基于达芬奇技术的视频采集系统设计第2章Word格式文档下载.docx

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视频采集需要视频解码芯片将摄像头采集到的模拟信号转化成数字信号,同时为满足建筑工地远距离传输的需求，采用网络传输的方式，而通常网络带宽有一定限制，所以需要在传输之前进行视频编码压缩。

具体的功能要求有以下几点：

1.完成4路视频实时采集；

2.视频分辨率为360*576；

3.编码算法使用H.264；

4.网络传输采用UDP协议传输；

5.视频图像确保完整与清晰。

系统的性能要求如下：

1.4路视频同时采集，达到25帧/秒的帧率；

2.视频率不超过2Mbps。

此外，在设计系统时，不仅要考虑到系统本身的功能实现，还要考虑到实际应用中所要满足的一些技术指标，比如：

实用性、实时性、可扩展性等。

1.实用性

系统设计时不仅要考虑到能够达到预设目标，同时要结合能够应用的场合来完成整个系统的设计，不能只是追求技术上的超前，实用才是系统设计的最基本原则。

另外，也要使系统和系统软件都有比较好的易操作性和学习性，通过对用户简单的培训介绍，就能够掌握产品的使用方法。

2.实时性

实时性需要系统在设计时满足一定条件，比如高于每秒25帧图像显示，人眼看到的视频就是流畅的，否则，视频会有卡顿，影响观感。

因此，视频监控系统要确保输出每秒25帧以上的视频图像，同时要满足视频编码与视频传输这两个基本要求。

实时性通常也是在实际应用中一个非常重要的指标。

3.可扩展性

随着达芬奇技术的不断发展，在满足基本功能的前提下，对产品质量也提出了更高的要求，一个好的系统不仅要满足目前市场的要求，还要满足一定的可扩展性，使系统更加灵活的升级各个子模块，扩展系统的功能、或者提高系统的性能。

2.2系统总体方案设计

本文基于达芬奇技术设计了一款功能完善、成本低廉、同时可多路输入的视频监控系统，主要使用到的技术有达芬奇技术、嵌入式技术、图像处理技术以及网络传输技术。

系统首先通过4个摄像头采集外界图像，将光信号转换成电信号传输到视频解码芯片内部，然后输出数字图像信号进入达芬奇系列芯片内，经过编码压缩后，通过网络将数字视频数据传输到远端上位机进行视频显示。

系统的总体设计方案如图2.1所示。

图2.1视频监控系统总体设计方案

系统总体设计包括硬件设计和软件设计两个方面，其中硬件设计包括视频采集模块、存储模块、电源模块、视频传输以及显示模块；

软件设计包括视频采集、视频编码以及网络传输三部分内容。

1.硬件设计部分

（1）视频采集模块

本模块主要由摄像头、视频解码芯片以及处理器前端三部分组成。

摄像头用来拍摄场景图像，收集图像信息，摄像器材主要分为两大类，一种是CCD摄像头，另一种是CMOS摄像头。

CCD是一种电荷耦合器件，具有体积小、性能高的优点，可以根据光线照射时的强弱累积相应比例的电荷，并且由视频时序控制，经过滤波、放大后，形成最终的视频图像信号，视频图像信号传输到监视器上显示[28]。

由于CCD图像传感器的分辨率和稳定性比CMOS的高，所以，现在的视频监控系统通常使用CCD摄像头。

由CCD摄像头采集模拟视频信号，再由视频解码芯片将此模拟信号转换成数字信号，然后送到主控芯片进行处理。

视频解码芯片有单路视频解码和多路视频解码两种，为完成系统多路采集的需求，视频采集模块的设计方案有两种选择，一种是采用多个单路解码器与达芬奇系列处理器的多个视频接口连接完成视频解码工作，例如TVP5150+DM642为代表的设计方案如图2.2所示；

另一种是采用一个多路视频解码芯片同时采集多路视频信号，将多路视频复用成一路输出到后端处理器，以减少处理器视频接口的使用，例如TVP5158+DM6437为代表的设计方案如图2.3所示。

图2.2TVP5150+DM642方案

图2.3TVP5158+DM6437方案

对比视频采集两种方案设计，第一种设计方案每一个视频通道都要使用一个处理器的视频输入接口，如果通道数量增加，那么相应的处理器也需要增加，必然造成成本的增加。

而第二种设计方案只需一个编码器对应一个处理器视频输入接口就可以实现多路采集的功能，可以大大节约成本，所以，本系统采用第二种视频采集方案。

（2）存储模块

由于视频图像的数据量很大，而主控芯片的内存又很小，所以需要为主控芯片外扩存储器，由视频采集模块得到的视频数据存放到外扩存储器中。

（3）电源模块

电源模块为整个系统硬件电路供电，电源模块的正确设计直接关系到系统是否能正常运行。

（4）视频传输与显示模块

视频传输主要分为两大类，一类是通过有线传输的方式，比如同轴电缆、光缆、网线等；

另一类是无线传输方式，比如微波、超高频波等。

但是，由于目前无线电管理部门对无线传输方式有一定的限制，所以本系统采用有线传输的方式，并为系统添加以太网模块。

主控芯片将存储在外扩存储器中的视频图像通过以太网传输到监控中心进行显示，显示模块是一台计算机，用来接收网络视频数据，并对视频图像处理后显示在显示器上。

2.软件设计部分

（1）视频采集设计

软件部分的视频采集设计主要包括视频解码芯片驱动设计以及主控芯片前端视频采集驱动设计两部分。

视频解码器的工作是将CCD采集到的模拟信号转换成数字信号，但在正常工作之前需要对视频解码器进行配置，这些配置包括采集制式（PAL/NTSC）、分辨率（CIF/D1）、输出模式（单路输出/多路复合输出）；

