遠(yuǎn)程多媒體監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)

摘要：介紹了單機(jī)多媒體監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方法以及系統(tǒng)的功能等。著重描述了基于高速ＤＳＰ芯片的系統(tǒng)各模塊組成、原理及具體的設(shè)計(jì)方法。最后，從技術(shù)和社會(huì)效益角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了展望。本系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：多媒體 數(shù)字信號(hào)處理器 數(shù)據(jù)通信 數(shù)據(jù)壓縮

在一些重要的單位，例如金融機(jī)構(gòu)的營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)及時(shí)地報(bào)警，報(bào)警裝置能夠自動(dòng)撥號(hào)報(bào)警或人工撥號(hào)報(bào)警。然而，保安人員或警務(wù)人員接到報(bào)警信號(hào)后，在不了解現(xiàn)場(chǎng)情況下就立即趕到報(bào)警點(diǎn)，這種比較盲目的方式給事件的妥善處理帶來(lái)了不利的因素。所以，對(duì)于處理報(bào)警的工作人員迫切需要在收到報(bào)警信號(hào)的同時(shí)能直觀地獲取現(xiàn)場(chǎng)圖象及聲音，為準(zhǔn)確、及時(shí)地處理突發(fā)事件提供參考。另外，在一些工業(yè)部門中，很多設(shè)施和崗位要實(shí)行２４小時(shí)無(wú)人職守，完成諸如遙視、遙控等信息的傳輸，對(duì)于這種分布廣、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合，采用自動(dòng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是比較合適的解決方案。

現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)的部分地區(qū)和部門開始應(yīng)用多媒體通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)公共安全防范。然而，他們采用的設(shè)備大多是基于ＰＣ機(jī)插卡式的系統(tǒng)，或是國(guó)外的單機(jī)設(shè)備。這些設(shè)備要么實(shí)用性差，要么價(jià)格昂貴，使得多媒體遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)難以普及和推廣。

在此背景下，我們和廈華電子合作，研制開發(fā)了單機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)參照ＩＴＵ－Ｈ．３２４協(xié)議中的通信協(xié)議構(gòu)建通信過(guò)程，采用高速ＤＳＰ技術(shù)，用軟件實(shí)現(xiàn)音頻和視頻的壓縮編碼，試圖以新技術(shù)為基礎(chǔ)，用最簡(jiǎn)化的硬件結(jié)構(gòu)，力求最高的性能價(jià)格比，獲得較好的社會(huì)效益。

１ 系統(tǒng)構(gòu)成及功能簡(jiǎn)介

１.１ 系統(tǒng)構(gòu)成介紹

遠(yuǎn)程多媒體監(jiān)控系統(tǒng)是一種遠(yuǎn)程圖像、語(yǔ)音自動(dòng)傳輸監(jiān)控裝置，由監(jiān)控點(diǎn)的終端機(jī)和控制中心的主控微機(jī)兩大部分組成（見圖１）。終端機(jī)的主要功能及構(gòu)成是：通過(guò)Ａ－Ｌａｗ ＣＯＭＢＯ ＣＯＤＥＣ器件ＴＰ３０５７采集監(jiān)控點(diǎn)的語(yǔ)音信號(hào)，形成ＰＣＭ信號(hào)；由圖像編碼器ＢＴ８１９Ａ采集監(jiān)控點(diǎn)的原始圖像信號(hào)，形成數(shù)字視頻信號(hào)；把浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器ＡＤＳＰ２１０６１作為系統(tǒng)的圖像協(xié)處理器，控制視頻圖像采集、存儲(chǔ)并實(shí)現(xiàn)視頻圖像的實(shí)時(shí)壓縮處理（符合Ｈ．２６３建議）；用定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器ＡＤＳＰ２１８１作為整個(gè)系統(tǒng)的主控處理器，在完成音頻采集和語(yǔ)音的實(shí)時(shí)壓縮處理（符合Ｇ．７２３．１建議）的同時(shí)，還完成對(duì)監(jiān)控點(diǎn)實(shí)施數(shù)據(jù)采集與控制、通過(guò)ＭＯＤＥＭ與主機(jī)交互命令并把圖像和語(yǔ)音的編碼數(shù)據(jù)按一定的格式打包，通過(guò)ＭＯＤＥＭ送到遠(yuǎn)端的主機(jī)等操作；經(jīng)過(guò)打包后的編碼數(shù)據(jù)由ＡＤＳＰ２１８１送出，這里使用異步通信器件ＴＬ１６Ｃ５５０Ｂ連接ＤＳＰ和ＭＯＤＥＭ，這樣做簡(jiǎn)化了ＤＳＰ軟件的實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。

