DSP+FPGA嵌入式多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)

　　摘要： 本文通過分析視頻監(jiān)控應(yīng)用近幾年的發(fā)展和需求，結(jié)合DSP和FPGA器件的高速成長(zhǎng)，以TI公司的Davinci系列DSP中的一款TMS320DM6437和Xilinx公司的Spartan-3系列FPGA為例，具體說明如何構(gòu)建一個(gè)高性能、低成本的嵌入式多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)。

　　關(guān)鍵詞： DSP;Davinci;TMS320DM6437;FPGA;Spartan-3;視頻監(jiān)控; 硬件電路

　　近幾年來，尤其是911以后，各種場(chǎng)合的視頻監(jiān)控的需求日益旺盛，并且同一場(chǎng)合可能需要同時(shí)監(jiān)控多個(gè)目標(biāo)，這給我們提出了盡可能地降低單路視頻處理成本的要求。用單個(gè)DSP處理器完成盡可能多路的數(shù)字視頻壓縮處理，將無疑是降低單路視頻監(jiān)控成本的有效方法。幸運(yùn)的是，隨著DSP處理性能的不斷提高，及嵌入式數(shù)字視頻編解碼算法的進(jìn)一步優(yōu)化和日趨完善、成熟，使得單個(gè)DSP完成多達(dá)8路CIF格式的數(shù)字視頻壓縮處理成為可能。本文采用TI公司最新推出的Davinci系列DSP中的一款TMS320DM6437和Xilinx公司的高性能、低成本Spartan-3系列FPGA來構(gòu)建一個(gè)高性能、低成本的嵌入式多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)。

　　嵌入式多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)系統(tǒng)

　　為了盡可能降低嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的單路成本，合理地選擇一款DSP處理器，使其完成盡可能多路的數(shù)字視頻壓縮處理，將無疑是一種直接、而有效的方法。TI公司最新推出的Davinci系列DSP是專門為數(shù)字媒體應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的，是其在大家熟知的、已得到廣泛應(yīng)用的TMS320DM642數(shù)字媒體處理器基礎(chǔ)上的升級(jí)產(chǎn)品，處理性能更進(jìn)一步提高，片上外設(shè)更適合于視頻處理系統(tǒng)的要求，其中的TMS320DM6437更是高性能、低成本的代表。本文選用其作為嵌入式多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主處理器，在數(shù)字視頻編碼器算法優(yōu)化合理的情況下，其可以實(shí)現(xiàn)8路CIF格式的H.264編碼處理。

　　但TMS320DM6437只有1個(gè)數(shù)字視頻輸入接口，為了接口8路視頻解碼器，需要在視頻解碼器與TMS320DM6437的視頻輸入接口之間增加耦合邏輯，高性能、低成本、可編程的FPGA可以方便實(shí)現(xiàn)二者之間的耦合邏輯。另外，F(xiàn)PGA上含有豐富的資源，可用來實(shí)現(xiàn)某些圖像已處理功能，比如，圖像大小的縮放，防眩光等。

　　以此所構(gòu)建的DSP + FPGA嵌入式多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1  DSP+FPGA的多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)

　　TMS320DM6437概述

　　TMS320DM6437是TI公司2006年推出的、專門為高性能、低成本視頻應(yīng)用開發(fā)的、主頻600MHz的、32位定點(diǎn)DSP。TMS320DM6437具有下列特點(diǎn)：

　　采用TI第3代超長(zhǎng)指令集結(jié)構(gòu)(VelociTI.3)的TMS320C64x+ DSP內(nèi)核，主頻可達(dá)600MHz，支持8個(gè)8位或4個(gè)16位并行MAC運(yùn)算，峰值處理能力高達(dá)4800MIPS，可實(shí)時(shí)處理8路CIF或3路D1格式的H.264編碼算法。

　　采用2級(jí)Cache存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)，片上有32K字節(jié)RAM/Cache可配置的1級(jí)程序存儲(chǔ)器L1P，48K字節(jié)RAM + 32K字節(jié)RAM/Cache可配置的1級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器L1D，和128K字節(jié)RAM/Cache可配置的2級(jí)程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器L2，存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)更靈活、合理，有利于提高圖像處理代碼/數(shù)據(jù)的吞吐率。

　　片上具有64通道增強(qiáng)型DMA控制器EDMA3，其支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型的傳輸，有利于圖像數(shù)據(jù)的高效傳輸和格式變換。

　　豐富的外部存儲(chǔ)器接口：一個(gè)專用的32位、200MHz、256M字節(jié)尋址空間的DDR2存儲(chǔ)器接口用于接口高速、大容量的DDR2存儲(chǔ)器，以存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù);一個(gè)8位、64M字節(jié)尋址空間的異步存儲(chǔ)器接口用于接口8位Nor Flash或Nand Flash，以存儲(chǔ)固化代碼。

