基于TMS320 DM355監(jiān)控服務器設計與實現(xiàn)

本設計以TI公司DaVinci系列芯片作為硬件平臺，結合嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于TMS320DM355的視頻服務器。本文闡述了各硬件模塊的選型與功能，以及服務器的軟件架構與實現(xiàn)。同時給出了整個網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的框架，包括視頻服務器、網(wǎng)絡傳輸鏈路及客戶監(jiān)控端。本設計采用MPEG4視頻編碼標準，由DM355內部的MPEG/JPEG協(xié)處理器完成。實驗表明，在帶寬充足的條件下，可實現(xiàn)實時監(jiān)控。

1．引言

　　多媒體監(jiān)控一直是人們關注的應用技術熱點之一，它以直觀、方便、信息內容豐富等特點被廣泛應用于許多場合。而隨著嵌入式系統(tǒng)和視頻壓縮技術的不斷發(fā)展，基于嵌入式技術的視頻監(jiān)控系統(tǒng)也得到了快速的發(fā)展與應用。其通過把攝像機輸出的模擬信號轉化為數(shù)字信號，再經(jīng)過嵌入式系統(tǒng)編碼和傳輸。在客戶端，通過安裝監(jiān)控軟件，或者直接通過Web進行監(jiān)控。采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備編碼處理、網(wǎng)絡通信、自動控制等強大功能，直接支持網(wǎng)絡傳輸和網(wǎng)絡管理，使得監(jiān)控范圍達到了一定的廣度。

　　此外，嵌入式處理器的發(fā)展也日新月異，有專注于控制的ARM系列處理器，擅長快速計算的DSP處理器，還有一些針對性非常強的處理器，可以實現(xiàn)硬件視頻編解碼等。而德州儀器（TI）新近推出的針對便攜式高清（HD）視頻產(chǎn)品市場的達芬奇（DaVinci）處理器TMS320DM355處理器，結合了它們的特長。其內部具有一個ARM9EJ-S的主處理器，負責整個系統(tǒng)的控制，同時也集成了一個MPEG/JPEG協(xié)處理器，專注于MPEG/JPEG算法的實現(xiàn)。其內部的視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）及其它外設可方便快速的實現(xiàn)視頻的采集、預處理、顯示、網(wǎng)絡傳輸?shù)裙δ?。同時，其低廉的價格也為用戶降低了成本。而本設計即選用此處理器。

　　2．視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體框架

　　本嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻服務器、網(wǎng)絡傳輸鏈路、客戶監(jiān)控端等3部分組成。視頻服務器負責音視頻等數(shù)據(jù)的采集、壓縮處理等，網(wǎng)絡傳輸鏈路將視頻服務器壓縮和發(fā)送的多媒體數(shù)據(jù)進行傳輸，而客戶端監(jiān)控部分接收音視頻數(shù)據(jù)，進行解壓、顯示以及對視頻服務器的控制等。整個系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

　2.1．視頻服務器

　　視頻服務器采用德州儀器（TI）新近推出的達芬奇(DaVinci)系列處理器TMS320DM355作為主處理器，接收CCD攝像頭采集的視頻信號，進行預處理及MPEG4壓縮，然后將壓縮后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸。同時，接收上位機發(fā)送的命令，解析并且執(zhí)行。每個設備都具有唯一的ID，當客戶端進行連接時，服務器會首先檢查ID號是否匹配，以防止惡意連接。此外，當視頻服務器運行異常時，其內部的守護進程會進行監(jiān)視，適當?shù)臅r候進行重啟。

　　2.2．網(wǎng)絡傳輸鏈路

　　網(wǎng)絡傳輸鏈路負責多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。此處，可以根據(jù)實際需求，進行網(wǎng)絡傳輸鏈路的選擇。局域網(wǎng)（LAN）、無線局域網(wǎng)（WLAN）、INTERNET、CDMA、3G等都是可供選擇的傳輸鏈路。其中，局域網(wǎng)（LAN）和無線局域網(wǎng)（WLAN）帶寬充足、穩(wěn)定，并且設備簡單，易于實現(xiàn)，但會受到距離的限制。INTERNET和CDMA網(wǎng)絡可以使監(jiān)控距離得到擴展，但是其帶寬受限，圖像質量會受到影響。而最新的3G網(wǎng)絡也是一個不錯的選擇，帶寬在靜止狀態(tài)下可以達到2Mbps，但是其在穩(wěn)定性方面還待測試。用戶可以根據(jù)自己的需求進行選擇，或者直接搭建專線網(wǎng)絡，以實現(xiàn)各自的監(jiān)控指標。

　　2.3．客戶監(jiān)控端

　　客戶端主要與各個視頻服務器進行連接，以實現(xiàn)監(jiān)控?？蛻舳丝梢圆捎肞C機或者便攜式設備，與網(wǎng)絡傳輸鏈路相連，通過上位機軟件與視頻服務器連接，接收視頻服務器發(fā)送的多媒體數(shù)據(jù)，進行解碼，然后在上位機顯示。同時，向視頻服務器發(fā)送控制命令，實現(xiàn)云臺、鏡頭等的控制。3．視頻服務器硬件設計3.1．整體框架視頻服務器完成視頻的采集、MPEG4壓縮和網(wǎng)絡傳輸，以及云臺、鏡頭等的控制。其硬件結構框圖如圖2所示。