１.２ 系統(tǒng)功能與組網(wǎng)配置

系統(tǒng)具有的主要功能如下：

·報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能：當(dāng)報(bào)警探測(cè)器被觸發(fā)時(shí)，就自動(dòng)切換到指定的攝像機(jī)，同時(shí)開始發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像和聲音信息。

·遠(yuǎn)程監(jiān)視功能：可通過(guò)普通電話線在異地進(jìn)行可視化監(jiān)視，包括切換不同攝像畫面、靜止或活動(dòng)圖像，并可遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)設(shè)備工作。

·數(shù)字化處理功能：可以將攝像圖像以數(shù)字方式保存在電腦硬盤或其他各種存儲(chǔ)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字化處理過(guò)程，如打印、轉(zhuǎn)換、檢索等。

·方便的組網(wǎng)功能：控制中心可以通過(guò)電話網(wǎng)對(duì)監(jiān)控終端機(jī)進(jìn)行配置，包括：使用許可證書、控制中心電話號(hào)碼、終端機(jī)編號(hào)、缺省數(shù)據(jù)等，即可完成系統(tǒng)的組網(wǎng)（見圖２）。系統(tǒng)可連接的監(jiān)控終端機(jī)數(shù)量不限。

２ 系統(tǒng)的硬軟件實(shí)現(xiàn)

２.１ 系統(tǒng)終端機(jī)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端機(jī)按功能劃分成以下幾個(gè)主要部分：處理器核心、模擬數(shù)據(jù)接口、圖像采集控制、串行控制器接口。

處理器核心 我們考慮到圖像和語(yǔ)音的壓縮編碼處理需要較大的運(yùn)算量和內(nèi)存空間，所以采用了兩片ＤＳＰ芯片分別進(jìn)行圖像和語(yǔ)音的壓縮編碼。監(jiān)控終端機(jī)的系統(tǒng)處理器核心部分是由ＡＤＳＰ２１０６１（圖像協(xié)處理器）與外擴(kuò)的ＳＲＡＭ、ＡＤＳＰ２１８１（主控處理器）和各自的ＥＰＲＯＭ組成。這兩個(gè)處理器芯片之間的通信是通過(guò)其內(nèi)部的全雙工同步串口的異步應(yīng)答方式實(shí)現(xiàn)的。

硬件連接主要是通過(guò)兩個(gè)幀同步信號(hào)ＲＦＳ／ＴＦＳ（接收幀同步／發(fā)送幀同步）的交叉互連，兩個(gè)主機(jī)分別把ＲＦＳ設(shè)成外部輸入、ＴＦＳ設(shè)成內(nèi)部產(chǎn)生輸出。對(duì)于發(fā)送端來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)送寄存器中的數(shù)據(jù)有效時(shí)產(chǎn)生ＴＦＳ信號(hào)；同時(shí)，對(duì)于接收端來(lái)說(shuō)，當(dāng)在ＲＦＳ信號(hào)線上收到ＲＦＳ信號(hào)時(shí)就會(huì)按照ＳＣＬＫ的時(shí)鐘時(shí)序接收ＤＲ上的數(shù)據(jù)，這樣經(jīng)串口發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)幀都是對(duì)齊的（見圖３）。

