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以TMS320DM643為核心，結合視頻編解碼芯片等設計了高性能的視頻監控系統。詳細說明了視頻處理的相關核心硬件結構；及其在動態圖像序列背景中，運動目標的識別與跟蹤的軟件設計。整個系統采用DM643對視頻數據進行處理，通過實際應用證明該方案具有高速視頻輸入輸出能力，為視頻編解碼算法開發、視頻處理產品設計搭建了高性能的平臺。 一、引言 隨著社會的發展，視覺監控系統得到了很大的普及，特別是在911事件后，全世界都加強了反恐意識，飛機場，銀行，停車場，超市等公共場所被安放了大量的監控設備，對場景進行全天候的監控。但是，實時視頻的處理對系統有著嚴格的要求，特別是是常見的處理中總包含這大量的乘加法等運算，而且視頻總是有著多種格式和特殊的顯示要求，故實時的視頻處理系統的設計無論是在硬件上還是軟件上都具有更高更嚴的要求。基于此本文提出了一種基于DM643的嵌入式實時視頻處理系統，DM643具有DM642的功能，并且價格更便宜。 二、系統的硬件設計 該系統是以DSP控制模塊為核心，由存儲模塊、視頻輸入模塊、視頻輸出模塊、通訊模塊以及電源模塊等構成。 圖1 硬件框圖 1、視頻編、解碼模塊 視頻解碼模塊的主要功能是將從攝像頭采集來的PAL/NTSC復合視頻信號進行采樣、量化得到任意分辨率的數字信號，為DM643提供視頻流。視頻解碼器選用的是TI公司的TVP5150視頻解碼芯片。該芯片是一個高性能數字視頻解碼器，可以將NTSC/PAL制模擬視頻信號轉換成BT.656格式的標準數字視頻信號（YUV4:2:2）。下面是視頻解碼的濾波部分電路圖： 圖2 濾波電路圖 視頻解碼器TVP5150視頻信號輸入范圍為0.75Vpp，而外部視頻信號輸入范圍一般為1Vpp，所以外部視頻輸入與TVP5150視頻輸入之間串接到地分壓電阻網絡，以達到TVP5150所需的輸入電平。 DM643支持標準的BT.656格式的數字視頻數據流的輸入格式，能與TVP5150的視頻數據流進行無縫連接。下面是連接圖： 圖3 連接圖 其中，VP1CLK0作為視頻源的輸入時鐘，VP1CTL0、VP1CTL1和VP2CTL2則分別作為視頻源的CAPEN/AVID/HSYNC、VBLNK/VSYNC、FID輸入同步信號。 視頻解碼模塊采用的視頻編碼器SAA7105支持PAL與NTSC格式的視頻編碼輸出；同時可提供分辨率為1280*1024的VGA視頻輸出，可直接驅動PC顯示器。 2、存儲模塊 存儲模塊主要由FLASH和SDRAM組成。FLASH存儲器具有可在系統進行電擦寫，掉電后信息不丟失的功能，用它來保存系統自啟動代碼以及系統程序代碼，SDRAM存儲器的存取速度較高，用它來存放系統運行時的代碼以及臨時圖像數據。該系統擴展的SDRAM存儲器是4M*64位的，擴展的FLASH存儲器是4M*8位的。 3、DSP核心模塊 該模塊主要實現整個系統的控制，完成運動目標檢測算法運算，和向串行通行模塊發送控制指令。算法主要采用相位相關配準算法。該模塊是由TI公司的TMS320DM643來實現的，DM643的特點是工作主頻高達600MHZ，處理性能可達4800MIPS。 4、串行通信模塊 該模塊實現的功能是DSP芯片通過異步串行總線RS-485向機械控制電路(云臺)發送指令，實現攝像頭的自動跟蹤。該系統采用的是TL16C752通用異步收發器UART，它采用8位異步并行存儲器接口，并采用+3.3V電源供電，可以與DM643的外部存儲器接口（EMIF）直接連接。 圖4 串口連接圖 5、網絡接口模塊 DM643上HPI和EMAC是復用的，這里根據系統需要只用了EMAC（以太網媒體訪問控制器）。其中EMAC+MDIO用于為以太網物理層（PHY）器件提供接口，其中EMAC為接口以太網PHY提供數據通路，MDIO為接口以太網PHY提供管理信息通路。即EMAC控制PHY與DSP之間的數據包的交換，MDIO控制PHY的配置與狀態信息的監測。 圖5 網絡接口 6、電源模塊 本系統采用TPS54310的專用電源芯片，輸入為5V，輸出為1.4V和3.3V，分別給DSP內核和I/O端口供電，產生另外一個3.3V給視頻編解碼及其他芯片供電。注意這兩個3.3V電源要分開設計，以免電源噪聲相互干擾。把1.4V模塊的電源輸出有效引腳PG連接到3.3V模塊的允許電壓輸入引腳EN。這樣，只有當1.4V電壓有效之后，3.3V電壓才開始上電，這就保證了DM643的內核電壓先于I/O電壓上電。下面是產生1.4V的電路。 圖6 電源部分電路圖 三、系統的軟件設計 系統的軟件部分分為系統初始化、視頻數據采集模塊、主處理模塊、串口發送控制指令模塊、FLASH在線下載模塊五部分。其中主處理模塊是系統的核心算法部分，該系統的核心算法是基于快速傅立葉變換（FFT）的相位相關配準算法。其工作原理為：首先它通過FFT運算計算出相鄰兩幀圖像的功率譜；其次將兩個功率譜進行單位歸一化得到相位譜并對相位譜進行互相關操作；經過對相位相關譜進行IFFT運算獲得相位相關函數；然后檢測這一互相關函數的最高峰及其坐標值(p,q)，該坐標值就是兩幀圖像背景部分的偏移量；最后對兩幀圖像進行二次差分操作，得到運動目標位置。下面是該算法的流程圖： 圖7 軟件算法流程圖 四、結論 本文根據成本、運算量等要求，合理選擇了TMS320DM643作為主處理芯片，以相位相關配準算法為核心算法，實現實時運動圖像識別系統。本系統設計結構合理、全面，通過串口能夠控制云臺的轉動，從而實時的追蹤目標，提高監控的效果。顯示部分能夠實時的觀察到圖像，網口的設計也能夠通過網絡進行通信。本文描述了一個完整的視頻處理系統，該系統具有很強的實用性和擴展性，可以作為核心模塊應用到各種高性能的視頻系統中。 |
