【文章內(nèi)容簡介】 EG2 不是 MPEGl的簡單升級，MPEG2 在系統(tǒng)和傳送方面作了更加詳細的規(guī)定和進一步的完善。 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。 MPEG4 也是由 ISO/IEC 下的“動態(tài)圖象專家組”制定的圖像壓縮編碼標準，于 1999 年初正式成為國際標準。它是一個適用于低傳輸速率應用的方案。實際上， MPEG4 對 64Kbis/s 以下、 64Kbis/s 至 384Kbis/s 和 384Kbis/s 至4Mbis/s 三種比特率范圍作了明確的最佳化處理 。 低比特率是 MPEG4 的一個主要的目標，有關誤碼的校正，也給予了極大的關注，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備。當然， MPEG4 標準也支持碼率高達 ，甚至碼率高達 量的類和級 。與 MPEG1 和 MPEG2 相比， MPEG4 更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性，它利用強大的工具開發(fā)出了全新的多媒體編碼概念，使之適用于互操作性和更大范圍內(nèi)的應用，己成 為 目前 廣泛使用的壓縮系統(tǒng) [3]。 我國視頻監(jiān)控技術 的發(fā)展概況 遠程視頻監(jiān)控是指遠端的監(jiān)控系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)對現(xiàn)場 系統(tǒng)進行監(jiān)測與控制，其目的在于突破地域和環(huán)境上的限制，實現(xiàn)集中和高層監(jiān)控，最終實現(xiàn)生產(chǎn)資源和社會資源的優(yōu)化配置。 視頻監(jiān)控技術在中國的發(fā)展已有 10 年的歷史 6 了。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了 以下 三個重要的階段 [4]。 第一階段， 傳統(tǒng)模擬圖像監(jiān)視系統(tǒng)。這是圖像監(jiān)控系統(tǒng)的早期實現(xiàn)方式，系統(tǒng)主要由攝像機、監(jiān)視器、視頻線纜、控制線纜等組成，采用模擬方式傳輸，因此傳輸距離較短，主要應用于小范圍監(jiān)控的場合。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。 但其功能單一、易受干擾、 成本較高、 無法升級、系統(tǒng)的擴展能力差，無法形成有效的報警聯(lián)動。 第二階段， 基于 PC 機的多媒體監(jiān)控系統(tǒng) ?；?PC 機的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)的產(chǎn)生得益于數(shù)字視頻壓縮編碼技術的日益成熟和微型計算機 PC 的普及化。該種系統(tǒng)的一般結構為：在監(jiān)控現(xiàn)場，有攝像頭、檢測和報警設備等，通過各自的傳輸線路連接到監(jiān)控終端。終端可以是一臺 PC 機，也可以是專用工業(yè)機箱組成的多媒體監(jiān)控終端。這種監(jiān)控系統(tǒng)功能較強，但穩(wěn)定性和安全性不夠好、施工布線工作量大，同時需要專業(yè)的軟件，開 發(fā)周期長、難度大，不利于日后升級和維護。 第三階段， 基于嵌入式 Web 服務器的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng) 。嵌入式 Web 服務器的主要原理是，視頻服器內(nèi)嵌入一個 Web 服務器，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 服務器，網(wǎng)絡上的用戶可以通過專用軟件觀看攝像機圖像，授權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。