模擬數(shù)據(jù)接口 模擬接口采集外界環(huán)境的原始圖像、語(yǔ)音信息進(jìn)行處理。分為圖像接口和語(yǔ)音接口兩個(gè)部分。語(yǔ)音信號(hào)模擬部分的作用主要在錄音的過(guò)程中將輸入的語(yǔ)音信號(hào)放大、帶通濾波后送入ＣＯＭＢＯ ＣＯＤＥＣ濾波器中進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。放大部分采用普通的運(yùn)放電路，構(gòu)成一個(gè)同相放大電路，使得輸入的信號(hào)在Ａ／Ｄ采樣的范圍內(nèi)，從而可以提高量化的精度（見圖４）。

視頻信號(hào)的采樣、量化采用ＢＴ８１９Ａ，將采集的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)ＡＤＳＰ２１０６１的外部ＤＭＡ通道７（設(shè)置該通道功能為數(shù)據(jù)由外部設(shè)備傳入到外部指定的地址中的ＤＭＡ功能）實(shí)現(xiàn)。ＢＴ８１９Ａ是一種單片視頻解碼芯片，可以支持ＰＡＬ／ＮＴＳＣ／Ｓ－ＶＩＤＥＯ標(biāo)準(zhǔn)的視頻采集設(shè)備（見圖５）。

圖像采集控制 圖像采集控制部分是終端機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分。因?yàn)閳D像的采集和轉(zhuǎn)換要求速度快，并且不能占用系統(tǒng)過(guò)多的資源，所以本部分的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。

由上面的介紹可以知道，圖像的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換是通過(guò)ＢＴ８１９Ａ來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是ＢＴ８１９Ａ沒(méi)有提供對(duì)圖像數(shù)據(jù)的幀存能力，因此ＢＴ８１９Ａ轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)需要在ＡＤＳＰ２１０６１的ＤＭＡ控制器的參與下送入ＡＤＳＰ２１０１６１的外擴(kuò)存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)幀存，這個(gè)過(guò)程需要ＡＤＳＰ２１０６１與ＢＴ８１９Ａ通過(guò)譯碼邏輯實(shí)現(xiàn)。ＢＴ８１９Ａ提供兩種圖像數(shù)據(jù)接口，我們采用（異步圖像數(shù)據(jù)接口）ＡＰＩ模式Ｂ，在該模式下異步圖像數(shù)據(jù)接口送出圖像數(shù)據(jù)格式為ＹＵＶ４２２的１６ｂｉｔ數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將ＢＴ８１９Ａ作為ＡＤＳＰ２１０６１的外部設(shè)備，同時(shí)，ＡＤＳＰ２１０６１的外擴(kuò)存儲(chǔ)器作為ＢＴ８１９Ａ的視頻緩沖器。由于ＡＤＳＰ２１０６１的ＤＭＡ控制器支持從外部設(shè)備到外部的存儲(chǔ)器的ＤＭＡ傳送方式，這樣在此傳輸方式下，ＡＤＳＰ２１０６１就可以響應(yīng)外部設(shè)備ＤＭＡ請(qǐng)求信號(hào)，執(zhí)行ＤＭＡ過(guò)程，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫入外部存儲(chǔ)器中。ＡＤＳＰ２１０６１所收到的ＤＭＡ請(qǐng)求信號(hào)是由ＢＴ８１９Ａ送出的圖像數(shù)據(jù)接口控制信號(hào)經(jīng)過(guò)譯碼得到的。

串行控制器接口 經(jīng)過(guò)壓縮編碼的圖像和語(yǔ)音碼流在ＡＤＳＰ２１８１內(nèi)部打包處理后，通過(guò)ＭＯＤＥＭ經(jīng)過(guò)ＰＳＴＮ傳送到遠(yuǎn)端的中心控制機(jī)。因此需要考慮設(shè)計(jì)一個(gè)ＡＤＳＰ２１８１與ＭＯＤＥＭ之間的接口，通過(guò)ＡＤＳＰ２１８１與ＴＬ１６Ｃ５５０Ｂ的一個(gè)數(shù)據(jù)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，具體的設(shè)計(jì)思想是將ＴＬ１６Ｃ５５０Ｂ的數(shù)據(jù)寄存器映射成為ＡＤＳＰ２１８１的外部存儲(chǔ)器，這樣對(duì)ＴＬ１６Ｃ５５０Ｂ內(nèi)部寄存器的讀寫控制就變?yōu)閷?duì)ＡＤＳＰ２１８１片外存儲(chǔ)器的訪問(wèn)。

