基于嵌入式操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī) - 全文

與傳統(tǒng)模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

　　1）把監(jiān)控錄像保存在大容量硬盤上，數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)信息永不丟失，圖像質(zhì)量不下降。

　　2）數(shù)字視頻容易被計(jì)算機(jī)處理。可以在監(jiān)控圖像中設(shè)定報(bào)警區(qū)域，計(jì)算機(jī)對(duì)報(bào)警區(qū)域的圖像進(jìn)行分析和處理，做到自動(dòng)監(jiān)控，無人值守。

　　3）數(shù)字視頻經(jīng)過壓縮之后，占用帶寬較小，而且數(shù)字信號(hào)在傳輸時(shí)容易進(jìn)行加密，非法截取的信號(hào)無法還原為視頻圖像。

　　4）數(shù)字錄像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤上，可以用計(jì)算機(jī)來檢索和管理，擺脫了手工管理和檢索的復(fù)雜繁瑣。

　　基于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究，國(guó)外起步較早，成熟的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)產(chǎn)品有索尼營(yíng)銷公司推出的10BASE2T的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)“SNC2VL10N”，以及松下KX2HCM130、三星SNC2100P、安特ANT2NWC10/50/100等。國(guó)外同類產(chǎn)品一般采用MPEG或者小波壓縮方法，性能較好，但價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)用戶大都無法承受。我國(guó)這方面的研究剛剛起步，大多數(shù)廠商僅代理國(guó)外產(chǎn)品，從事實(shí)際研究的單位不多。

　　目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已經(jīng)投入使用的視頻采集設(shè)備多以視頻采集卡的形式存在。本文設(shè)計(jì)的方案采用TI公司的TVP5040作為前端視頻采集設(shè)備的主體芯片，可以作為獨(dú)立的單元存在，并且具有體積小、處理能力強(qiáng)且功耗低的特點(diǎn)；加之采用了功能強(qiáng)大的TI嵌入式處理器芯片TMS320DSC21,使系統(tǒng)可以快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集、壓縮和打包上傳，為數(shù)字化視頻監(jiān)控提供了解決方案。本文中簡(jiǎn)單介紹了TMS320DSC21,詳細(xì)介紹了自行研制的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)采集與處理端的硬件結(jié)構(gòu)，以及運(yùn)用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)計(jì)方案。

　　1　TMS320DSC21微處理器

　　TMS320DSC21微處理器（簡(jiǎn)稱DSC21）是一個(gè)高性能的單芯片微處理器，由以下幾部分組成：

　　1）1個(gè)DSP（TMS320C5409）子系統(tǒng)；

　　2）1個(gè)微控制器（ARM7TDMI）子系統(tǒng)；

　　3）2個(gè)DSP協(xié)處理器（iMX和VLC）；

　　4）SDRAM控制器；

　　5）圖像外圍單元①。

　　DSC21的高集成度使之特別適合應(yīng)用于視頻、音頻和圖像類產(chǎn)品。其5個(gè)子系統(tǒng)在單個(gè)芯片上組成了一個(gè)完整的系統(tǒng)。片上MCU運(yùn)行用戶操作系統(tǒng)處理復(fù)雜的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)控制功能和位操作；DSP和DSP協(xié)處理器完成大運(yùn)算量計(jì)算、數(shù)字信號(hào)處理以及算術(shù)計(jì)算；圖像外圍組件和SDRAM控制器提供極大的數(shù)據(jù)流量。因此，DSC21可以在單芯片上實(shí)現(xiàn)高性能、多處理器的圖像處理系統(tǒng)。

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　　圖1示出DSC21模塊圖

DSC21模塊包括：

　　1）ARM子系統(tǒng)。由ARM7TDMIRISC內(nèi)核、內(nèi)部RAM和外設(shè)模塊組成。ARM子系統(tǒng)完成所有的控制功能，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如ucOS,Vx2Works,uITRON,Nucleus和Linux。ARM也控制各個(gè)外設(shè)模塊，如定時(shí)器、中斷控制器、CCD/CMOS控制器、OSD、NTSC/PAL視頻編碼器、USB、CF卡、SM卡、IrDA、預(yù)覽引擎、串口等。用戶接口軟件也在ARM上運(yùn)行。

　　2）DSP子系統(tǒng)。由DSP核、32KBRAM和專用內(nèi)存塊（ImageBuffer）組成。DSP核是一個(gè)基于0118μm技術(shù)的DSP處理器TMS320C5409DSP。

　　DSP子系統(tǒng)負(fù)責(zé)所有大運(yùn)算量信號(hào)處理任務(wù)，如圖像處理，JPEG壓縮；處理所有的實(shí)時(shí)I/O,如音頻和ModemI/O,MP3,AAC播放的實(shí)現(xiàn)；支持可編程實(shí)時(shí)自動(dòng)曝光、自動(dòng)聚焦、自動(dòng)白平衡（AE,AF,AWB），以及圖像/視頻拍攝和回放。

　　3）DSP協(xié)處理器。由iMX和VLC兩部分組成，負(fù)責(zé)協(xié)助DSP子系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理。iMX由4個(gè)并行的乘加單元（MAC）組成，適合矩陣運(yùn)算；而VLC針對(duì)JPEG,MPEG1的量化和Huffman編碼進(jìn)行優(yōu)化。DSP子系統(tǒng)可以通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)DSP協(xié)處理器的操作。

