|
隨著網絡技術和多媒體技術的廣泛應用,數字網絡視頻得到了飛速發展.在網絡視頻會議和網絡監控領域中,將傳統的模擬視頻信號轉換成數字視頻信號,并且借助于現有的IP網絡進行傳輸已成為當今的一大熱點. 從技術實現方式來講,通常是采用網絡攝像機來實現.目前市場上的網絡攝像機一般有兩類:一類是普通攝像機加視頻網關構成,但是這種方案體積龐大、操作繁瑣;另一類是把全部網絡接入功能都集成在攝像機中,其體積小、功能全、易于使用和維護.后類攝像機有多種解決方案,本文提出一種基于嵌入式DSP的設計方案,并且給出具體的硬件及軟件實現. 1 硬件系統設計 1.1嵌入式處理器TMS320DM642 TMS320DM642(以下簡稱DM462)是TI公司近來發布的新一代多媒體處理器,它基于其第二代高性能的VelociTI VLIW結構,適用于多種數字媒體應用.DM642的時鐘頻率為600MHz,指令速度高達4800MIPS.這款DSP的兩大特色在于:第一,擁有三個可配置的視頻接口(VP),可同時采集三路視頻信號;第二,集成了以太網接口,10/100Mbps模式自適應,能工作在全雙工或半雙工模式下,并具有硬件流控制和服務質量保證(QoS)支持.DM642的功能十分強大,它是構成多媒體通信系統的最佳平臺之一. 1.2硬件整體架構 本系統的硬件平臺由六部分組成,分別是視頻采集、數據存儲、視頻處理、視頻顯示、網絡和電源管理.其結構框圖如圖1所示. 視頻采集部分采用模擬PAL制攝像頭,配合高精度視頻A/D轉換器得到數字圖像.A/D轉換器采用TI公司的TVP5145芯片,其采樣精度達到10bit,輸出支持CCIR-656和BT656等格式. 數據存儲部分的RAM采用三星公司的SDRAM.為配合DM642的64位EMIF(外部存儲器接口),使用四片SDRAM,每片工作在16位模式,單片容量為32MB.數據存儲部分的ROM采用ATMEL公司的NOR型的Flash芯片,總容量為256KB,數據總線為8位.本系統中的SDRAM用來存放系統運行時的代碼以及臨時圖像數據,Flash用來保存系統自啟動代碼以及系統程序代碼。 視頻顯示部分采用數字LCD,可省去數/模轉換芯片,只需一片CPLD驅動LCD.CPLD采用Altera公司的MAX3000系列.這部分作為輔助功能,可根據實際運用場合進行選擇. DM642的以太網控制器(即EMAC)屬于數據鏈路層,因此需外接物理層芯片才能進行網絡通信.這里采用Intel公司的LXT971A芯片,它提供了MII(Media Independent Interface)接口,可以方便地和DM642連接. 電源管理部分在一個硬件系統設計中占有舉足輕重的地位.本系統的電源模塊采用MAXIM公司的解決方案,包括一片MAX1762芯片(產生1.4V電源給DM642的I/O供電和產生5V電源給LCD的逆變器供電). 2 設備驅動設計 TI為DM642的VP口開發了一個兩層設備驅動模型.上層驅動稱為Class Driver,更靠近底層硬件.應用時只需根據這個模型編寫驅動程序就可以了. 對于以太網口,TI提供了一個網絡開發組件(NDK),為在DSP上開發網絡應用程序提供了平臺.有了這個平臺,在開發網絡應用程序時,就不用過多考慮數據如何封閉成IP包,也不用過多關心TCP/IP協議內部的工作機制,這樣可以縮短產品的開發周期及上市時間. 1.2 視頻端口的兩層設備驅動模型 兩層設備驅動模型如圖2 所示.最上層是應用程序,最下層是底層硬件,包括DM642的VP口和視頻A/D芯片.中間大花括號括起來部分即為設備驅動.圖中還有一層芯片支持庫(CSL),它提供配置及控制片上外設的C語言接口. 根據VP口的特點,設備驅動的兩層驅動模型的每一層又細分了兩層.從圖2可以看到,把Class Driver分為FVID Class Driver和GIO Class Driver.前者更靠近應用程序,它提供一些特別適用于圖像的API函數;后者提供與Mini Driver進行通信的API函數.Mini Driver分成通用部分和特殊部分,這樣分的優勢在于:當改變硬件構成時,無需重寫Mini Driver,只需修改特殊部分即可,提高了代碼的重復使用性. 2.2網絡開發組件 網絡開發組件的核心即為一系列TCP/IP協議棧庫.包括:(1)棧庫和網絡工具庫,它含有一些經過優化編譯的協議棧代碼;(2)操作系統適應庫,它用來協調TCP/IP協議棧和DSP/BIOS之間的接口;(3)網絡控制及調度庫,它決定TCP/IP環境的初始化以及網絡相關事件是如何被調度的;(4)多種硬件抽象層平臺庫,為TI公司的多種開發板(比如DSK、TEB和EVM等)提供支持.