２.２ 系統(tǒng)終端機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了保證各媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蛯?shí)時(shí)性，需要對(duì)各媒體信源進(jìn)行高速壓縮、對(duì)各媒體的碼流數(shù)據(jù)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)慕M織，而且還將對(duì)各媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)處理。

然而如果通過(guò)軟件開發(fā)在單片數(shù)字信號(hào)處理器上同時(shí)處理多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)是很困難的，因?yàn)閷?duì)于單個(gè)的微處理器來(lái)說(shuō)它的運(yùn)行總是串行的。在我們的系統(tǒng)控制中遇到的正是這個(gè)問(wèn)題：ＡＤＳＰ２１８１不但要進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)流程的控制，還要進(jìn)行Ｇ．７２３．１的語(yǔ)音編碼，這兩個(gè)任務(wù)都是要在系統(tǒng)運(yùn)行期間不間斷運(yùn)行的。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，我們把實(shí)時(shí)語(yǔ)音編碼的部分作為主程序，這樣可以保證語(yǔ)音信號(hào)處理的連貫性；而系統(tǒng)功能的主要流程在ＡＤＳＰ２１８１的Ｔｉｍｅｒ中斷中完成。為了實(shí)現(xiàn)這樣的操作，我們把系統(tǒng)功能的主流程分成了幾個(gè)階段，程序中通過(guò)設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位，來(lái)引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入不同的運(yùn)行階段，完成不同的功能及操作。這樣兩個(gè)任務(wù)就可以分時(shí)地享用ＤＳＰ的運(yùn)行時(shí)間，類似于多任務(wù)操作系統(tǒng)中的分時(shí)間片操作。

Ｔｉｍｅ中斷服務(wù)子程序所實(shí)現(xiàn)的是系統(tǒng)功能的主流程：由監(jiān)控點(diǎn)觸發(fā)報(bào)警或是主控微機(jī)主動(dòng)巡視來(lái)啟動(dòng)系統(tǒng)，先按缺省方式傳送各路攝像頭的實(shí)時(shí)圖像和監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)語(yǔ)音，再進(jìn)入等候狀態(tài)，等待主控機(jī)的命令并進(jìn)行相應(yīng)的操作。主程序進(jìn)行語(yǔ)音的實(shí)時(shí)編碼，如圖６所示。

因?yàn)檎Z(yǔ)音采集和語(yǔ)音編碼是同時(shí)進(jìn)行的，為了提高系統(tǒng)處理的效率、保證語(yǔ)音數(shù)據(jù)的連貫性，在需要處理語(yǔ)音數(shù)據(jù)的地方我們都使用了雙緩沖，數(shù)據(jù)處理的焦點(diǎn)在兩個(gè)緩沖區(qū)之間切換。這樣做可以保證對(duì)語(yǔ)音的８ｋＨｚ采樣不會(huì)丟失樣本點(diǎn)，不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)暫時(shí)來(lái)不及送到電話線上而發(fā)生丟失。

另外，對(duì)將要通過(guò)ＭＯＤＥＭ發(fā)送的數(shù)據(jù)也采用了雙緩沖技術(shù)。ＭＯＤＥＭ備用（錄入）緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)來(lái)自語(yǔ)音緩沖區(qū)或是圖像緩沖區(qū)：當(dāng)發(fā)現(xiàn)ＭＯＤＥＭ備用緩沖區(qū)空閑時(shí)，先查詢當(dāng)前的語(yǔ)音緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，如果當(dāng)前語(yǔ)音緩沖區(qū)數(shù)據(jù)有效，則錄入到此ＭＯＤＥＭ備用緩沖區(qū)中；如果當(dāng)前語(yǔ)音緩沖區(qū)數(shù)據(jù)無(wú)效才進(jìn)一步查詢圖像緩沖區(qū)。當(dāng)ＭＯＤＥＭ當(dāng)前（輸出）緩沖區(qū)不空閑時(shí)，就通過(guò)ＴＬ１６Ｃ５５０向ＭＯＤＥＭ發(fā)送其中的數(shù)據(jù)。語(yǔ)音／圖像數(shù)據(jù)的傳送是各自相對(duì)獨(dú)立的，這個(gè)情況相當(dāng)于把兩個(gè)邏輯信道（語(yǔ)音／圖像）加在一個(gè)物理信道上傳輸。

