摘 要：針對傳統(tǒng)的基于PC機的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的局限性，提出了基于DM642的新型嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案與實現(xiàn)方法，介紹了整個系統(tǒng)的總體結構，并詳細闡述了現(xiàn)場端嵌入式系統(tǒng)的硬件設計和監(jiān)控中心軟件的實現(xiàn)。與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比較 , 該方案具有成本低、體積小、穩(wěn)定性好、可靠度高等優(yōu)點。 關鍵字：視頻監(jiān)控 TMS320DM642 DirectShow以太網(wǎng) [b][align=center]Design of The Video Monitor-Control System Based on DM642 Lu Gen_feng,Luan Chun_xu,Wang Miao,Xiong Lie_bin[/align][/b] Abstract: Due to the limitation of the traditional video system based on PC, we gave the design and implementation of the new video monitor-control embedded system based on DM642 hardware platform,introduced the general framework of the system,explained detail design of local embedded hardware system and monitor center software based on MS DirectShow. The scheme features low cost, small volume and high stabilization by comparing with the traditional video system. Keywords: Video monitor DirectShow TMS320DM642 Ethernet 一 引言 　　隨著計算機網(wǎng)絡、通訊技術、嵌入式處理器的發(fā)展，基于嵌入式的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)應運而生。目前市場主流仍然是基于PC的視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端，它雖然便于現(xiàn)場操作，但穩(wěn)定性不好，視頻前端較復雜，可靠性不高，而基于嵌入式的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端就能彌補以上的弊端，嵌入式視頻編碼器具備視頻編碼處理、網(wǎng)絡通信強大功能，直接支持網(wǎng)絡視頻傳輸，視頻壓縮等功能集中到一個體積很小的設備內(nèi)，直接連入局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)，系統(tǒng)的體積小、成本低、穩(wěn)定性高、實時性好[1]，非常適合于各種監(jiān)控場所，具備廣闊的發(fā)展前景和市場空間。 　　本文提出了基于以太網(wǎng)的嵌入視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。他主要包括前端嵌入式視頻終端和遠程監(jiān)控中心。選用TI公司的DSP構建一個嵌入式視頻采集壓縮與傳輸體系，該嵌入式視頻處理平臺具備著視頻采集、編碼處理、網(wǎng)絡通信強大功能，支持網(wǎng)絡視頻傳輸和網(wǎng)絡管理，還具有視頻保存回放功能。視頻監(jiān)控遠程終端軟件的開發(fā)采用微軟的DirectShow技術來完成，在遠程監(jiān)視系統(tǒng)中，視頻的數(shù)據(jù)量非常龐大，以視頻圖像大小 352×288大小為例，如果每秒傳輸30幀真彩色視頻圖像 就需要約的55Mbps帶寬，而這在網(wǎng)絡上幾乎不可能實現(xiàn)，所以本設計還在系統(tǒng)上實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的H264的壓縮與解壓，這大大緩解了網(wǎng)絡傳輸壓力。 二 系統(tǒng)總體設計方案 　　2.1系統(tǒng)整體框架 　　本系統(tǒng)主要由前端嵌入式監(jiān)控模塊和遠程PC機監(jiān)控中心組成。前端系統(tǒng)主要將現(xiàn)場采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過相關壓縮處理變成數(shù)字信號，然后通過以太網(wǎng)傳輸至遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端，遠程中心解碼播放接收到的視頻流，遠程監(jiān)控端還可以通過界面控制云臺的轉(zhuǎn)動、調(diào)整攝像頭的參數(shù)，以改變監(jiān)控區(qū)域。其系統(tǒng)框圖如圖1 [align=center] 圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體框圖[/align] 　　2.2前端網(wǎng)絡監(jiān)控模塊硬件設計 　　前端嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控模塊主要采用TI推出的專門針對于視頻應用的TMS320DM642芯片。DM642內(nèi)含6個算術邏輯單元,在每個時鐘周期內(nèi)都可執(zhí)行2個16位或4個8位的加減、比較、移動等運算。在600MHz的時鐘頻率下, DM642 每秒可以進行24 億次16 位的乘累加或48 億次8 位的乘累加[4]。