由于本系統為自行開發,所以不涉及HAL. 協議棧庫的流程框圖如圖3所示,其中灰色模塊分別代表前術五個庫. 3 軟件設計及實現 TI公司的DSP開發軟件包括集成開發環境(CCS)、實時操作系統(DSP/BIOS)、第三方算法庫標準(eXpressDSP).DSP/BIOS是一個用戶可裁剪的實時操作系統,包含內存管理、線程管理、中斷、外設管理和任務調度等功能.另外,還需使用JPEG標準進行圖像壓縮,因為采用JPEG進行網絡傳輸時,如果出現網絡短暫阻塞,可將當前幀拋棄而不影響下一幀的圖像,所以能夠保證系統的實時性要求.在本系統中調用了TI提供的JPEG算法庫來完成JPEG壓縮。 3.1軟件流程結構 根據本系統的要求,整個軟件系統分為五個任務模塊,每個模塊完成穩中有降自的功能.這五個任務模塊分別為輸入任務、處理任務、輸出任務、網絡任務以及控制任務,其流程如圖4所示.下面敘述任務間調度及分別完成的功能. (1)輸入任務 該任務模塊主要完成將VP口采集到的數字圖像存入動態分配的內存空間中,圖像格式為YUV4:2:2(可根據需要進行設置),分辨率為720×480.然后對該圖像色度信號進行4:2:0重采樣,這樣做的目的是為了調用JPEG算法庫.完成以上兩步后,輸入任務模塊發出一個消息給處理任務模塊,告知圖像在內存空間的中位置,讓處理任務模塊去做進一步的處理.接著,輸入任務模塊等待處理任務模塊回復,收到回復消息后,繼續采集下一幀圖像. (2)處理任務模塊 該任務模塊主要完成JPEG壓縮.處理任務模塊首先獲得一個從輸入任務模塊發出的消息,并且從中得到圖像數據.接著進行JPEG壓縮,如前所述,壓縮調用了JPEG算法庫,其壓縮的速度和性能比較好.在處理任務模塊完成圖像壓縮后,發出三個消息:第一個發給輸入任務模塊,使其繼續采集下一幀圖像;第二個發給網絡任務模塊,把JPEG圖像在內存中的位置以及字節數告訴網絡任務模塊供其處理,同時,處理任務模塊將等待網絡任務模塊回復消息;最后一個消息發給輸出任務模塊,告知原始圖像在內存中的位置,讓輸出任務模塊把它輸出到LCD進行顯示.同樣,它也將等待輸出任務模塊回復消息. (3)輸出任務模塊 該任務模塊完成將采集到的原始圖像輸出LCD進行顯示.由于采集到的是YUV圖像,而本系統的LCD使用RGB信號作為輸入,這需要經過數字圖像格式轉換,該轉換交由CPLD完成. (4)網絡任務模塊 該任務模塊完成網絡傳輸功能.分三部分實現:第一部分先獲得一個從處理傷模塊發出的消息,從中得到JPEG圖像的大小和在內存中的位置,并通過UDP協議的Socket套接字將其發送給客戶.同時發出一個消息給處理任務模塊,告知已獲得JPEG圖像,可進行下一幀圖像的壓縮.第二部分進行協議棧的初始化,包括IP地址、子網掩碼和網關的設定.如果要連接Internet,必須設置DHCP,動態分配IP地址.除此以外,還要選擇哪種網絡服務,DM642支持Telnet、HTTP、Data server等服務,本系統使用HTTP服務.第三部分為加載網頁,在PC機上用HTML編寫網頁,在該網頁中內嵌一段JavaApplet小程序以實現本系統和客戶端的交互.HTML文件不能直接加載給DM642,必須在DOS環境下使用binsrc插件把它轉換成用C語言描述的數據數組.當用戶通過IE瀏覽器訪問本系統時,HTTP服務器通過嵌入式文件系統訪問內存中的HTML網頁(即訪問那個用C語言描述的數據數組),該文件系統是基于RAM的文件系統,它駐留在OS.LIB中.同時,JavaApplet小程序隨同HTML文件下載到客戶端 并由IE瀏覽器解釋執行. (5)控制任務模塊 該任務模塊完成在HTML網頁上對JPEG壓縮性能的控制.在網頁中接收的用戶自定義參數,通過DSP/BIOS中的郵箱機制傳北宜給處理任務模塊,從而修改JPEG的壓縮參數,改變壓縮質量.圖5所示即為接收用戶修改參數的對話框,1表示壓縮質量最差,100表示壓縮質量最好. 這些任務的初始化在系統的main()函數里實現.另外,對DM642芯片的初始化(包括初始化寄存器、二級緩存(L2)的設置等)均在dm642init()函數中完成,該函數定義在DSP/BIOS的用戶初始化函數列表中,在此不再贅述. 本文提出的基于TMS320DM642的網絡攝像機的設計方案已經成功實現.在客戶端打開IE瀏覽器,即可看到實時監控的圖像,圖像顯示較流暢,在局域網內的圖像幀率可以達到30幀/秒.而且可以同時采集多路視頻信號,滿足多個客戶的連接請求.本系統滿足了目前寬帶環境中的網絡視頻會議以及視頻監控的要求,其應用前景十分廣泛。 |