　　豐富的片上外設(shè)：一個(gè)專用的單通道視頻輸入接口，既可以方便地與各種數(shù)字視頻輸入標(biāo)準(zhǔn)接口，還具有常用的視頻預(yù)處理功能;一個(gè)專用的單通道視頻輸出接口，既可以提供多種模擬視頻輸出標(biāo)準(zhǔn)，還可以提供各種數(shù)字視頻輸出標(biāo)準(zhǔn)接口，并且在視頻輸出之前，還支持多個(gè)視頻窗口管理及在視頻畫面上疊加文本數(shù)據(jù);一個(gè)多通道音頻串口，可無縫接口音頻Codec器件，實(shí)現(xiàn)模擬視頻信號(hào)的輸入/輸出;一個(gè)I2C總線，可無縫接口視頻解碼器/編碼器和音頻Codec的控制口，方便實(shí)現(xiàn)音/視頻編解碼器的控制;32位PCI總線，方便與PC機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)多板并行工作。10/100M以太網(wǎng)MAC，方便實(shí)現(xiàn)嵌入式視頻網(wǎng)絡(luò)化要求;16位HPI接口，方便實(shí)現(xiàn)主/從結(jié)構(gòu)的雙處理器視頻處理系統(tǒng)。

　　由上可知，DM6437是非常適合于作為單通道視頻處理系統(tǒng)的主處理器。為了使DM6437適用于多通道視頻監(jiān)控系統(tǒng)，需要將多個(gè)視頻通道的數(shù)據(jù)復(fù)合后，再通過DM6437片上視頻輸入接口輸入。所以，下面將著重對(duì)DM6437的片上視頻輸入/輸出接口逐一介紹。

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　　DM6437視頻子系統(tǒng)VPSS

　　DM6437片上視頻輸入/輸出接口統(tǒng)稱為視頻子系統(tǒng)VPSS，DM6437的視頻子系統(tǒng)由二部分組成，一是視頻處理前端，用于輸入數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，為多種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻輸入提供接口，并為輸入的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)作必要的預(yù)處理。二是視頻處理后端，用于輸出數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，以驅(qū)動(dòng)顯示器顯示視頻圖像。

　　DM6437視頻處理前端VPFE為視頻處理系統(tǒng)提供二大功能，一是為多種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻輸入提供無縫接口，二是為各種視頻處理應(yīng)用提供必要的預(yù)處理。

　　DM6437數(shù)字視頻輸入接口被稱為CCD控制器，為輸入數(shù)字視頻流提供數(shù)據(jù)通路和必需的同步信號(hào)，其功能如下：

　　*16位視頻數(shù)據(jù)總線

　　*像素時(shí)鐘頻率最高可達(dá)75MHz

　　*可直接接口CCD或CMOS圖像傳感器

　　*可接口8/10位BT.656標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻流

　　*可接口8/16位帶行、場(chǎng)同步信號(hào)的YCbCr 4:2:2格式數(shù)字視頻流

　　對(duì)于視頻監(jiān)控應(yīng)用來說，視頻信號(hào)一般為來自于攝像頭的模擬視頻信號(hào)，其經(jīng)視頻解碼器轉(zhuǎn)換為8/10位BT.656或8/16位帶行、場(chǎng)同步信號(hào)的YCbCr 4:2:2數(shù)字視頻流，再輸入到DSP中進(jìn)行處理。

　　為適應(yīng)各種視頻處理應(yīng)用，DM6437的視頻前端還提供下列3個(gè)預(yù)處理功能：

　　預(yù)覽器Previewer：將來自CCD控制器或來自外部存儲(chǔ)器的RGB圖像格式轉(zhuǎn)換為YCbCr 4:2:2圖像格式。

　　縮放器Resizer：接受來自預(yù)覽器或文本存儲(chǔ)器的視頻數(shù)據(jù)，由硬件實(shí)現(xiàn)圖像大小的縮放，水平和垂直方向縮放比例相互獨(dú)立，縮放范圍為1/4x~4x。

　　H3A：由硬件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光。首先接受RGB圖像格式，并將圖像細(xì)分成二維像素塊，像素塊的大小、位置可編程。然后對(duì)像素塊進(jìn)行累加和峰值統(tǒng)計(jì)。最后實(shí)現(xiàn)3A控制輸出。

