一種嵌入式智能網絡視頻監(jiān)控終端的研究與設計

1 引言

隨著電子、計算機技術的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)正從模擬技術向數(shù)字技術方向發(fā)展。從硬件形式上看，視頻監(jiān)控技術的發(fā)展經歷了三個階段：模擬視頻信號監(jiān)控、PC機加視頻卡的數(shù)字視頻監(jiān)控和基于嵌入式技術的數(shù)字視頻監(jiān)控[1]。基于PC機技術的監(jiān)控系統(tǒng)采用在普通PC機中插接視頻采集卡的集成方式，由視頻卡完成圖像采集、數(shù)字化和數(shù)據(jù)壓縮，PC機通過網卡和通信設備實現(xiàn)互連。這一類系統(tǒng)目前已經占據(jù)市場主流。隨著嵌入式芯片技術和嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展與成熟，基于嵌入式體系結構的視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于具備體積小、性能穩(wěn)定、安裝方便等優(yōu)越性能，越來越受到人們的關注[2]。對于嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究，國外起步早，已有產品性能較好，但價格昂貴，國內用戶一般無法承受。我國是近幾年開始這方面研究的，從已有研究成果來看，其監(jiān)控終端更多的是將成像系統(tǒng)、視頻數(shù)字化系統(tǒng)和網絡接口集成于一體[3]，而其監(jiān)控的智能化程度還遠沒有得到開發(fā)應用。

基于當前的應用背景和技術支持，本文設計了一種新型的具有入侵掃描功能的嵌入式智能網絡視頻監(jiān)控終端，此監(jiān)控終端具備視頻采集、視頻檢測功能，帶有以太網接口、TCP/IP協(xié)議棧、WEB Server，可直接與Internet互連，Internet上的授權用戶使用標準的瀏覽器就可以根據(jù)IP地址訪問此終端，查看檢測到的目標圖像。相比傳統(tǒng)基于PC機+視頻采集卡模式的監(jiān)控終端，本終端體積小，成本低，安裝方便，系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，具備智能檢測運動目標功能，可以實現(xiàn)無人職守，非常適合家庭、住宅小區(qū)、銀行、倉庫等單位的安全防范。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

為實現(xiàn)視頻實時檢測以及網絡傳輸功能，本監(jiān)控終端采用ARM+DSP的體系框架，系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括以ARM S3C4510B為核心的主控兼網絡傳輸模塊，以SAA7111為核心的視頻采集模塊，以DSP TMS320C6202為核心的視頻檢測模塊，以CPLD EPM7128為核心的控制模塊，以及電源管理模塊等。系統(tǒng)具備視頻采集、視頻檢測、圖像數(shù)據(jù)的打包、網絡傳輸、控制等功能。其工作流程是：主控CPU S3C4510B上電初始化，SAA7111初始化，S3C4510B系統(tǒng)自檢、裝載TMS320C6202程序至RAM、啟動DSP，設定SAA7111初始參數(shù)，攝像機的模擬信號經過數(shù)據(jù)采集、緩存后，DSP及其外圍電路對其進行運動目標檢測，將檢測結果通過DSP的HPI接口傳遞給S3C4510B，S3C4510B對數(shù)據(jù)打包,建立套接字通訊服務器，等待連接進行網絡發(fā)送。

3 硬件設計

3.1 S3C4510B及其外圍電路設計

本終端采用SAMSUNG公司開發(fā)的S3C4510B芯片作為主控制器。S3C4510B是一款高性能ARM體系結構的32位嵌入式微處理器，具有很強的實時多任務支持能力和擴展能力，以及小體積、低功耗、高性能等系列特點。內嵌雙通道緩沖DMA的以太網控制器和極強的外圍擴展能力是本次設計選擇它的重要原因。S3C4510B以及外圍芯片F(xiàn)lASH、SDRAM存儲器組成了整個系統(tǒng)的核心，負責控制和協(xié)調各模塊工作。本設計對S3C4510B內部的SDRAM和ROM進行了擴充，F(xiàn)LASH選用MX29L3211，容量為4MB。外擴SDRAM選用MICRO的MT48LC4M16A2TG,容量為8MB。

