基于DM642的網絡視頻系統的設計與實現

潘佚

（南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001）

基于DM642的網絡視頻系統的設計與實現

潘佚

（南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001）

為滿足現代實時網絡視頻應用的需求，提出并實現了一種基于TI公司多媒體DSP芯片TMS320DM642的實時網絡視頻系統，給出了網絡視頻節點的硬件及軟件的詳細設計方案。結果證明，該系統能對視頻圖像進行實時壓縮編碼，并在各網絡節點之間傳輸，且傳輸速率穩定，圖像質量可調，能滿足現代各種實時監控系統的要求。

實時視頻；網絡節點；DM642；圖像壓縮；動態JPEG

網絡視頻技術是隨著視頻圖像、語音等多媒體信息數字處理技術與數字通信技術的飛速發展應運而生的。網絡視頻系統將傳統攝像機和PC的功能整合到了一起，不僅將能模擬視頻信號數字化并壓縮，還帶有一個網絡接口，在網絡上擁有一個IP地址。視頻經由網絡交換機，通過IP網絡傳輸，并可在裝有視頻管理軟件的標準PC上顯示和存儲。網絡視頻系統可選擇高分辨率攝像機（數百萬像素），具有穩定的圖像質量和傳輸速率，現在已在各種嵌入式視頻會議系統，可視電話及各種分布式實時監控系統中得到越來越廣泛的應用[1-2]。文中實現了一種基于TI公司推出的一款針對多媒體處理領域應用的DSP，TMS320DM642的網絡視頻系統的設計方案。

1 網絡視頻節點硬件設計

系統視頻節點的硬件結構如圖1所示，由CCD攝像頭輸入的視頻信號首先通過視頻編碼器SAA7115H進行數字化處理，所得數字視頻信號經過視頻端口（VP0）的內部FIFO緩沖后，由DM642通過EDMA將數據傳送到片外SDRAM中，以便供視頻應用程序使用。視頻應用程序對圖像進行相應處理（如增強、編碼）之后由以太網控制器進行網絡傳輸任務。

系統核心TMS320DM642是個強大的多媒體處理器，也是構成多媒體通信系統的良好平臺。為了滿足視頻和圖像處理的需要，它采用了VelociTI體系結構，主頻600 MHz，8個并行運算單元，處理能力達4 800 MIPS，L1PCache和L1DCache分別為16 kB，工作在CPU全速訪問狀態，二級緩存256 kB。DM642采用高級超長指令字結構和硬件流水機制，使其在一個指令周期能夠并行處理多條指令，從而加速了處理速度。這使得構建小型實時化的視頻實時處理系統成為可能。DM642外設中有3個可配置的視頻接口，可以和視頻輸入、輸出或傳輸流無縫連接；同時還帶有10/100 Mbs自適應以太網接口，提供DSP核與網絡之間的高效連接；豐富的外圍接口使其近乎是一個多媒體嵌入式系統的單芯片硬件平臺。DM642的完全可編程性，又可以使其能夠兼容正在發展的各種多媒體信號處理標準，構成通用的軟件平臺，因此得到越來越廣泛的應用[3]。

圖1 網絡視頻系統節點結構框圖Fig.1 Structure diagram of the network video system

2 網絡視頻節點軟件設計

2.1 整體流程

TI公司的DSP開發軟件包括集成開發環境（CCS）、實時操作系統（DSP/BIOS）、第三方算法庫標準（eXpressDSP）。 本系統中調用TI提供的JPEG算法庫。

如圖2所示，整體流程可分為3個模塊：圖像的輸入任務、處理任務和網絡傳輸任務。輸入任務獲得獲取攝像頭捕獲的模擬視頻信號，并經過兩次采樣后，將得到的數字圖像幀數據通過同步通訊 （Synchronized COMmunication，SCOM）由輸入任務進入到處理模塊。處理模塊完成圖像幀的壓縮編碼。編碼結束以后，會產生JPEG格式的圖像文件。該壓縮圖像由SCOM傳遞到最后一個模塊－網絡傳輸模塊。網絡任務生成一個該JPEG圖像的HTML文件，傳輸到終端計算機后，可在計算機的網頁瀏覽器上觀看到圖像。圖像幀在幾個任務模塊之間的傳遞都是通過指針實現的。

