基于Davicn的嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

視頻監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了3個(gè)主要的發(fā)展階段：第1代是以磁帶存儲(chǔ)為主要特征的本地模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)(VTR時(shí)代)；第2代是以ISDN網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、并綜合應(yīng)用數(shù)字壓縮、時(shí)隙交換和數(shù)字硬盤錄像機(jī)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)(DVR時(shí)代)；第3代是基于IP網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)字視頻技術(shù)和圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控正向智能化的方向發(fā)展，即智能視頻監(jiān)控。與非智能化得視頻監(jiān)控相比，智能視覺監(jiān)控能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)監(jiān)控，采用智能算法對(duì)監(jiān)控到的畫面進(jìn)行智能分析，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

智能視頻監(jiān)控有基于PC機(jī)的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)和嵌入式的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。兩者相比，嵌入式的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有便攜、低功耗、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)勢(shì)，隨著嵌入式智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的大量應(yīng)用、批量生產(chǎn)，其成本優(yōu)勢(shì)也將得到體現(xiàn)。嵌入式智能監(jiān)控產(chǎn)品已是監(jiān)控市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于達(dá)芬奇DM6446平臺(tái)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，提出了一種新型的嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架方案，該方案由視頻分析單元、視頻服務(wù)器、一級(jí)客戶端、二級(jí)客戶端組成的，文中系統(tǒng)地分析了各個(gè)部分的關(guān)鍵技術(shù)并給出了具體的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方案。多級(jí)客戶端的結(jié)構(gòu)可以提供對(duì)多個(gè)嵌入式智能視頻監(jiān)控器的系統(tǒng)管理，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)監(jiān)控場(chǎng)景的全面、無(wú)縫監(jiān)控。本系統(tǒng)基于davicnTMS320DM6446芯片實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)安全可靠，可擴(kuò)充性強(qiáng)，應(yīng)用靈活。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由視頻采集、視頻服務(wù)、智能視頻分析、智能客戶端、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、電視墻等組成。視頻服務(wù)器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)；智能視頻分析單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的智能分析；智能客戶端作為一級(jí)客戶端主要是實(shí)現(xiàn)流媒體的實(shí)時(shí)播放，與監(jiān)控管理相關(guān)的各種控制操作，與智能視頻分析相關(guān)的規(guī)則設(shè)置、分析軟件的更新等；網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和電視墻作為二級(jí)客戶端分別用于視頻回放，實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視。


2 軟硬件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)基于TMS320DM6446的實(shí)現(xiàn)。TMS320DM6446是TIC6000系列中速度達(dá)到4 800 MIPS的雙核處理器，集成了高速C64x+DSP處理器和ARM926EJ2S處理器。針對(duì)DSP核具有高速的數(shù)據(jù)處理能力和ARM核優(yōu)于對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制的特點(diǎn)，該系統(tǒng)中ARM主要負(fù)責(zé)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸控制、外設(shè)控制，即ARM作為視頻服務(wù)器，DSP作為智能視頻分析單元。
本系統(tǒng)的軟件分為3個(gè)部分：視頻服務(wù)器部分采用monta vista linux嵌入式操作系統(tǒng)；智能視頻分析單元運(yùn)行匯編語(yǔ)言編寫的視頻分析算法，無(wú)單獨(dú)操作系統(tǒng)，由視頻服務(wù)器Linux來(lái)調(diào)度執(zhí)行；智能客戶端在PC上VC++實(shí)現(xiàn)，智能客戶端和視頻服務(wù)器間的通信通過(guò)Socket實(shí)現(xiàn)。

3 功能模塊實(shí)現(xiàn)方案

3．1 視頻采集

系統(tǒng)采用TI公司的視頻解碼芯片TVP5146實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，由DM6446的I2C對(duì)其控制，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后送至DM6446的VPFE模塊。

3．2 視頻服務(wù)器

視頻服務(wù)器由ARM子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、VPSS、視頻自動(dòng)環(huán)出、外圍設(shè)置及控制電路組成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)，視頻處理等。

