嵌入式网络视频监控系统的设计

嵌入式网络视频监控系统的设计

摘要为解决传统视频监控系统安装携带不便、需专门铺设大量线缆等缺陷,本文介绍了一种嵌入式网络视频监控系统的软硬件实现方法,视音频编码、tcp/ip协议栈和控制协议等所有系统应用软件均由单颗dm643来完成,通过rj45接口连入ip网络后,可在远程主机的控制下实现视音频数据的实时采集及网络传输。经实际网络测试表明,本方案不但系统总成本大幅降低,且各项性能满足设计要求。

关键词 tms320dm643;h.264;ip网络;视频监控

中图分类号tp39 文献标识码a 文章编号

1674-6708(2010)25-0240-02

0 引言

视频监控系统近年来在人们的工作和生活环境中得到了广泛的应用。但传统的基于pc机和视频电缆的视频监控系统存在着诸如安装携带不便、不能在恶劣环境下使用、需要专门铺设大量线缆等一些缺点。随着近年来嵌入式软硬件技术及互联网络技术的迅猛发展,特别是dsp、powerpc等嵌入式芯片的出现,将嵌入式处理器和网络技术应用到视频监控系统中不仅克服了上述的一些缺点,而且其强大的功能加上丰富的外设接口和高度的可编程性使得视频监控的硬件和软件都更容易实现。

本文介绍了一种基于单颗数字媒体处理器tms320dm643(600mhz)的嵌入式网络视频监控系统设计方案,按本方案设计的系统体积小

巧、携带方便,并可直接通过rj45接口连入ip网络,在远程主机的控制下实现监控视频的实时采集与传输。

1 基于tms320dm643的硬件设计

嵌入式网络视频监控系统的硬件部分采用模块化设计方法,包括数字媒体处理器模块、视频解码模块、音频编解码模块、以太网接口模块、存储器扩展模块。

数字媒体处理器模块采用tms320dm643[1],其内部集成了三个可配置视频端口、一个10/100mbps的以太网mac(emac)、一个面向音频应用的串行口(mcasp),处理器核内还有8个并行的处理单元,采用vliw(甚长指令集)结构,处理能力高达 4 800mips,同时

tms320dm643的指令集设计得更有利于执行图象处理中的各种算法。

视频解码模块采用philips公司的saa7115。摄像机输人的模拟视频信号在saa7115内部经过钳位、抗混叠滤波、a/d转换、yuv 分离电路之后,转换成视频数据流,通过dm643的视频口vp0输人到压缩核心单元中。编程时,saa7115内部寄存器参数的配置和状态的读出均可通过i2c总线来完成。

音频编解码模块使用ti的高性能立体声编解码器

tlv320aic23(以下简称aic23),主要用于实现音频信号的采集和播放。由于aic23与dm643的输入/输出电压兼容,连线时可实现aic23与dm643的mcasp接口的无缝连接。

由于网络传输的固有特点,音频数据和视频数据传输到接收方时

不可能是均匀的,为解决音视频数据在接收方的同步输出问题,本

系统利用锁相环ll1708来实现音频和视频的同步采样。从saa7115输出的27mhz时钟,经pll1708处理后变为18.433mhz,并将它作为aic23的输人主时钟,如此,由于音视频采样信号使用同一个时钟源,就不会出现音视频采集不同步的问题。

以太网接口模块采用lxt971,它支持ieee 802.3标准,提供了

mii(media independent interface)接口,可以支持mac,而dm643内部正好集成有mac控制器,所以lxt971和dm643可以实现无缝连接。

存储器扩展模块主要包括两片32mb的sdram和一片4mb的flash,dm643的emif接口外接两片32mb的sdram,主要用于存放原始图像数据,而扩展的那片4mb的flash,主要用于存放应用程序,

二者都映射到dm643的外部数据空间。

系统工作时,tms320dm643数字媒体处理器通过以太网接口模块

从网络获得远程上位机发送来的控制数据,然后启动摄像机和麦克风开始采集数据,从摄像机输入的视频信号和从麦克风输入的音频信号经a/d转换后送入dm643中的dsp,dsp对音视频数据流进行压缩编码和合流,然后通过局域网或因特网将数据传输给上位机,上

位机收到数据后通过监控屏幕及扬声器回放出来,以实现对现场的视音频监控目的。

2 软件实现

通过互联网络来传输监控视频,必须考虑到网络实际传输带宽往

往会比较小,而视频数据量却又非常庞大的现状,因此必须对视频

数据进行压缩,怎样压缩呢?视频压缩算法的选择是关键,目前,较

为常用的压缩算法有:基于电话视频会议的压缩标准h.263系列、m-jpeg动态图像压缩方式(压缩比为10-30:1左右)、mpeg-1活动影像压缩方式(vcd压缩标准,压缩比为40-100:1左右)、mpeg-2 活动影像压缩方式(dvd压缩标准,压缩比为10-30:1左右)、h.264视频压缩算法(一种新的窄带传输方法,压缩比为100:1左右,为许多电话线/网络传输产品所采用)。

以上各种压缩算法各有优缺点,这决定了它们分别适用于不同的应用场所,h.263适合用于可视电话及视频会议等对图像大小和质

量要求不是很高的应用领域;m-jpeg可以获得较高图像质量,但实

时性不强; mpeg-1压缩后的图像质量不是太好、mpeg-2的压缩比不够。根据信道的带宽和对图像质量的要求,我们在图像质量和码率之间综合考虑后,决定本系统采用h.264压缩标准。

分析表明,对于同等的图象质量,h.264算法比h.263算法虽然码流降低了50%,但同时h.264算法比h.263算法复杂很多,需要更强的处理能力,以及做更多的软件优化工作。

另外,在基于分组交换的ip网络中,数据分组一般需经过多个路由、不同的路径才能到达目的地,因此视音频数据分组的到达时间、到达顺序、同一视音频数据报文到达的数量都将变得无从预测,就必将造成视音频数据流在网络上传输的不同步问题。

以下就这两个问题分别进行讨论。