基于TMS320DM643的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：以TMS320DM643為核心，結(jié)合視頻編解碼芯片等設(shè)計(jì)了高性能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。詳細(xì)說明了視頻處理的相關(guān)核心硬件結(jié)構(gòu)；及其在動(dòng)態(tài)圖像序列背景中，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤的軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)采用DM643對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過實(shí)際應(yīng)用證明該方案具有高速視頻輸入輸出能力，為視頻編解碼算法開發(fā)、視頻處理產(chǎn)品設(shè)計(jì)搭建了高性能的平臺(tái)。

一、引言
隨著社會(huì)的發(fā)展，視覺監(jiān)控系統(tǒng)得到了很大的普及，特別是在911事件后，全世界都加強(qiáng)了反恐意識(shí)，飛機(jī)場，銀行，停車場，超市等公共場所被安放了大量的監(jiān)控設(shè)備，對場景進(jìn)行全天候的監(jiān)控。但是，實(shí)時(shí)視頻的處理對系統(tǒng)有著嚴(yán)格的要求，特別是是常見的處理中總包含這大量的乘加法等運(yùn)算，而且視頻總是有著多種格式和特殊的顯示要求，故實(shí)時(shí)的視頻處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無論是在硬件上還是軟件上都具有更高更嚴(yán)的要求?；诖吮疚奶岢隽艘环N基于DM643的嵌入式實(shí)時(shí)視頻處理系統(tǒng)，DM643具有DM642的功能，并且價(jià)格更便宜。
二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)是以DSP控制模塊為核心，由存儲(chǔ)模塊、視頻輸入模塊、視頻輸出模塊、通訊模塊以及電源模塊等構(gòu)成。

圖1 硬件框圖

1、視頻編、解碼模塊
視頻解碼模塊的主要功能是將從攝像頭采集來的PAL/NTSC復(fù)合視頻信號(hào)進(jìn)行采樣、量化得到任意分辨率的數(shù)字信號(hào)，為DM643提供視頻流。視頻解碼器選用的是TI公司的TVP5150視頻解碼芯片。該芯片是一個(gè)高性能數(shù)字視頻解碼器，可以將NTSC/PAL制模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成BT.656格式的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號(hào)（YUV4:2:2）。下面是視頻解碼的濾波部分電路圖：

圖2 濾波電路圖

視頻解碼器TVP5150視頻信號(hào)輸入范圍為0.75Vpp，而外部視頻信號(hào)輸入范圍一般為1Vpp，所以外部視頻輸入與TVP5150視頻輸入之間串接到地分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到TVP5150所需的輸入電平。
DM643支持標(biāo)準(zhǔn)的BT.656格式的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流的輸入格式，能與TVP5150的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行無縫連接。下面是連接圖：

圖3 連接圖

其中，VP1CLK0作為視頻源的輸入時(shí)鐘，VP1CTL0、VP1CTL1和VP2CTL2則分別作為視頻源的CAPEN/AVID/HSYNC、VBLNK/VSYNC、FID輸入同步信號(hào)。
視頻解碼模塊采用的視頻編碼器SAA7105支持PAL與NTSC格式的視頻編碼輸出；同時(shí)可提供分辨率為1280*1024的VGA視頻輸出，可直接驅(qū)動(dòng)PC顯示器。
2、存儲(chǔ)模塊
存儲(chǔ)模塊主要由FLASH和SDRAM組成。FLASH存儲(chǔ)器具有可在系統(tǒng)進(jìn)行電擦寫，掉電后信息不丟失的功能，用它來保存系統(tǒng)自啟動(dòng)代碼以及系統(tǒng)程序代碼，SDRAM存儲(chǔ)器的存取速度較高，用它來存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的代碼以及臨時(shí)圖像數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)擴(kuò)展的SDRAM存儲(chǔ)器是4M*64位的，擴(kuò)展的FLASH存儲(chǔ)器是4M*8位的。
3、DSP核心模塊
該模塊主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制，完成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測算法運(yùn)算，和向串行通行模塊發(fā)送控制指令。算法主要采用相位相關(guān)配準(zhǔn)算法。該模塊是由TI公司的TMS320DM643來實(shí)現(xiàn)的，DM643的特點(diǎn)是工作主頻高達(dá)600MHZ，處理性能可達(dá)4800MIPS。
4、串行通信模塊
該模塊實(shí)現(xiàn)的功能是DSP芯片通過異步串行總線RS-485向機(jī)械控制電路(云臺(tái))發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)攝像頭的自動(dòng)跟蹤。該系統(tǒng)采用的是TL16C752通用異步收發(fā)器UART，它采用8位異步并行存儲(chǔ)器接口，并采用+3.3V電源供電，可以與DM643的外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）直接連接。