　　4）SDRAM控制器。是片外擴(kuò)展SDRAM與片內(nèi)所有功能模塊的接口。它為片外SDRAM提供與DSC21處理器和圖像單元連接的高帶寬接口，支持最高80MHz,32bitSDRAM。SDRAM控制器支持實(shí)時(shí)CCD數(shù)據(jù)流輸入和TV顯示數(shù)據(jù)輸出，其訪問性能達(dá)到320MB·s-1。

　　5）圖像外圍組件。DSC21有4個(gè)圖像單元：

　　CCD控制器、預(yù)覽引擎、連拍模式壓縮/解壓縮單元和硬件圖形單元。這些專用的圖像單元由ARM控制，用于向DSC21系統(tǒng)讀入數(shù)據(jù)并建立彩色顯示。

　　CCD控制器可以為CCD/CMOS圖像傳感器提供必要的同步時(shí)序邏輯，并支持逐行掃描和隔行掃描CCD/CMOS圖像傳感器。通過對(duì)CCD控制器內(nèi)部的寄存器進(jìn)行配置，可以使CCD控制器處于不同的工作狀態(tài)。CCD控制器能支持高達(dá)16Mpix（4K×4K）的CCD/CMOS圖像傳感器。

　　預(yù)覽引擎模塊將CCD控制器傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合NTSC/PAL編碼器的顯示格式，它可達(dá)到實(shí)時(shí)30幀·s-1的NTSC/PAL預(yù)覽。預(yù)覽引擎內(nèi)置增益控制、白平衡、垂直水平噪聲過濾、CFA插值、降采樣、伽馬校正和色空間轉(zhuǎn)換等功能。

　　連拍模式壓縮解壓縮模塊采用無損（或有損）算法，將從CCD控制器傳來的原始圖像數(shù)據(jù)壓縮并寫入SDRAM,解壓縮引擎在DSP的控制下可以對(duì)這些數(shù)據(jù)解壓。這些數(shù)據(jù)被處理、顯示，存回SDRAM。連拍模式可以支持10幀·s-1高分辨率照片的拍攝。

　　硬件圖形單元由3部分組成：OSD（OnScreenDisplay）、NTSC/PAL編碼器和DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）。

　　OSD支持3個(gè)硬件窗口，NTSC/PAL編碼器集成了復(fù)合視頻信號(hào)輸出通道和獨(dú)立R,G,B輸出通道①。

　　2　基于DSC21的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)

　　2.1　系統(tǒng)硬件組成

　　本系統(tǒng)對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理和壓縮，得到MJPEG文件，再通過網(wǎng)絡(luò)傳送，使遠(yuǎn)程控制端可以實(shí)時(shí)觀看現(xiàn)場(chǎng)情況，并可調(diào)整圖像質(zhì)量、云臺(tái)角度等。

圖2示出嵌入式視頻采集系統(tǒng)框圖。視頻A/D芯片完成1～4路攝像頭的輸入轉(zhuǎn)換，F(xiàn)LASH芯片用于存放所有程序，SDRAM用于中間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，CPLD用于硬盤邏輯變換，以太網(wǎng)控制器芯片負(fù)責(zé)將圖像文件上傳并接收控制端的命令和參數(shù)。

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　　2.2　系統(tǒng)軟件

　　系統(tǒng)軟件包括嵌入式系統(tǒng)軟件和硬件驅(qū)動(dòng)程序。本系統(tǒng)使用基于ucLinux的嵌入式操作系統(tǒng)作為下位機(jī)系統(tǒng)軟件。ucLinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本。

　　ucLinux具有對(duì)多種文件系統(tǒng)的支持能力，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可以借鑒Linux豐富的資源，對(duì)一些復(fù)雜的應(yīng)用具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)；但是由于沒有MMU（內(nèi)存管理單元），其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定的技巧。ucLinux的典型啟動(dòng)過程見圖3。

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　　在ucLinux系統(tǒng)中，幾乎所有設(shè)備的控制操作都由與設(shè)備相關(guān)的代碼來實(shí)現(xiàn)，這些代碼就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。系統(tǒng)內(nèi)核必須為從硬盤驅(qū)動(dòng)器到鍵盤和磁帶等的每個(gè)外部設(shè)備嵌入設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。一般外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序先在用戶空間編寫，即先在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)的操作，驅(qū)動(dòng)程序在應(yīng)用層調(diào)試好之后，就可以封裝到內(nèi)核模塊中。

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　　3　系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中的應(yīng)用

　　基于嵌入式操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)非常適合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的應(yīng)用。CAU2DVCⅠ是基于TMS320DSC21的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。CAU2DVCⅠ的性能參數(shù)如下：圖像壓縮格式為M2JPEG;圖像分辨率為CIF（352×288pix）；通信口RS485;以太網(wǎng)接口RJ24510/100Mbitbase2T自適應(yīng)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP;傳輸幀率PAL最大25幀·s-1,NTSC最大30幀·s-1;報(bào)警接口2入2出；嵌入式操作系統(tǒng)u2cLinux;靜態(tài)IP地址，可通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。

　　本系統(tǒng)可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域：電力系統(tǒng)（發(fā)電廠、供電所、無人值守變電站）、房地產(chǎn)行業(yè)（智能化小區(qū)/大廈、基礎(chǔ)工程現(xiàn)場(chǎng)、物業(yè)管理中心）、教育系統(tǒng)（幼兒園、考場(chǎng)、高等院校）和制造業(yè)（工廠、車間），現(xiàn)已有多臺(tái)在北京和上海等地投入使用。圖5示出基于CAU2DVCⅠ型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。CAU2DVCⅠ型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于通州供電局瞳里變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，效果很好。

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