使得DM642在多視頻處理和圖像處理方面有著強大的優(yōu)勢。DM642還在C64x 的基礎上增加了很多外圍設備和接口。 　　系統(tǒng)的硬件框圖如圖2 ，該最小系統(tǒng)是由DM642、SDRAM（4M64b）和FLASH（4M＊8b）等組成。前端接入三路CCD攝像頭，視頻解碼芯片采用TI公司的TVP5150，DM642的視頻端（VP）通過視頻解碼芯片TVP5150能方便地實現(xiàn)和CCD攝像機的無縫連接，CCD攝像機輸出的模擬視頻信號經(jīng)TVP5150模數(shù)轉(zhuǎn)換后，形成BT.656格式的數(shù)字視頻信號，從DM642的VP口輸入;DM642通過EDMA方式從VP口將采集到的YUV格式的數(shù)字信號搬運至系統(tǒng)存儲單元中，再對視頻數(shù)據(jù)用H264壓縮算法進行壓縮處理編碼壓縮，生成的視頻碼流數(shù)據(jù)經(jīng)EMAC的MII接口到片外PHY（LXT971）芯片后，通過以太網(wǎng)傳到遠程監(jiān)控中心主機，通過PC機的監(jiān)控軟件接收播放視頻數(shù)據(jù)，完成網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的功能。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)硬件框圖[/align] 　　2.3前端網(wǎng)絡監(jiān)控模塊軟件設計 　　DSP軟件程序采用RF-5框架來整合H264的編碼庫H264lib。在進入DSP/BIOS的調(diào)度程序之前，程序需要初始化多個要使用的模塊。包括：（1）DM642和系統(tǒng)板的初始化;（2）RF-5模塊初始化;（3）建立捕獲通道。在完成初始化工作之后，系統(tǒng)進入DSP/BIOS調(diào)度程序管理下的4個線程和1個通道。其中taskVideoCap， taskH264Encode和taskNetwork的優(yōu)先級為高, taskControl的優(yōu)先級最底。taskVideoCap， taskH264Encode，taskNetwork和taskControl線程是系統(tǒng)的核心線程，不斷地完成從底層視頻驅(qū)動獲取視頻信號，將視頻信號進行H264編碼，再通過網(wǎng)絡傳給遠程用戶進行顯示。taskVideoCap，taskH264Encode和taskNetwork線程之間通過同步通信模塊（SCOM）進行同步和通信，taskControl線程和taskH264Encode線程之間通過郵箱（MBX）進行通信。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖3 [align=center] 圖3 嵌入式系統(tǒng)軟件總體流程圖[/align] 三 遠程監(jiān)控中心軟件實現(xiàn) 　　3.1DirectShow技術 　　整個系統(tǒng)以Microsoft公司的DirectShow技術為基礎， DirectShow屬于DirectX家族的一員，他為在Windows平臺處理各種格式的媒體文件的回放，音視頻采集等高性能要求的多媒體應用，提供了完整的解決方案[2]。在DirectShow系統(tǒng)之上，應用程序要按照一定的意圖建立起相應的Filter Graph，然后通過Filter Graph Manager來控制整個的數(shù)據(jù)處理過程，DirectShow的體系結構如圖所示。DirectShow能在Filter Graph運行的時候接收到各種事件，并通過消息的方式發(fā)送到應用程序。這樣，就實現(xiàn)了應用程序與DirectShow之間的交互。 [align=center] 圖4 DirectShow的體系結構如圖[/align] 　　Directshow是基于模塊化，每個特定的功能模塊都采取COM組件方式，稱為Filter。Directshow提供了一系列的標準的模塊可用于應用開發(fā)，開發(fā)者也可以開發(fā)自己的功能filter來擴展Directshow的應用。每個filter都在FilterGraph的模型的管理下參與數(shù)據(jù)的處理，各個filter在FilterGraph中按特定的順序鏈接來完成用戶制定的功能。filter 一般分為下面幾種類型（1）源過濾器（sourcefilter）：源過濾器引入數(shù)據(jù)到過濾器圖表中，數(shù)據(jù)來源可以是文件、網(wǎng)絡、照相機等。（2）變換過濾器（transform filter）：變換過濾器的工作是獲取輸入流，處理數(shù)據(jù)，并生成輸出流。變換過濾器對數(shù)據(jù)的處理包括編解碼、格式轉(zhuǎn)換、壓縮解壓縮等。（3）提交過濾器（renderer filter）：提交過濾器在過濾器圖表里處于最后一級，它們接收數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)提交給外設[2]。 　　3.2采用Directshow實現(xiàn)對網(wǎng)絡視頻流的實時播放 　　本系統(tǒng)軟件分別對各個功能Filter進行了開發(fā)，并將他們連接成一個完整的鏈路，如圖5 [align=center] 圖5 網(wǎng)絡播放FilterGraph[/align] 　　其中NetRecv Filter為網(wǎng)絡接收源過濾器Filter（sourcefilter），它由CBaseFilter繼承而來，CBaseFilter已經(jīng)具備了Filter的基本特征和框架，采用推模式將網(wǎng)絡接收來的數(shù)據(jù)推向下一級filter，程序?qū)ocket相關操作都放在應用層，如socket創(chuàng)建、偵聽、連接等，到時候只要將連接好的socket句柄通過filter接口設置給NetRecv Filter，在接受filter內(nèi)部實現(xiàn)時，只需使用外部設置進來的socket進行數(shù)據(jù)的接受工作。 　　