圖4 串口連接圖

5、網(wǎng)絡(luò)接口模塊
DM643上HPI和EMAC是復(fù)用的，這里根據(jù)系統(tǒng)需要只用了EMAC（以太網(wǎng)媒體訪問控制器）。其中EMAC+MDIO用于為以太網(wǎng)物理層（PHY）器件提供接口，其中EMAC為接口以太網(wǎng)PHY提供數(shù)據(jù)通路，MDIO為接口以太網(wǎng)PHY提供管理信息通路。即EMAC控制PHY與DSP之間的數(shù)據(jù)包的交換，MDIO控制PHY的配置與狀態(tài)信息的監(jiān)測。

圖5 網(wǎng)絡(luò)接口

6、電源模塊
本系統(tǒng)采用TPS54310的專用電源芯片，輸入為5V，輸出為1.4V和3.3V，分別給DSP內(nèi)核和I/O端口供電，產(chǎn)生另外一個(gè)3.3V給視頻編解碼及其他芯片供電。注意這兩個(gè)3.3V電源要分開設(shè)計(jì)，以免電源噪聲相互干擾。把1.4V模塊的電源輸出有效引腳PG連接到3.3V模塊的允許電壓輸入引腳EN。這樣，只有當(dāng)1.4V電壓有效之后，3.3V電壓才開始上電，這就保證了DM643的內(nèi)核電壓先于I/O電壓上電。下面是產(chǎn)生1.4V的電路。

圖6 電源部分電路圖

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件部分分為系統(tǒng)初始化、視頻數(shù)據(jù)采集模塊、主處理模塊、串口發(fā)送控制指令模塊、FLASH在線下載模塊五部分。其中主處理模塊是系統(tǒng)的核心算法部分，該系統(tǒng)的核心算法是基于快速傅立葉變換（FFT）的相位相關(guān)配準(zhǔn)算法。其工作原理為：首先它通過FFT運(yùn)算計(jì)算出相鄰兩幀圖像的功率譜；其次將兩個(gè)功率譜進(jìn)行單位歸一化得到相位譜并對相位譜進(jìn)行互相關(guān)操作；經(jīng)過對相位相關(guān)譜進(jìn)行IFFT運(yùn)算獲得相位相關(guān)函數(shù)；然后檢測這一互相關(guān)函數(shù)的最高峰及其坐標(biāo)值(p,q)，該坐標(biāo)值就是兩幀圖像背景部分的偏移量；最后對兩幀圖像進(jìn)行二次差分操作，得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置。下面是該算法的流程圖：

圖7 軟件算法流程圖

四、結(jié)論
本文根據(jù)成本、運(yùn)算量等要求，合理選擇了TMS320DM643作為主處理芯片，以相位相關(guān)配準(zhǔn)算法為核心算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)圖像識(shí)別系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、全面，通過串口能夠控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)時(shí)的追蹤目標(biāo)，提高監(jiān)控的效果。顯示部分能夠?qū)崟r(shí)的觀察到圖像，網(wǎng)口的設(shè)計(jì)也能夠通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。本文描述了一個(gè)完整的視頻處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和擴(kuò)展性，可以作為核心模塊應(yīng)用到各種高性能的視頻系統(tǒng)中。