視頻處理模塊VPSS(VPEE和VPBE)包括視頻的編解碼、視頻輸入輸出、視頻放大。DM6446中集成了VPSS。視頻信號(hào)輸入到視頻處理前端(VPEE)后直接通過(guò)EDMA方式送至DDR中指定的空間存儲(chǔ)。當(dāng)VP5146轉(zhuǎn)換完一幀圖像，產(chǎn)生EDMA中斷信號(hào)，并在EDMA中斷服務(wù)程序中由DSP子系統(tǒng)完成智能視頻分析的任務(wù)。視頻數(shù)字信號(hào)經(jīng)處理后通過(guò)視頻后端(VPBE)放大經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳出，或者轉(zhuǎn)換成NTSL／PAL制式的電視信號(hào)傳輸?shù)诫娨晧Α?br />為了保證系統(tǒng)的魯棒性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了視頻自動(dòng)環(huán)出功能。在視頻服務(wù)器或智能視頻分析單元出現(xiàn)故障的情況下，視頻自動(dòng)環(huán)出能控制視頻雙通道切換，直接輸出前端的復(fù)合視頻信號(hào)。在故障的情況下不影響視頻信號(hào)的傳輸，保證信號(hào)的連續(xù)性，保證系統(tǒng)的魯棒性。
另外視頻服務(wù)器中還包含網(wǎng)絡(luò)接口模塊、存儲(chǔ)模塊、電源管理與復(fù)位模塊、串口模塊等。

3．3 智能視頻分析單元

智能視頻分析單元負(fù)責(zé)對(duì)視頻圖像進(jìn)行編解碼、分析，得到對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景的理解，智能視頻分析系統(tǒng)的性能很大程度上依賴于其中智能視頻分析算法的精度和效率，所以算法的合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前智能視頻分析算法有很多種，但各自有其局限性，為某一應(yīng)用選擇合適的算法，往往從速度、精度還有應(yīng)用范圍等方面做綜合權(quán)衡。本系統(tǒng)主要針對(duì)禁區(qū)入侵智能監(jiān)控的應(yīng)用，為該應(yīng)用設(shè)計(jì)了一套快速實(shí)用的智能視頻分析算法，其視頻分析過(guò)程如圖2所示。

本系統(tǒng)中的智能視頻分析單元由DM6446的DSP內(nèi)核運(yùn)行智能視頻分析算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3．4 智能客戶端

智能客戶端作為監(jiān)控者與視頻服務(wù)器的人機(jī)交互在智能監(jiān)控系統(tǒng)中扮演著重要作用，本系統(tǒng)在PC機(jī)Windows VC++6．0環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，智能客戶端與視頻服務(wù)器之間采用C-S的模式構(gòu)建，客戶端程序采用了2個(gè)類對(duì)象分別來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能，其與視頻服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

智能客戶端能自動(dòng)搜索局域網(wǎng)中所有的設(shè)備(嵌入式智能視頻監(jiān)控器)，并對(duì)搜索到的設(shè)備提供身份驗(yàn)證、實(shí)時(shí)視頻場(chǎng)景監(jiān)控，用戶權(quán)限管理、日期時(shí)間管理、設(shè)備信息管理、報(bào)警規(guī)則設(shè)置、報(bào)警任務(wù)設(shè)置，報(bào)警信息查詢、固件升級(jí)等服務(wù)。

智能客戶端本身不存在有數(shù)據(jù)的存取，其每一個(gè)操作都必須與視頻服務(wù)器通信，多個(gè)操作可能會(huì)同時(shí)發(fā)生(例如：固件升級(jí)和報(bào)警產(chǎn)生同時(shí)發(fā)生)，本系統(tǒng)中采用多線程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的并行或串行，分別為自動(dòng)搜索設(shè)備線程、配置數(shù)據(jù)通信線程、視頻場(chǎng)景監(jiān)控線程、固件升級(jí)線程，其流程圖如圖4所示。

客戶端系統(tǒng)啟動(dòng)后，進(jìn)入到自動(dòng)搜索界面，創(chuàng)建自動(dòng)搜索設(shè)備線程，在該線程中與視頻服務(wù)器通信，采用TCP／IP協(xié)議，確認(rèn)對(duì)方設(shè)備在工作狀態(tài)后，顯示所有正常工作的設(shè)備，創(chuàng)建配置數(shù)據(jù)通信線程、視頻場(chǎng)景監(jiān)控線程，并銷毀自動(dòng)搜索設(shè)備線程。