由于從遠程嵌入式終端傳輸過來的視頻數(shù)據(jù)為H264壓縮碼流，所以要對其實現(xiàn)實時播放還需要一個transform filter 即H264解碼filter （H264 Decode Filter），它由CTransformFilter繼承而來，它主要是由T264代碼為核心的解碼filter，T264是中國的視頻編碼自由組織合力開發(fā)的264編解碼程序，他將完成從NetRecv Filter上接受H264碼流，再對其進行解碼變成YUV視頻格式，通過輸出PIN送至render filter進行播放。 　　整個實現(xiàn)過程如下 　?。?）首先構建視頻播放FilterGraph對象m_VideoGraph; 　　（2）創(chuàng)建NetRecv Filter、H264 Decode Filter和Renderer Filter，并將這三個filter加入到m_VideoGraph中; 　?。?）將負責視頻數(shù)據(jù)接收的socket設置給NetRecv Filter進行網(wǎng)絡視頻流數(shù)據(jù)的接收工作; 　　（4）根據(jù)第一次接受的數(shù)據(jù)格式重新設定視頻的各個參數(shù)，例如： 　　mPreferredMt.SetSubtype（&MEDIASUBTYPE_YUY2）;//設定媒體類型為YUV4：2：0格式; 　　info.AvgTimePerFrame = 400000; //幀速率為25幀/S; 　　info.bmiHeader.biWidth =n_Width;//設定圖像的寬度; 　　info.bmiHeader.biHeight = n_Height;//設定圖像的高度; 　　info.bmiHeader.biSizeImage=n_Width＊ _Height ＊2; //圖像的大小; 　　info.bmiHeader.biCompression= mmioFOURCC（‘Y‘,‘U‘,‘Y‘,‘2‘）; 　?。?）設定完視頻格式后，通知應用完成全部filter的連接工作，然后調(diào)用mVideoGraph->Run（）運行。 　?。?）當網(wǎng)絡接受到超過一定的數(shù)據(jù)量時，通知事件窗體要進行視頻的播放。 　　3.3 網(wǎng)絡視頻傳輸策略 　　網(wǎng)絡部分采用WinSock進行編程，socket 提供兩種不同的傳輸方式，TCP是面向連接的協(xié)議, 通過握手協(xié)議, 能夠提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸, 但是速度慢, 系統(tǒng)負載大。UDP不提供連接, 依靠網(wǎng)絡自身來保證傳輸?shù)目煽? 不能保證圖像不丟失, 但是簡單快速[3]。視頻圖像傳輸有自身的特點：關鍵的壓縮圖像信息（H264的壓縮信息）等一旦丟失將造成系統(tǒng)的癱瘓，其他的控制信息的部分丟失不會對系統(tǒng)產(chǎn)生太大的影響。本系統(tǒng)針對視頻圖像傳輸?shù)奶攸c采用如下的傳輸機制：視頻圖像傳輸方面采用TCP的連接方式，保證核心的信息實現(xiàn)無差錯連接，而控制中心和遠程終端的交互信息則采用UDP 的方式。 　　系統(tǒng)采用流式的數(shù)據(jù)接受方案，TCP和UDP傳輸包都有自己的結構，傳輸視頻數(shù)據(jù)的TCP數(shù)據(jù)包格式如下 　　當監(jiān)控中心接受到一個TCP包時首先判斷它的數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)類型我們這里把它定義了兩種，一種是格式數(shù)據(jù)，還有就是視頻數(shù)據(jù)。格式數(shù)據(jù)主要包含了前端系統(tǒng)的配置情況如像素設置，圖像大小，壓縮類型等，中心根據(jù)這個數(shù)據(jù)來配置自身的程序運行狀態(tài)和運行參數(shù)的設置。負載數(shù)據(jù)就是數(shù)據(jù)包的實體部分，包含著具體的格式數(shù)據(jù)或者具體的媒體數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將會被做相應的處理。最后采用CRC-16進行校驗。 　　UDP數(shù)據(jù)包的格式如下 　　UDP主要用來傳輸控制命令，程序首先接收命令類型例如：遠程終端要求連接、遠程端的系統(tǒng)配置信息、云臺控制信息等，數(shù)據(jù)參數(shù)主要是以上這些控制命令的具體控制要求如：控制云臺旋轉(zhuǎn)的具體的角度等，這樣就能夠做到現(xiàn)場端和遠程端的信息命令的實時交互。 測試結果 　　在局域網(wǎng)環(huán)境內(nèi)，采用一路點對點的傳播方式對監(jiān)控系統(tǒng)進行測試，設定圖像的的大小為352＊288，測試結果表明，該系統(tǒng)對平過度視頻圖像的壓縮率為100倍左右，網(wǎng)絡延時約為3s，占用的網(wǎng)絡傳輸帶寬小于2M，根據(jù)實際效果來看，該系統(tǒng)具有較為流暢的傳輸性能，實時傳輸時系統(tǒng)延遲小，能夠較好完成視頻監(jiān)控的目的，能夠滿足目前大多數(shù)視頻監(jiān)控的需要。 結論 　　本文主要給出了基于DM642的嵌入式視頻監(jiān)控前端和基于DirectShow的遠程監(jiān)控中心軟件的完整實現(xiàn)方案。經(jīng)測試表明，該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定，占用帶寬小，易擴展和升級，可用于環(huán)境較惡劣的監(jiān)控場所，有著廣闊的應用前景。 參考文獻 　　【1】陳文詳，孟利民.新型嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].電子元器件應用，2008第10卷2期. 　　【2】陸其明編著. 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