基于DSP的視頻監控平臺的設計

張震震，李臨生，田啟川

（太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原030024）

視頻監控作為當今安防工作的重要組成部分，目前正朝著數字化、智能化和網絡化的方向快速發展，廣泛應用于智能家居和交通安全等領域。解決視頻監控的關鍵技術之一是實現終端運動目標的識別和跟蹤。目前的視頻監控實現方案主要有以下幾種：

(1)基于PC的監控系統。該系統結構簡單、成本低，可實現簡單的視頻監控。但該系統不適合將其嵌入到遠程區域進行監控，無法滿足現在的安防需求[1]。

(2)基于DSP+FPGA雙處理器的視頻監控。其中FPGA完成圖像預處理的運算工作，DSP主要完成復雜的圖像后處理工作并輸出信號控制監控平臺。該系統能夠有效利用DSP和FPGA在功能上互補的特點，但是進行數據交換時易出現延遲問題，而且系統的性價比低，體積和功耗相對單處理器較高[2]。

(3)基于雙DSP的視頻監控系統。該系統采用兩片集成度高、運算速度快的DSP芯片，一片用于視頻監控的算法運算，另一片主要完成視頻的壓縮編碼。該系統傳輸速度快、實時性好，但也存在資源利用不充分的不足，而且系統相對復雜[3]。

(4)基于單核DSP的視頻監控系統。該方案滿足了視頻監控的需求，同時實現資源的充分利用[4]。

為此，本文提出了基于TMS320DM6437的視頻監控的設計。

1 系統整體介紹

該系統通過CMOS攝像頭采集實時圖像，通過TVP5146解碼器對視頻信息解碼后將數據交給DM6437，然后視頻處理子系統調用算法處理，并把處理結果通過網絡傳輸交給終端PC。整個系統依托于DSP/BIOS操作系統來實現多任務調度和存儲器管理等。系統的整體主要硬件框架如圖1所示。

2 系統主要硬件介紹

2.1 核心處理器

系統選用TMS320DM6437數字媒體處理器作為核心處理器，它是首批支持達芬奇技術的純DSP器件，其強大的功能可支持H.264視頻編碼。它有8個并行處理單元，其體系采用甚長指令字（CLIW）結構，具有強大的處理能力。DM6437還集成了很多外設接口，主要包括意識視頻處理子系統（VPSS）、以太網接口、I2C接口、EMIF接口和DDR2接口等。

圖1 硬件框架

其中VPSS提供了一個VPFE輸入接口 (連接外部設備，如圖像傳感器、視頻解碼器等)以及一個VPBE輸出接口(連接顯示設備，如 analog SDTV顯示器、數字LCD面板、HDTV視頻編碼器等)。VPFE由 5部分組成：CCDC、IPIPE、H3A、resizer和 histogram， 這 5部分組合構成了強大、靈活的前端接口；VPBE包含 On-Screen Display（OSD）模塊、帶數字 LCD和模擬 DAC接口的 Video Encoder（VENC）。VENC生成模擬式視頻輸出。DLCD控制器產生數字RGB/YCBCR，輸出數據及時間信號。

2.2 存儲器模塊

系統主要的存儲設備有DDR2，它與上一代DDR內存技術標準最大的不同就是，雖然同是采用了在時鐘的上升/下降沿同時進行數據傳輸的基本方式，但DDR2內存卻擁有兩倍于上一代DDR內存預讀取能力(即4 bit數據預讀取)。換句話說，DDR2內存每個時鐘能夠以4倍外部總線的速度讀/寫數據，并且能夠以內部控制總線4倍的速度運行。

開發板通過專用的DDR2存儲控制器接口擴展了64 MB的DDR2 SDRAM，為視頻應用帶來了高吞吐、高容量存儲帶寬，并最大可以擴展到256 MB；此外，256 MB的Nor Flash為視頻應用程序脫機運行提供了有力的容量保證。

2.3 網絡模塊

網絡接口工作在7層OSI參考模型的物理層和數據鏈路層，在以太網卡中，數據鏈路層的芯片被稱作MAC控制器，物理層的芯片被稱作PHY。在本系統中，考慮到DM6437片上帶有EMAC（ ）/MDIO（ ）接口，即提供數據鏈路層控制，所以選擇網卡芯片時只需要有PHY功能即可。

3 系統軟件設計

本系統中，DSP端的軟件主要包括：視頻驅動程序開發、Codec Engine的使用以及網絡模塊的程序開發（即NDK的使用），應用程序的總體框架如圖2所示。

在DSP/BIOS實時操作系統下，系統上電或是reset后，從程序入口點到main函數前，要執行系統的初始化，從而對相關DSP的寄存器進行配置，包括復用引腳和外設接口等的配置。main函數使外設芯片正常工作，然后啟動任務線程。main函數返回后，將CPU的使用權交給DSP/BIOS，由DSP/BIOS進行程序運行中的控制調度，包括內存管理、中斷處理和任務管理等。本系統中，DSP/BIOS啟動兩個靜態配置的任務線程，包括previewTask和tskNdkStackTest。前者是整個系統的主線程，主要負責視頻驅動模塊和Codec Engine框架的初始化、視頻圖像的實時獲取、視頻處理算法的執行以及處理結果的輸出等；后者則專門負責網絡模塊的所有功能。

