收進程每一次產(chǎn)生的輸出，對每次輸出都生成一個UDP 數(shù)據(jù)報，然后把生成的 UDP 數(shù)據(jù)報直接封裝在 IP 數(shù)據(jù)報中進行傳輸，因此在傳輸層使用 UDP 協(xié)議時，發(fā)送端不需要發(fā)送緩沖區(qū)。 下面從建立連接 、 關(guān)閉連接 和 重發(fā)機制 三 個方面進行分析 [23,24]。 第二，關(guān)閉連接。 第 一 次 握 手第 三 次 握 手第 二 次 握 手網(wǎng) 絡(luò) 報 文客 戶 端 進 程 服 務(wù) 器 進 程發(fā) 送 S Y N接 收 S Y N發(fā) 送 S Y N + A C K接 收 S Y N + A C K發(fā) 送 A C K接 收 A C K第 一 次 握 手第 四 次 握 手第 二 次 握 手網(wǎng) 絡(luò) 報 文客 戶 端 進 程 服 務(wù) 器 進 程發(fā) 送 F I N接 收 F I N接 收 A C K接 收 S Y N接 收 A C K發(fā) 送 A C K第 三 次 握 手發(fā) 送 S Y N發(fā) 送 A C K 圖 36 TCP 連接的建立與關(guān)閉 TCP Connection’s Establishment and Closing 24 第三 ，重發(fā)機制。 TCP與 UDP的比較 下面對這兩個協(xié)議進行一下比較，見表 31[26]。當應(yīng)用程序開始一個 RTP 會話時將使用兩個端口：一個給RTP，一個給 RTCP。 RTCP（ Realtime Transport Control Protocol） 和RTP 一起提供流量控制和擁塞 控制服務(wù)。