配置數(shù)據(jù)通信線程負(fù)責(zé)顯示視頻服務(wù)器端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，發(fā)送用戶的配置數(shù)據(jù)給視頻服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)通信采用TCP／IP協(xié)議。

視頻場(chǎng)景監(jiān)控線程實(shí)現(xiàn)解碼視頻圖像并顯示，網(wǎng)絡(luò)通信采用UDP協(xié)議，在該線程中使用了CXIMAGE類對(duì)象來(lái)解碼和顯示視頻圖像。配置數(shù)據(jù)通訊線程和視頻場(chǎng)景監(jiān)控線程在客戶端程序運(yùn)行時(shí)一直存在。

固件升級(jí)線程只有在用戶進(jìn)行了“版本升級(jí)”操作時(shí)才啟用，其中的網(wǎng)絡(luò)通信采用FTP協(xié)議，當(dāng)固件升級(jí)完畢，銷毀該線程。

3．5 二級(jí)容尸端

二級(jí)客戶端包括網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)單元和電視墻。

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控存儲(chǔ)單元通過(guò)DM6446的ATA接口，存儲(chǔ)經(jīng)過(guò)智能視頻分析后的視頻數(shù)據(jù)，以供監(jiān)控視頻回放。由于存放的是處理后的視頻數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)智能搜索，從海量的視頻數(shù)據(jù)中迅速定位，大大提高系統(tǒng)的使用效率。智能客戶端(一級(jí)客戶端)本身沒有存儲(chǔ)功能，只提供實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控存儲(chǔ)單元作為智能記憶單元，為一級(jí)客戶端提供時(shí)間上的補(bǔ)充。
智能客戶端主要的功能在于配置管理視頻服務(wù)器，在監(jiān)控功能上只能提供一個(gè)場(chǎng)景點(diǎn)的監(jiān)控。電視墻可同時(shí)監(jiān)控多個(gè)場(chǎng)景，給系統(tǒng)提供更加全面完善的監(jiān)控，為一級(jí)客戶端提供空間上的補(bǔ)充。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本文提出的構(gòu)架方案和實(shí)現(xiàn)方案已通過(guò)測(cè)試。圖5～圖7為某場(chǎng)景禁區(qū)入侵測(cè)試報(bào)警效果截圖。其中圖5為某室內(nèi)場(chǎng)景圖，圖6中為該場(chǎng)景設(shè)置了禁區(qū)規(guī)則，圖中的黑色粗實(shí)線就是通過(guò)客戶端設(shè)置的禁區(qū)絆線，從線上通過(guò)則會(huì)觸發(fā)報(bào)警，圖7為規(guī)則觸犯后報(bào)警圖，線框部分為檢測(cè)到的入侵目標(biāo)。


5 結(jié)語(yǔ)

提出了一種新型的嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控的構(gòu)架方案，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)方案，該方案實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)采用集中式統(tǒng)一管理，多點(diǎn)分布式布控，可以應(yīng)用于多場(chǎng)景、多點(diǎn)監(jiān)控。系統(tǒng)采用多級(jí)客戶端結(jié)構(gòu)，一級(jí)客戶端提供集中式統(tǒng)一管理，二級(jí)客戶端提供對(duì)多個(gè)監(jiān)控場(chǎng)景的全面、無(wú)縫監(jiān)控。可擴(kuò)展性強(qiáng)，系統(tǒng)中可以隨時(shí)加入新的布控點(diǎn)，智能客戶端通過(guò)重新搜索功能就可實(shí)現(xiàn)對(duì)新布控點(diǎn)的控制和管理。智能視頻分析算法可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)更新；針對(duì)不同的場(chǎng)景、監(jiān)控的不同要求，可以采用不同的智能視頻分析算法，提供個(gè)性化的視頻智能分析服務(wù)，這些都給系統(tǒng)的應(yīng)用帶來(lái)極大的靈活性。