圖2 應用程序的整體框架

3.1 視頻驅動軟件

該系統的軟件設計中，視頻驅動是應用程序與底層硬件之間的重要橋梁，是軟件設計中非常重要的一部分。視頻驅動程序主要用于前端的視頻接收端，而后端直接將算法處理結果通過網絡傳送到PC。TI公司提供了專門的視頻處理的驅動接口函數，接口函數名均以“FVID”開頭，它是將GIO的APIs根據需要再次進行封裝得到的，如表1所示。

表1 FVID APIs函數列表

系統上電后進行一系列的初始化操作，main函數返回的同時，把對CPU和存儲器的使用和控制權交給DSP/BIOS,然后DSP/BIOS啟動視頻處理的主線程，主線程便會用FVID的API函數獲取sensor發來的圖像。首先用FVID_creat()創建通道，函數返回的句柄作為下一步FVID_control()的參數，根據不同的命令字符串對視頻接口進行配置。接著FVID_alloc和FVID_queue兩個函數負責向驅動申請3個數據幀buffer，并編入buffer隊列。然后，用FVID_dequeue函數將隊列中的首個buffer釋放出來，作為FVID_exchange函數的起始參數，表示當前正在使用的buffer。之后進入無限的while循環體，利用FVID_exchange函數來實現圖像數據的實時更新，從而進行后續的算法處理。

3.2 Codec Engine軟件

Codec Engine軟件是TI公司專門為達芬奇系列DSP設計推出的一個標準軟件框架，大大簡化了軟件開發人員的工作。使用Codec Engine，首先需要在main函數里初始化，用到的初始化函數為CERuntime_init()。另外，Core Engine APIs用于創建Engine對象，以及獲得一些系統調試信息。應用程序創建Engine對象后，通過VISA接口創建算法對象，VISA對應4種數據模式，每種模式又對應 了 MOD_create、MOD_control、MOD_process、MOD_delete 4個接口函數，通過這些函數可以調用任何符合XDM標準的編解碼算法庫。系統Codec Engine的實現流程圖如圖3所示。

圖3 Codec Engine實現流程圖

3.3 網絡傳輸軟件

NDK是TI公司專門針對C6000系列DSP推出的一款網絡開發套件，它基于TCP/IP協議，為開發人員提供了豐富的網絡接口，使用方便靈活。

NDK共由5個模塊組成，如圖4所示。OS適配層是DSP/BIOS操作系統的一個抽象，把操作系統與NDK隔離，同時為NDK提供接口，實現內存空間管理和任務管理。TCP/IP協議棧是一個網絡功能LIB，所有常用的網絡協議的功能可以通過它來實現。網絡工具模塊提供了局域上層套接字的所有網絡功能，如數據收發、Web服務器的配置。硬件抽象層是底層硬件的一個抽象，為網絡控制模塊提供接口。網絡控制模塊則用來進行一系列的初始化工作，協調底層驅動與TCP/IP協議棧配合工作。

NDK各種網絡功能的實現都利用了socket接口。本系統中，DSP端就是socket服務器端，PC端軟件為客戶端。本系統創建多個socket對象來分別負責實現數據的收發操作，確保需要同步執行的操作之間互不影響。

圖4 NDK模塊圖

具體實現時，網絡模塊的程序利用NDK為系統設置IP地址，系統模塊實現了HTTP server，用戶端在網頁輸入DSP的網口IP地址，即可訪問DSP端的HTTP服務器，實現在網頁上的實時遠程監控。另外，利用socket編程，可以實現與PC端自主編寫的軟件進行通信，從而用戶可以通過PC端的軟件給DSP發送控制指令來實現不同的功能。本模塊包含一個主線程和3個子線程，其中主線程 tskNdkStackTest已經在DSP/BIOS的.tcf配置文件中做了靜態配置。3個子線程分別是sendTsk、receiveTsk和cmdparseTsk，分別用于發送數據、接收數據和解析PC端軟件的控制命令。其中在每個子線程內創建了一個 socket。

本文研究了基于TMS320DM6437的網絡視頻監控的實現方法。系統以TMS320DM6437作為核心，對主要硬件器件作了介紹，并針對主要的軟件框架進行了詳細分析，對于視頻監控平臺的設計有著重要的應用價值。

[1]李德駿.智能小區安防實時視頻圖像跟蹤系統的研究[J].武漢科技學院學報，2005，18(9)：32-35.

[2]田茜，何鑫.基于DSP/FPGA的嵌入式實時目標跟蹤系統[J].計算機工程，2005，31(15)：219-221.

[3]梁昂，王耀南.基于雙DSP的運動目標智能跟蹤系統的設計和實現[J].電子設計應用，2004(9)：111-113.

[4]李位星，范瑞霞.基于 DSP的運動目標跟蹤系統[J].自動化技術與應用，2004，23(4)：46-49.