　　DM6437視頻處理后端VPBE用于實(shí)現(xiàn)視頻圖像的輸出顯示。顯示屏上的一幅圖像可以分成若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以代表不同的視頻源，即來自不同的視頻輸出緩沖器，在輸出顯示之前，需要將來自不同視頻輸出緩沖器的視頻數(shù)據(jù)復(fù)合成一個(gè)完整的數(shù)字視頻流，這個(gè)過程稱為視頻窗口管理;另外，還經(jīng)常需要將某些圖形、字符等信息疊加到視頻圖像上一起輸出顯示，這些疊加到視頻圖像上的圖形、字符存儲(chǔ)于獨(dú)立的緩沖器中，因而在輸出顯示之前，還需要將來自圖形、字符緩沖器的數(shù)據(jù)復(fù)合進(jìn)輸出數(shù)字視頻流中，這個(gè)過程稱為圖形、字符OSD窗口管理與疊加。最后，將復(fù)合后的完整的數(shù)字視頻流以一定的時(shí)序格式進(jìn)行輸出，這個(gè)過程稱為視頻輸出編碼。DM6437視頻處理后端可以同時(shí)支持2個(gè)視頻窗口和2個(gè)圖形、字符OSD窗口管理，并可支持8種視頻窗口與OSD窗口數(shù)據(jù)疊加方法。DM6437的視頻輸出編碼既可以實(shí)現(xiàn)用于直接驅(qū)動(dòng)模擬監(jiān)視器的標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻輸出，也可實(shí)現(xiàn)用于直接驅(qū)動(dòng)帶數(shù)字接口的顯示器的多種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻輸出。

　　對(duì)于視頻監(jiān)控應(yīng)用來說，視頻輸出一般用于預(yù)覽某一通道的視頻輸入，由模擬監(jiān)視器來顯示，所以直接用DM6437的模擬視頻輸出即可實(shí)現(xiàn)。

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　　4通道視頻解碼器TVP5154概述

　　本文介紹的DSP + FPGA嵌入式多通道視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)有8個(gè)模擬視頻輸入通道，選用TI的單片4通道視頻解碼器TVP5154，其原理框圖如圖2。

圖2  4通道視頻解碼器TVP5154原理框圖

　　TVP5454的特點(diǎn)是內(nèi)含4個(gè)獨(dú)立的TVP5150單通道視頻解碼器、4個(gè)獨(dú)立的縮放器和1個(gè)IIC總線，將4通道標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻輸入轉(zhuǎn)換成4通道8位數(shù)字視頻輸出。每個(gè)通道可接受1路超級(jí)視頻輸入或2路復(fù)合視頻輸入;每個(gè)通道的縮放器水平、垂直方向均可獨(dú)立縮放1/4x~4x;每個(gè)通道的數(shù)字視頻輸出接口既可是8位YCbCr 4:2:2的BT.656(內(nèi)嵌行、場(chǎng)同步碼)，也可是8位YCbCr 4:2:2的帶行、場(chǎng)同步信號(hào)的數(shù)字視頻流;可通過IIC總線分別或廣播配置和獲取4個(gè)視頻解碼器或4個(gè)縮放器的控制和狀態(tài)信息。

　　Xilinx Spartan-3系列FPGA概述

　　8通道模擬視頻輸入需要2片TVP5154視頻解碼器，總有8個(gè)8位BT.656數(shù)字視頻接口，而DM6437視頻前端VPFE只有1個(gè)視頻輸入口，為了實(shí)現(xiàn)8通道視頻輸入，二者之間需要耦合邏輯，此耦合邏輯的基本功能需要實(shí)現(xiàn)：

　　*接收/緩沖8個(gè)8位BT.656數(shù)字視頻輸入數(shù)據(jù)(像素時(shí)鐘為27MHz)

　　*每個(gè)通道水平/垂直均縮小1/2，由D1格式縮小為CIF格式

　　*將8個(gè)CIF格式的數(shù)字視頻拼接成1個(gè)8-位、54MHz、YCbCr 4:2:2帶行、場(chǎng)同步的數(shù)字視頻流，以接口DM6437的視頻前端VPFE

　　除了這些基本功能外，還可以利用FPGA豐富的資源和強(qiáng)大的性能，實(shí)現(xiàn)很多視頻預(yù)處理的功能，如濾波、防眩光等，甚至實(shí)現(xiàn)目標(biāo)偵測(cè)、跟蹤等目標(biāo)視頻熱門功能。

　　Xilinx Spartan-3系列FPGA的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3  Spartan-3系列FPGA結(jié)構(gòu)

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　　其中的功能單元如下：

　　紅色方塊代表可配置邏輯塊CLBs，其由查找表LUT和觸發(fā)器造成，是實(shí)現(xiàn)組合和時(shí)序電路的主要邏輯資源，查找表LUT用于實(shí)現(xiàn)組合邏輯或16