基于DSP的H264數(shù)字視頻服務(wù)器設(shè)計(jì)

0 引言

隨著科技的日新月異，視頻監(jiān)控應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。視頻監(jiān)控以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于許多場(chǎng)合。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的大范圍普及以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和圖像處理、信息傳輸技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。視頻監(jiān)控已經(jīng)滲透到教育、政府、娛樂場(chǎng)合、醫(yī)院、酒店、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館、城市治安等多種領(lǐng)域。目前安防監(jiān)控的要求對(duì)于設(shè)備提出了較高的要求：比如對(duì)于傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，畫面的質(zhì)量的要求。本文實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于DSP的H264視頻監(jiān)控服務(wù)器的(DVS)設(shè)計(jì)，它具有較高的壓縮比，低誤碼率以及較低的失真對(duì)視頻進(jìn)行編碼，由TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了視頻的網(wǎng)絡(luò)輸出，可以達(dá)到視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)采用TI的DM6467處理器，DSP架構(gòu)的硬件平臺(tái)系列，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，在低功耗的前提下可達(dá)到1.2GHz，以及包含了H26x的編解碼庫，可以滿足對(duì)視頻算法的需求，此外，此平臺(tái)支持多種外設(shè)，諸如PCI、LAN、以及各種視屏輸入，廣泛應(yīng)用于視頻會(huì)議、監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)頂設(shè)備。因此，此平臺(tái)可以用來設(shè)計(jì)H264的視頻服務(wù)器。

視頻服務(wù)器的系統(tǒng)構(gòu)架主要包括視頻采集模塊、視屏編碼模塊以及網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。

在系統(tǒng)上電之后，加載程序編譯成功的.out文件，初始化DSP/BIOS系統(tǒng)，以及視頻編碼庫。視頻采集處理過程如下：攝像機(jī)的PAL視頻通過AD轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，并且通過內(nèi)部算法轉(zhuǎn)為YUV(4：2：2)，然后通過接口EMIF把數(shù)據(jù)傳遞至存儲(chǔ)器EEPROM中，然后DSP采用視頻編碼庫中的H264算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，通過TCP協(xié)議將壓縮后的視頻信號(hào)通過以太網(wǎng)LAN傳輸出去，從而構(gòu)成了視頻服務(wù)器，而客戶端只需要按照TCP協(xié)議接收數(shù)據(jù)并解碼，就可以實(shí)時(shí)顯示圖像。

1.1 視頻采集模塊

圖3為視頻采集模塊的原理圖，CVBS為視頻輸入，可以將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為YUV分量，輸出為ITU—R BT.656，其中對(duì)該編碼器的配置是通過IIC總線將指令寫入內(nèi)部寄存器，就可以正常采取視頻信號(hào)并把數(shù)據(jù)傳給存儲(chǔ)器做進(jìn)一步的處理。

在此系統(tǒng)中，使用了ROM對(duì)視頻信號(hào)做緩存以及編碼處理(圖4)，芯片通過CS、OE來控制芯片并對(duì)其做讀取操作。它和DSP的連接示意圖如圖4所示。

1.2 H264算法

H264具有壓縮率高以及失真率低的優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)過程如下：1)把當(dāng)前的圖像劃分成若干個(gè)子模塊，以子模塊作為編碼的基本單元;2)通過當(dāng)前幀減去預(yù)測(cè)值經(jīng)過變換、量化、重排、熵編碼，從而加強(qiáng)了壓縮率;3)采用了時(shí)域運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，從而減少了冗余以及增強(qiáng)信道傳輸?shù)娜蒎e(cuò)性。

DM64xx芯片本身具有H264編碼庫，在開發(fā)的時(shí)候只需加載h264enc.lib并調(diào)用函數(shù)int h264.enc即可，參數(shù)聲明如下：

Unsigned char*pic原始圖像首地址

Unsigned char*ostream編碼后輸出數(shù)據(jù)流緩沖地址

int channel對(duì)應(yīng)的編碼通道號(hào)，不重疊的正整數(shù)

int *frametype幀類型

1.3 TCP協(xié)議以及IEEE802.3以太網(wǎng)

控制傳輸協(xié)議(TCP)是一種可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。高可靠性是通過發(fā)送數(shù)據(jù)前先建立連接，結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸時(shí)關(guān)閉連接，在數(shù)據(jù)傳輸過程中進(jìn)行超時(shí)重發(fā)、流量控制和數(shù)據(jù)確認(rèn)，對(duì)亂序數(shù)據(jù)進(jìn)行重排校驗(yàn)等機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。利用協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信，通信進(jìn)程間相互作用的主要模式是服務(wù)器，客戶機(jī)模式通信的具體編程由套接字來實(shí)現(xiàn)，套接字是網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)接口，分為流式套接字和用戶數(shù)據(jù)報(bào)，流式套接字提供一種面向連接的、可靠的雙向數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無差錯(cuò)無重復(fù)的發(fā)送，流式套接字內(nèi)設(shè)流量控制，被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)看做是無記錄邊界的字節(jié)流在協(xié)議族中，使用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)字節(jié)流的傳輸，當(dāng)要發(fā)送大批量數(shù)據(jù)或者對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有較高的要求時(shí)，使用流套接字。

在本設(shè)計(jì)中，如圖5所示，首先創(chuàng)建Socket，綁定IP地址和端口值，協(xié)議設(shè)置為IPv4同時(shí)設(shè)定掩碼值，設(shè)定最大字節(jié)數(shù)目，然后創(chuàng)建連接請(qǐng)求，若連接成功則從緩存區(qū)讀取若干字節(jié)發(fā)送出去，否則的話將阻塞在該進(jìn)程中。此外為了保證視頻的流暢性，在網(wǎng)絡(luò)情況不好的情況下進(jìn)行丟幀處理，同時(shí)在緩存區(qū)設(shè)置標(biāo)志位，當(dāng)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)全部被套接字處理之后，該標(biāo)志位設(shè)置為有效，從而清理緩存區(qū)，從而加載新的視頻數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。

該處理器外設(shè)的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。在DSP處理器和EMAC控制器之間用設(shè)備總線相連，EMAC控制器可以使用DSP內(nèi)存，并且控制中斷和復(fù)位，及內(nèi)存使用的優(yōu)先級(jí)。另外EMAC單元還可以提供網(wǎng)絡(luò)和處理器內(nèi)核的接口，支持1 0、100Mpbs數(shù)據(jù)傳輸。MDIO可以查詢和控制以太網(wǎng)PHY，它可以配置以太網(wǎng)的參數(shù)，從而達(dá)到糾錯(cuò)的目的，同時(shí)又可以獲取數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果。

2 客戶端的實(shí)現(xiàn)

客戶端無論是Windows或者Linux系統(tǒng)都具有Socket API，可以實(shí)現(xiàn)TCP傳輸協(xié)議，首先創(chuàng)建Socket并連接服務(wù)器端，并讀取來buffer的數(shù)據(jù)，在接收到數(shù)據(jù)之后，需要通過解碼將視頻顯示出來，通過加載動(dòng)態(tài)鏈接庫，調(diào)用視頻播放器的API接口函數(shù)即可。Windows程序加載DLL的流程如圖7所示，客戶端工作流程如圖8所示。

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