２.３ 系統(tǒng)控制中心軟件設(shè)計(jì)

控制中心微機(jī)主要進(jìn)行有關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的接收和處理，還可以進(jìn)行新登記入網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)的組網(wǎng)配置?？刂浦行能浖ぷ髟冢祝椋睿洌铮鳎螅梗担梗钙脚_(tái)上，充分利用了Ｗｉｎｄｏｗｓ９５／９８下的多線程機(jī)制和消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制。程序是以串口監(jiān)聽線程為工作核心，監(jiān)聽串口（也可以說(shuō)是監(jiān)聽電話線／ＭＯＤＥＭ）上的信號(hào)，當(dāng)接收到載波信號(hào)及報(bào)警終端送來(lái)的用戶信息后，就向有關(guān)窗口發(fā)送連接成功消息ＩＤＭ＿ＵＳＥＲ＿ＧＯＴ＿ＣＡＲＲＩＥＲ和ＩＤＭ＿ＵＳＥＲ＿ＣＯＮＮＥＣＴＥＤ。定義成兩個(gè)消息是為了進(jìn)行其他誤呼入載波信號(hào)的處理，只有進(jìn)行過(guò)身份確認(rèn)的呼入信號(hào)才能繼續(xù)工作。

在連接建立后的工作中，對(duì)語(yǔ)音包和圖像數(shù)據(jù)包分開處理。對(duì)接收到的語(yǔ)音包，立即進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼，為了防止語(yǔ)音緩沖區(qū)的重入和覆蓋，把解碼后的數(shù)據(jù)鏈入一個(gè)鏈表結(jié)構(gòu)中（５０個(gè)幀存入一個(gè)表項(xiàng)），放音的時(shí)候再?gòu)逆湵眍^提取一個(gè)表項(xiàng)進(jìn)行播放。為了保證語(yǔ)音信號(hào)播放的流暢性，我們?yōu)檎Z(yǔ)音的播放啟動(dòng)單獨(dú)的線程。當(dāng)一次的放音結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)消息ＭＭ＿ＷＯＭ＿ＤＯＮＥ，這樣可以在這個(gè)消息的處理函數(shù)中進(jìn)行新的處理過(guò)程。收到的圖像數(shù)據(jù)包直接送入解碼緩沖區(qū)進(jìn)行解碼，成功地解出一幀圖像后就在指定的設(shè)備上下文中顯示。考慮到信道上可能的錯(cuò)誤情況和實(shí)際需求，對(duì)Ｈ．２６３的解碼程序做了補(bǔ)充，增強(qiáng)了穩(wěn)定性，使系統(tǒng)即使在碼流出錯(cuò)的情況下仍能復(fù)原并盡可能多的解出出錯(cuò)圖像，還可以在不同格式間自由切換。

綜上所述，如果采用最新的高性能ＤＳＰ芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，將得到更高的圖像處理能力，同時(shí)可以在不改變系統(tǒng)的前提下，采用更高效率的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和圖像編、解碼，更好的滿足實(shí)際需要。文中所介紹的各種方法，不僅可以應(yīng)用在遠(yuǎn)程多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中，還可以應(yīng)用在其他涉及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、信息交互等技術(shù)的單機(jī)或非單機(jī)系統(tǒng)中。監(jiān)控系統(tǒng)不但可以應(yīng)用在銀行、倉(cāng)庫(kù)等重要部門，還可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療、診斷、維護(hù)和教學(xué)以及家庭監(jiān)控等場(chǎng)合。因此采用了高速ＤＳＰ技術(shù)的遠(yuǎn)程多媒體終端系統(tǒng)有著廣泛的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)效益。