系統(tǒng)將視頻壓縮和 Web 功能集成到一個體積很小的設備內(nèi)，成本低、速度快，大大提高了圖像質(zhì)量和監(jiān)控效率，可以直接聯(lián)入以太網(wǎng)，布控區(qū)域廣，環(huán)境適應性強，性能穩(wěn)定可靠，無需專人管理，而且系 統(tǒng)擴展能力強，可組成非常復雜的監(jiān)控網(wǎng)絡。 盡管 視頻監(jiān)控技術在中國的 發(fā)展迅速，但 隨著社會化科技的進步和人們對產(chǎn)品功能的更高需求使得視頻監(jiān)控技術仍 有諸多瓶頸尚待“實質(zhì)性”突破。 談的最多的就是 網(wǎng)絡帶寬、圖像質(zhì)量、 傳輸 延時、軟件系統(tǒng)的兼容性和 產(chǎn)品 價格等問題， 在 這些問題 中 有些已經(jīng)得到改進，但 很多 都還沒有取得實質(zhì)性的突破。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。如何在網(wǎng)絡延遲和圖像質(zhì)量之間尋求一個平衡點，成為國內(nèi)該領域發(fā)展需要解決的一個重大課題。 7 網(wǎng)絡攝像機產(chǎn)品概況 在網(wǎng)絡攝像機產(chǎn)品的研發(fā)中，國外的起步較早， 市場上 較 為 成熟的嵌入式Web 網(wǎng)絡攝像機的產(chǎn)品 也很多。如索尼 公司 最近在 08 年 推出 的 SONY SNCCS50P。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。圖像壓縮采用 MPEG4 和 編碼 方式，可以變更任意區(qū)域的壓縮率。 SNCCS50P 無須通 過個人電腦便可以直接接入網(wǎng)絡?？梢岳猛ㄓ玫?Web 瀏覽器瀏覽影視畫面。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。這些產(chǎn)品一般均采用了 MPEG 編碼壓縮方式，以及支持多種網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，產(chǎn)品性能普遍 較好。 在國內(nèi)， ADSL 寬帶， GPON/EPOG 光纖寬帶在中國很多城市順利開通，架構起以 IP 為基礎的數(shù)據(jù)平臺，為網(wǎng)絡監(jiān)控提供了安全可靠的網(wǎng)絡環(huán)境。一些實力雄厚 并且掌握了核心技術的民族企業(yè)，在高端市場上牢牢地把持著自己的品牌地位，如華為、中興等。而與知名企業(yè)不同，部分本地品牌依托自己靈活的應變能力以及良好的性價比，也在市場上獲得了不錯發(fā)展，并占領了不少的市場份額。如安訊士等，非常注重產(chǎn)品的社會功用，對 產(chǎn)品的環(huán)保要求很高，要求給顧客提供的是高品質(zhì)，低耗能的產(chǎn)品。另外 大批的國內(nèi)廠商 根據(jù)自身實力及市場情況， 采取 了 OEM 的形式，其中亞安公司就是憑借 公司靈活的反映機制，極具競爭力的性價比，以及良好的售后服務贏得了市場，獲得了很大的發(fā)展。 目前，中國國內(nèi)網(wǎng)絡攝像機和視頻服務器 的生產(chǎn)廠商 非常多，除了一些已經(jīng)走出國門的大廠商外，一些非主打視頻監(jiān)控的 電子制造廠商也進入了該領域的競爭，如愛國者，天視通電子，趨勢電子，?？低暎靹?chuàng)恒達等均已打入市場，并取得了非常滿意的成績。 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)絡攝像機系統(tǒng)設計方案。該方案主要有三大優(yōu)點：第一，系統(tǒng)只需一顆 DM642 芯片，加上簡單的外圍電路，即可完成圖像數(shù)據(jù)采集、編碼處理、網(wǎng)絡傳輸?shù)裙δ?。第?，網(wǎng)絡攝像機需要嵌入式操作系統(tǒng)，而 TI 公司為其 DSP 產(chǎn)品設計了一套較 8 好的小型嵌入式 操作系統(tǒng) DSP/BIOS，省去了不必要的操作系統(tǒng)移植 的 過程。