S3C4510B與TMS320C6202的通信電路設計采用16位主機接口（HPI）來實現(xiàn)，HPI利用并行總線接口技術，使主控處理器可以在無需DSP干涉的情況下訪問DSP的內部存儲器。在利用HPI實現(xiàn)主控處理器和C6202之間進行數(shù)據(jù)交換時，允許數(shù)據(jù)緩存、實時數(shù)據(jù)登錄和信息處理。本設計中，主機接口（HPI）主要實現(xiàn)以下兩個功能：第一，在系統(tǒng)啟動時，實現(xiàn)DSP的程序裝載。第二，在S3C4510B和TMS320C6202之間，進行控制信息的傳遞。S3C4510B響應DSP的中斷信號，讀取圖像檢測結果，轉交于uClinux操作系統(tǒng)，打包發(fā)送至網絡。

3.2 視頻采集

本設計中所使用的圖像采集設備是CCD攝像頭，由于CCD攝像頭輸出的信號為模擬信號，系統(tǒng)選用PHILIP公司的SAA7111圖像解碼芯片，以此來完成圖像的數(shù)字化過程，以及對水平和垂直同步等信號的分離。

SAA7111有很多種功能供用戶選擇，功能的選定可以通過對寄存器的設置來完成。本系統(tǒng)的研究對象是基于256級的灰度圖像，輸入信號采用PAL體制，結合系統(tǒng)處理速度的具體要求，對芯片作如下配置：采用YUV4:2:2的信號格式，只取Y（亮度）信號，分辨率為256×256像素。選用I2C總線信號對SAA7111工作寄存器初始化，然后SAA7111開始實現(xiàn)反混迭濾波、線性相位鎖定、亮色分離、視頻A/D變換等功能，同時產生行同步信號HS、場同步信號VS、奇偶場標志信號RTSO、像素時鐘信號LLC2、數(shù)字視頻信號，這些信號從芯片的管腳直接輸出，將模擬視頻信號解碼為標準的YUV格式的數(shù)字視頻信號[4]。在CPLD的控制下，將其存入FIFO幀存儲器中，通過DSP的DMA通道存入SDRAM，以便DSP進行圖像處理。

3.3 邏輯控制

本系統(tǒng)在實時圖像采集與檢測工作中，有大量邏輯轉換和讀寫等邏輯時序運算的問題，如FIFO的HF信號作為啟動DMA中斷的標志信號，由SAA7111的CREE、HS、VS譯碼產生控制輸入數(shù)據(jù)緩沖FIFO器件的寫時序，以及由DSP的Cex信號譯碼產生的控制輸入數(shù)據(jù)緩沖FIFO器件的讀時序等。為解決以上邏輯轉換和時序產生的問題，系統(tǒng)設計采用可編程邏輯控制器件CPLD ，選用EPM7128SQC 100。該器件不僅滿足了相應的邏輯時序設計的要求，而且還提供控制信號，通過編程實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊所需要的選通、緩沖、讀/寫使能、數(shù)據(jù)總線和地址總線的切換等。

3.4 DSP外圍電路設計與視頻檢測

為了實現(xiàn)視頻檢測，采用TI公司的DSP芯片TMS320C6202[5],其內部有8個并行處理單元，兩個16bit乘法器和6個算術邏輯單元，32bit外部存儲器接口(EMIF:External Memory Interface)，支持與異步外設、異步/同步FIFO、PCI橋以及外部主控處理器等的接口。此外，還有16bit的主機接口HPI、兩個多通道緩沖串口McBSP（多通道緩沖串口），它不僅可完成標準串口的全雙工串行通信，還支持多種通信協(xié)議下的直接接口。DSP不僅完成視頻實時檢測，還通過12C總線對SAA7111內部的32個寄存器操作，完成初始化參數(shù)設置。

為了DSP程序快速、可靠運行，采用FLASH和高速SDRAM方式。其中，F(xiàn)LASH選用AMD公司生產的8MB的AM29LV800B，用于存儲程序和初始化數(shù)據(jù)，通過DSP的EMIF導入C6202進行圖像處理操作。SDRAM 選用8MB的HY57V651620B,用于實時圖像數(shù)據(jù)的緩存。C6000系列的數(shù)字信號處理器的EMIF提供了對SDRAM的直接支持，接口十分方便。系統(tǒng)加電運行時，DSP自動將程序和初始化數(shù)據(jù)從FLASH裝入到高速SDRAM，裝入完畢，程序在高速SDRAM中全速運行。