圖2 軟件流程圖Fig.2 Flow chart of software

2.2 圖像的獲取及視頻端口驅動

本系統中，原始圖像幀是由攝像機獲取的，編碼后進入DM642的視頻端口（VP）。對于DM642的VP口，TI提供了一個兩層設備驅動模型：類/微驅動模型（Class/Mini Driver），其中Class Driver（上層驅動）用于連接應用程序和下層驅動，Mini Driver（下層驅動）靠近底層硬件。在此基礎上，應用程序可以復用絕大部分相似設備的驅動程序，從而提高驅動程序的開發效率。根據VP口的特點，Class Driver又可分為FVID Class Driver和 GIO Class Driver，FVID Class Driver更接近應用程序，提供一些特別適用于圖像的API函數，而GIO Class Driver則提供與Mini Driver進行通信的API函數。在視頻采集過程中，使用硬件中斷對視頻數據進行控制和傳輸，在中斷服務程序中，根據視頻端口內部FIFO的狀態通過EDMA完成視頻數據的讀入。

系統用于編碼支持的視頻標準有PAL、NTSC和SECAM制式。PHILIPS的圖像解碼芯片SAA7115支持6路復合模擬視頻或3路S端子信號輸入，支持多種格式的數字RGB和YUV視頻信號輸出。輸入的模擬視頻信號經過SAA7115H采樣后轉化為YUV 4:2:2格式的數字視頻，分辨率為720×480（可根據需要進行設置，DM642通過I2C總線對SAA7115H進行參數設定）。這是第一次采樣過程。為了方便調用TI提供的JPEG算法庫，還要對圖像信號進行二次采樣，將其轉換為YUV 4:2:0格式。轉換完成以后，將指向所得圖像在內存區位置的指針通過SCOM消息傳遞給下一個任務，即編碼。

2.3 圖像的壓縮編碼

原始圖像的數據量非常大，而網絡傳輸的帶寬有限，為了提高圖像的傳輸速率，有必要對原始圖像進行壓縮編碼處理。這一模塊就是要將YUV 4:2:0格式的圖像壓縮成JPEG格式的圖像[4]。JPEG是一種被大量應用程序支持且非常流行的靜態圖像壓縮標準，用戶可以直接通過標準網頁瀏覽器解壓并查看JPEG格式的圖像。在NTSC模式下（每秒30幀圖像），把每一秒中連續的圖像看作是獨立的30幀靜態圖，作為動態JPEG（MJPEG）來進行編碼[5]。用戶可自定義JPEG壓縮的壓縮級別，這將決定圖像的壓縮程度，并會直接決定所產生圖像的質量。JPEG編碼流程如圖3所示。

圖3 JPEG編碼流程Fig.3 JPEG coding process

Data reformat：將原始掃描圖像分割成一系列8×8大小的圖像塊，同時這個步驟還將象素的灰度進行平移，動態范圍由（0～255）轉化為（-127～128），以消除信號偏移量的影響。

DCT：對上一步得到的每個8×8圖像塊進行2D離散余弦變換，并輸出其頻譜。由于DCT是一種可分離變化，因此可把它作為兩次8點1D離散余弦變換來實現。

DC encode：對離散余弦變換后得到的直流分量（DC）系數進行量化和Huffman編碼（變長編碼）。

Quantization and RLE：對非零交流分量（AC）系數進行量化，并對其進行行程長度編碼。

AC VLC：對上一步的輸出結果再進行變長編碼，并且構造圖像的熵編碼塊。

Byte stuff：在JPEG標準中，一個或多個控制碼以后面的0xFF來標記。在字節0xFF后面加上0x00則表示該0xFF是數據的一部分而非控制字。Byte stuff給熵編碼塊里的所有0xFF的后面插入0x00。