第三， DM642 具備強大的運算處理能力，能夠完成包括 JPEG、 MPEGMPEG 、 等圖像編碼處理 ，日后僅需通過編程改變軟件即可達到升級的目的，避免硬件資源的改動和重復設計。 本文 所 提出 的 網(wǎng)絡攝像機 系統(tǒng)，是可以 脫離 PC 獨立工作 的 。 整個設計過程主要有 以下幾個方面的工作： 第一，掌握 DSP 開發(fā)板的工作原理、硬件結構和 CCS 開發(fā)環(huán)境，參考開發(fā)板的設計搭建出本系統(tǒng)的總體架構。 第二，根據(jù)系統(tǒng)在速度等方面的要求，考慮到各個器件之間 的兼容性，對硬件進行合適的選擇和搭配，構建出系統(tǒng)的硬件平臺。掌握各芯片的 結構和工作原理。 第三，對 設計好的系統(tǒng) 進行驅(qū)動程序的開發(fā)。在 DSP 的集成開發(fā)環(huán)境CCS 下，使用 DSP/BIOS 組件等工具進行程序設計 ，完成設備的初始化，使視頻模塊、網(wǎng)絡傳輸模塊能夠在程序的驅(qū)動下正確的工作 。 第四， 詳細分析了實時視頻傳輸?shù)脑u估標準，以及如何實現(xiàn)高質(zhì)量傳輸?shù)乃惴ㄑ芯亢蛻?內(nèi)容 ，包括碼率分配和帶寬估計。同時，對基于 TCP/IP 實現(xiàn)視頻流傳輸?shù)乃惴ㄒ沧隽嗽敱M的研究，即 根據(jù)遠端請求， 在不同的傳輸任務中使用不同的傳輸方式以達到流媒 體高效傳輸?shù)哪康?。 第五 ，設計 帶有網(wǎng)絡通信功能的應用程序， 實現(xiàn) 視頻 數(shù)據(jù)在 客戶端的呈現(xiàn)。 第六，提高并完善系統(tǒng)的性能，優(yōu)化程序使軟硬件更好的結合，使有限的DSP 芯片資源最大限度的發(fā)揮其作用。 本文結構 本文將對網(wǎng)絡攝像機視頻采集模塊和網(wǎng)絡傳輸模塊的硬件系統(tǒng)和軟件設計做詳細的闡述。論文共分為五章。 本文第 1 章是緒論部分，即引言。本章對 DSP 技術的發(fā)展、嵌入式Inter 技術的發(fā)展、圖像編碼技術的發(fā)展以及視頻監(jiān)控技術的發(fā)展做了簡要的概括和分析。通過對相關領域研究進展及成果的討論， 發(fā)現(xiàn)了當前網(wǎng)絡攝像機產(chǎn)品在圖像 質(zhì)量和傳輸速率之間無法平衡的一個不足。由此本章提出了將DSP 技術 與 TCP/IP 協(xié)議結合起來的一種新型 網(wǎng)絡攝像機產(chǎn)品 。 本文的第 2 章主要介紹了數(shù)字信號處理器的結構及原理，以及重點講述了 9 本文將要采用的一款 DSP 芯片 — TMS320DM642。 DM642 具有完全的可編程性，能夠兼容多種多媒體視頻標準，非常適合網(wǎng)絡攝像機系統(tǒng)的研發(fā)。最后介紹了如今比較流行的一種視頻評估標準及其原理。 本文的第 3 章主要分析了 TCP/IP 協(xié)議及其各層的核心協(xié)議。重點講述了實時視頻傳輸?shù)乃惴ǚ治龊头桨笇崿F(xiàn)。最后提出 了 一種不使用第三方流媒體協(xié)議而同樣達到流媒體傳輸?shù)乃惴▽崿F(xiàn)。 本文的第 4 章重點闡述了系統(tǒng)各硬件模塊的設計。本章對電路設計中關鍵部分進行了介紹和分析， 針對網(wǎng)絡攝像機的帶寬估計和碼率分析做了理論上的深入分析 。 本文的第 5 章是對系統(tǒng)軟件部分設計的分析。包含兩個部分，首先是系統(tǒng)各功能模塊驅(qū)動程序的開發(fā)以及相應模塊間通信的控制；其次是帶有網(wǎng)絡通信功能的客戶端軟件的開發(fā)設計。對主要的網(wǎng)絡傳輸模塊部分代碼做了碼率分析優(yōu)化，使得數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中得到最大效率的傳輸。 第 3 章傳輸算法的實現(xiàn)、第 4 章和第 5 章是系統(tǒng)的主要部分 ，也是本文的工作重點。論文最后對本 系統(tǒng)的設計進行了總結并提出了改進方向。 