考慮到圖像數(shù)據(jù)采集與DSP處理時的速度匹配問題，系統(tǒng)在圖像采集模塊和DSP模塊間采用了數(shù)據(jù)緩沖FIFO器件，經圖像采集模塊產生的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)首先緩沖至FIFO中，然后利用FIFO的HF等信號作為啟動DSP中DMA中斷的標志信號，在此基礎上，利用FIFO的HF啟動DSP的DMA通道將圖像數(shù)據(jù)傳送至DSP擴展的SDRAM中，從而有效地減少了由圖像數(shù)據(jù)輸入引發(fā)的DSP中斷的次數(shù)，提高了DSP中斷的效率。

由于圖像采集模塊的SAA7111提供給DSP的數(shù)據(jù)是TTL電平，其邏輯高電平為5V，而DSP的I/O的邏輯高電平是3.3V，因此在SAA7111輸出的圖像數(shù)據(jù)和DSP的I/O之間還需增加LVTH162245電平轉換器件，以滿足數(shù)據(jù)電平轉換的需要。

本設計中采集的是灰度圖像，為了實現(xiàn)入侵掃描功能，要求能夠存儲兩場圖像?？紤]到檢測實時性要求，采用基于幀間差分的變化檢測。檢測運動目標時，考慮到對目標大小的選擇性以及為了克服光照變化引起的虛警報, 在幀間差分基礎上，引入圖像塊概念，將圖像分成M個n×n的子塊，判斷每一子塊圖像是否發(fā)生變化，統(tǒng)計發(fā)生變化的子塊數(shù)目，判斷式[6]為：

敏感項，α為抑制系數(shù)，N為檢測區(qū)域內的像素數(shù)目。采用這種塊比較法，閾值取值范圍大大減小，易于確定，而且對運動目標的大小也有一定的選擇性。在檢測每一子塊圖像是否發(fā)生變化時，引入光照敏感項，避免了因光照變化引起的虛警。這種方法對光線變化有一定的自適應性，擴展了系統(tǒng)的動態(tài)適用范圍。

3.5 網絡接口電路設計

S3C4510B集成了以太網的MAC接口控制器，因此對外界的網絡接口只需要添加物理層芯片和RJ-45接口。這一部分電路在S3C4510B應用手冊上有詳細的電路設計參考。本系統(tǒng)選用的物理層芯片是LXT970A(10/100MB),本監(jiān)控終端通過RJ-45接口可以方便地接入以太網。

4 軟件設計

本終端選用uClinux嵌入式操作系統(tǒng), uClinux可移植性很強，支持多任務，具有完備的TCP /IP協(xié)議棧，同時對其他許多網絡協(xié)議都提供支持，這對于開發(fā)網絡方面的應用程序比較方便。本終端軟件部分的設計主要包括uClinux操作系統(tǒng)的平臺移植以及uClinux下各硬件設備的驅動程序和應用程序的開發(fā)。

本終端軟件包括視頻采集、視頻檢測、主控程序和網絡傳輸?shù)葢贸绦颍瑸榱吮ＷC系統(tǒng)硬件的正常工作，其中還包括硬件初始化程序、以及為各種設備編寫的底層驅動程序。驅動程序中需要完成的任務包括：對設備以及對應資源初始化和釋放；讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)并回送應用程序請求的數(shù)據(jù)等。編寫的底層驅動程序包括：C6202，S3C4510B內部串口、網絡接口芯片LXT970A等。嵌入式操作系統(tǒng)啟動時先加載設備驅動程序，完成設備的初始化工作,然后調用應用程序完成相應功能。

5 結束語

本文設計的網絡視頻監(jiān)控終端，可以自動檢測入侵目標并將檢測到的視頻數(shù)據(jù)通過以太網進行網絡傳輸。本監(jiān)控終端體積小，安裝方便，組網靈活，真正實現(xiàn)無人職守，可應用于住宅小區(qū)、銀行、倉庫等單位的安全防范。隨著家庭局域網的普及，其在家庭遠程視頻監(jiān)控方面必然有著廣泛的應用前景。