主控芯片前端视频采集驱动部分的设计需要让前端正常采集到视频解码器发送的视频数据，然后交给处理器对数据进行处理。

（2）视频编码

视频编码对新型的数字视频监控系统是非常重要的，视频编码就是对数字视频图像数据压缩编码。

这样做的好处是可以降低视频传输带宽，减少上位机存储数据的空间。

现在，比较常用的视频编码标准有国际电联的H.261、H.263、H.264和国际标准化组织运动图像专家组的MPEG系列标准等[29]。

H.264具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5~2倍[30]。

在拥有高压缩比的同时还具有高质量的图像，所以本系统采用H.264视频编码标准。

（3）网络传输

由于本系统采用网络传输的方式进行远程视频传输，所以需要在主控芯片和远程计算机端分别编写Socket网络程序。

Socket也常被称为“套接字”，为网络编程提供API接口，开发人员可以调用这些套接字接口实现网络间的数据通信[31]。

Socket套接字是基于客户端/服务器架构的，在本系统中，主控芯片作为服务器，远程计算机作为客户端，客户端接收服务器端送来的视频数据。

2.3系统主要器件选型

2.3.1DM6437处理器

视频监控系统需要处理的信息量较大、实时性要求较高，这对系统的核心处理器提出了较高的要求。

近年来，行业内部普遍采用DSP作为视频监控系统的主处理器，但是，传统DSP在成本和性能两方面是不可兼得的，成本较低的DSP必然导致性能跟不上，性能较高的DSP价格又昂贵。

而且，传统DSP没有针对视频图像采用专用的指令，导致处理视频图像时性能很差。

但随后TI公司推出了专用于数字媒体应用的达芬奇系列DSP，其中多媒体处理器TMS320DM643x在TMS320DM642产品的基础上进行了升级，其具有成本低廉，性能高效的特点，并拥有更加丰富的外设资源，特别适合应用于视频监控领域。

TMS320DM643x系列包括DM6437、DM6435、DM6433、DM6431等四种型号，其中DM6437的外设完善，而且性价比较高。

所以本系统选择DM6437作为系统的主处理器，该处理器拥有以下一些特性。

1.内核性能高

DM6437采用了高性能内核，即TMS320C64x+。

该内核的特点是具有超长指令集，主频达到600MHz，支持8个8位或4个16位的并行MAC运算，特别适合视频图像算法的运算。

DM6437采用L1/L2两级缓存结构，第一级L1包括256K-Bit（32K-Byte）的程序缓存L1P和640K-Bit（80K-Byte）的数据缓存L1D，用于高速缓存；

第二级L2是程序、数据空间通用的缓存空间，大小为1M-Bit（128K-Byte）。

2.拥有第三代增强型直接存储器（EnhancedDirectMemoryAccess,EDMA）

DM6437片内拥有一个64通道的增强型DMA控制器EDMA3。

DMA可以独立于CPU在后台进行高速数据传输，特别适合视频图像的传输。

3.外部存储器接口丰富

DM6437拥有两个外部存储器接口，一个是EMIF存储器接口，另一个是DDR存储器接口。

通过EMIF接口可以外扩8位异步存储器NandFlash或NorFlash，最大支持64MB的扩展容量，用于固化程序；

DDR存储器接口是32位的，最大可以扩展256MB的DDR存储器，用于存储数据。

4.片上外设丰富

DM6437拥有极其丰富的片上外设，包括1个I2C控制器，1个10/100M以太网控制器EMAC，1个多通道音频串口（McASP），2个多通道缓冲串口（McBSPs），2个异步串行接口（UART），1个主机通信接口（HPI），以及111个通用输入输出接口（GPIO）。

此外，DM6437还拥有一个视频处理子系统（VPSS），VPSS由两部分组成，一个是视频输入前端（VPFE），另一个是视频输出后端（VPBE），VPFE方便直接和视频解码器连接，还可以对视频进行预处理工作，VPBE能够与显示器直接连接，输出模拟视频信号或者数字视频信号。

2.3.2TVP5158视频解码器

目前市面上的视频解码器主要有Intersil公司的TW9912、TW2968，TI公司的TVP5150、TVP5158。

TW9912和TVP5150是单路解码器，TW2968和TVP5158是多路解码器。

由于系统要设计成多路视频采集系统，论文在前面分析了单路解码器与多路解码器的优缺点，最后选用多路解码器，所以下面主要分析TW2968和TVP5158的特点。

TW2968与TVP5158虽然都支持多通道视频采集，但它们的复用技术不同，TW2968采用像素复用技术，而TVP5158可以同时采用像素复用和行复用技术。

像素复用技术的原理是输出视频的像素由4路视频像素点逐个排列组成，其时序图如图2.4所示。

该方式的特点是结构简单，但是解复用时需要对每个像素点都进行解析，处理效率较低。

图2.44路视频采集像素复用时