10 第 2章 DSP 原理 及視頻評估算法 DSP 芯片特點及 應用 DSP 芯片的特點 為了實現(xiàn)高速的數(shù)字信號處理運算， DSP 芯片一般都采用特殊的軟硬件結構，主要特點為以下幾個方面。 第一， 改進的哈佛（ Harvard）結構。 哈佛結構是不用于傳統(tǒng)的馮諾依曼結構的并行體系結構，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。與兩個存儲器相對應的是系統(tǒng)中 設置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍 。為了進一步提高運行速度和靈活性，人們在基本的哈佛結構的基礎上做了改進 ，一是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術運算指令直接使用，增強了芯片的靈活性；二是指令存儲器在高速緩沖器 Cache 中，當執(zhí)行此指令時，不需要再從存儲器中讀取指令，節(jié)約了一個指令周期的時間。這種改進被成為改進的哈佛結構。 第二，多級的流水線操作。 DSP 芯片的指令系統(tǒng)廣泛采用流水線操作，一個任務被分解為若干個子任務，各個任務可以在執(zhí)行時相互重疊，每條指令處于流水線上的不同階段。流水線操作與哈佛結構相配合，減少了指令執(zhí)行時間，增加了處理器的吞吐量。不同的產(chǎn)品流水線的深度也各不相同，例如，第一代 TMS320 處理器 采用 2 級流水線，其后幾代依次增加為 3 級、 4 級、 6級，在 TMS320C6000 中深度達到了 8 級，這就意味著可以同時并行 8 條指令。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。 如圖21 所示 [5]。 第三，專用的硬件乘法器。在數(shù)字信號處理運算中，無論是濾波器還是DFT、 FFT 運算，都存在大量的乘法運算，乘法運算的速度是數(shù)字信號處理實現(xiàn)中的一個瓶頸問題。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。如在 TMS320C3x 系列 DSP 芯片中，有一個硬件乘法器，在 TMS320C6000 系列中則有兩個硬件乘法器。 11 C L K O U T 1取 取取 取取 取N N + 1 N + 2NNN 1 N + 1N 2 N 1 圖 21 多級的流水線 Multiple Pipelines 第四， 特殊的 DSP 指令 。 DSP 芯片的一個重要特點是有一套專門為數(shù)字信號處理而設計的指令系統(tǒng)。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 。例如， MAC 指令是連乘加指令，可以在單周期內(nèi)同時完成乘法和加法運算； RPTS 和 RPTB 指令是硬件判斷循環(huán)邊界條件，可以避免破壞流水 線。 第五，快速的指令周期。 哈佛結構、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令再加上集成電路的優(yōu)化設計，可使 DSP 芯片的指令周期在200ns 以下。 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?？焖俚闹噶钪芷谑沟?DSP 芯片能夠?qū)崿F(xiàn)許多高端應用。隨著微電子技術的發(fā)展，工作頻率還將繼續(xù)提高，指令周期將進一步縮短。 典型 DSP 芯片 比較 TI、 ADI 和 Motorola 公司的 DSP 芯片是目前國內(nèi)應用的主流芯片。各公司主要芯片產(chǎn)品如表 21 所示 [6]。 本系統(tǒng)要求圖像處理速度達到每 秒 20 幀以上，即要求實時圖像處理系統(tǒng)必須在 50ms 內(nèi)完成對一幀圖像的運算處理，圖像采集模塊的輸出為為 320240 像素。為達到該處理速度，綜合考慮以上各因素，采用價格較便宜、功耗較低的定點 DSP 芯片即可