圖2視頻服務器硬件結構框圖

　4.1．系統(tǒng)上電及引導程序

　　系統(tǒng)上電時，是由DM355的輸入引腳BTSEL[1:0]來決定從ROM或者AEMIF啟動。此設計處選擇從ROM啟動。此時，系統(tǒng)直接跳轉到內部ROM的起始地址（0X00008000）執(zhí)行指令。內嵌的ROM啟動代碼（RBL）進行一些配置操作，然后讀取BOOTCFG寄存器來決定是從NAND、MMC/SD或者UART啟動。本設計選擇NAND啟動。NANDflash里預先燒寫好了U-boot、Linux內核以及根文件系統(tǒng)。NAND啟動以后，會讀取bootloader的stage1部分的指令對系統(tǒng)進行必要的設置，然后將stage2部分的代碼搬移到SDRAM中進行執(zhí)行。當用戶選擇啟動內核時，bootloader將內核從NANDflash里搬運到SDRAM，然后跳轉到內核的起始地址進行執(zhí)行，啟動內核。

　　4.2．嵌入式Linux操作系統(tǒng)

　　嵌入式Linux操作系統(tǒng)是針對不同的應用需求，對Linux內核進行裁剪修改使之能在嵌入式計算機系統(tǒng)上運行的一種操作系統(tǒng)。它開放源碼，內核小、效率高，適用于多種CPU和硬件平臺，性能穩(wěn)定，可移植性好等特點為其開辟了一片屬于自己的空間。

　　本設計選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件平臺，實現(xiàn)各硬件模塊的驅動的添加及移植，用戶應用程序的編寫及調試。

　　4.3．用戶應用程序

　　本設計中將整個應用程序分為2個進程，data進程和command進程。Data進程主要負責音視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮和網(wǎng)絡傳輸。其中，又分為3個線程，capture線程、編碼線程以及control線程。Capture線程控制采集設備進行圖像及聲音的采集及預處理；編碼線程從capture線程讀取數(shù)據(jù)，進行MPEG4（視頻）或G.711（音頻）壓縮。Control線程從編碼線程讀取壓縮完的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡發(fā)送給客戶端。而command進程接收上位機命令，解析、執(zhí)行，并且控制云臺，鏡頭及測溫等。Command進程還加入了用戶ID檢驗等功能，提供簡單的保護機制。應用程序的流程圖如圖4所示。

圖4應用程序流程圖

　　4.4．MPEG/JPEG協(xié)處理器編碼

　　由于DM355內部集成了MPEG/JPEG協(xié)處理器，對于音視頻的編解碼主要是通過它來完成的。而對它的操作是依靠TI公司制訂的基于eXpressDSP算法互用性標準（xDAIS）的xDAIS-DM標準實現(xiàn)的。此標準定義了一組統(tǒng)一的API，這些API是建立在各種多媒體算法之上的，這樣即簡化了集成難度，同時保證了互用性。TI提出的CodecEngine就是一組用于示例和運行xDAIS算法的API，而VISA（Video，Image，Speech，Audio）類是用來與xDAIS-DM算法標準定義的基于各種多媒體算法的API函數(shù)集進行交互的接口。在應用程序編程中，通過進行如下的操作來完成視頻的編碼。

　　打開編解碼引擎：

　　staticStringengineName=videnc

　　Engine_Handlece;Engine_Errorerrorcode;ce=Engine_open(engineName,NULL,errorcode);視頻編碼類提供四個API函數(shù)：創(chuàng)建視頻編碼類：VIDENC_Handlehenc;staticStringencoderName=mpeg4enc;henc=VIDENC_create(ce,encoderName,NULL);其中ce為打開編碼引擎時返回的句柄。對視頻編碼類進行控制，設置視頻編碼動態(tài)參數(shù)：VIDENC_control(henc,XDM_SETPARAMS,dynamicParams,encStatus);處理數(shù)據(jù)，進行編碼：VIDENC_process(henc,inBufDesc,outBufDesc,inArgs,outArgs);其中參數(shù)henc為創(chuàng)建的VISA類句柄，inBufDesc為原始數(shù)據(jù)buffer，outBufDesc為壓縮后數(shù)據(jù)buffer，inArgs和outArgs為輸入輸出配置參數(shù)。銷毀創(chuàng)建的視頻編碼類：VIDENC_delete(henc)；在應用程序中調用以上API，即可利用MPEG/JPEG協(xié)處理器對原始視頻數(shù)據(jù)進行壓縮，而音頻數(shù)據(jù)的壓縮與此類似。

5．總結

本文介紹了基于最新Davinci平臺的視頻監(jiān)控服務器的設計與實現(xiàn)，包括硬件組成和軟件設計。整個視頻服務器利用DM355內部的ARM926EJ-S核運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，而用MPEG/JPEG協(xié)處理器進行MPEG4編碼相關的計算。文中對利用MPEG/JPEG協(xié)處理器進行編碼也做了介紹，同時給出了整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)的框架。經(jīng)過在局域網(wǎng)內測試，可以實現(xiàn)D1格式的視頻的實時傳輸，同時可以進行云臺及鏡頭等的控制。利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)樓宇、街道等場所的視頻監(jiān)控。