編碼過程中包含了一系列的數據處理和傳輸操作。在對圖像進行JPEG編碼時，調用編碼控制函數jpgenc_ti（），這個函數包含了編碼所需要的全部功能函數，聲明如下：

編碼過程結束以后，通過SCOM消息通過指針將JPEG文件傳遞到下一個模塊，即網絡傳輸。

2.4 網絡傳輸

對于以太網口，TI提供了DSP上網絡應用程序開發平臺（NDK），它的核心是一系列TCP/IP協議棧庫[6]。在此平臺上，開發網絡應用程序時就不需要過多考慮TCP/IP協議內部的工作機制，使得開發過程大大簡化。

網絡環境是通過網絡初始化來啟動的。初始化程序可參照TI提供的TMS320C6000 TCP/IP網絡開發工具包。網絡任務一旦初始化成功以后，會創建發送（TX）任務，并開始等待由上一級模塊傳遞過來的SCOM消息。得到傳遞過來的JPEG圖像以后，任務執行后產生一個基于RAM的IMAGEn.jpg文件，該文件可以被HTTP服務器所識別，n的值是由圖像捕獲的通道來確定的。完成這些工作以后，發送一個SCOM消息到上一級任務，表示已準備好接收下一幅JPEG圖像。下一步則進行協議棧的初始化，包括IP地址、子網掩碼和網關的設定。當網絡連接有效時，TX任務將JPEG文件發送到網絡節點。

DM642支持Telnet、HTTP、Data server等服務。本設計中使用HTTP服務，并且在局域網內進行配置。如果要連接Internet，則必須設置DHCP，動態分配IP地址。在局域網內調試網絡配置時，設定本系統IP為192.168.1.2，其他設置如下：

3 實驗應用

用網線連接系統和PC，設置PC的IP地址為192.168.1.1。啟動Internet Explorer，在地址欄輸入192.168.1.2后，網頁里顯示從攝像頭里攝取的圖像，并以30幀/秒的速率更新，起到實時傳輸的效果，如圖4所示。

可以在HTML網頁上對JPEG壓縮性能的控制。在網頁中輸入用戶自定義參數，通過DSP/BIOS中的郵箱機制傳遞給處理任務模塊來修改JPEG的壓縮參數，改變壓縮質量，如圖5所示。

圖4 瀏覽器上觀看到的實時視頻Fig.4 Real-time video in browser

圖5 壓縮參數對話框Fig.5 Dialog box for compression parameters

圖像質量與用戶設定的JPEG壓縮參數Q有關，Q越大圖像越清晰，如圖6所示。

圖6 壓縮參數不同的圖像質量Fig.6 The image quality with different compression parameters

4 結束語

文中實現了一種基于DM642平臺的網絡視頻系統?？梢灶A見，隨著數字信息處理技術和網絡技術的發展，網絡視頻系統將得到越來越廣泛得應用。未來的應用必然要求網絡視頻系統設計滿足以下幾個條件：遠程訪問能力，高度的靈活性和可擴展性，經濟實用以及分布式智能。文中提出的基于DSP的網絡視頻系統，在現有的帶寬條件下能夠流暢、清晰、穩定地傳輸圖像，如果在DSP視頻應用程序中加入相應的功能，如監控中的動態目標檢測等，就可實現智能監控，具有廣泛的應用前景。

[1]宋姜慧，邱占芝.基于IP網絡的遠程數字實時監控系統研究[J].計算機工程與設計，2008（29）:4993-4994.

SONG Jiang-hui，QIU Zhan-zhi.Study on remote digital real-time monitoring system based on IP[J].Computer Engineering and Design，2008（29）:4993-4994.

[2]劉杰云，袁小平，佟川，等.基于DSP的網絡視頻監控平臺的設計[J].物聯網技術，2011（1）:51-54.

LIU Jie-yun，YUAN Xiao-ping，TONG Chuan，et al.Design of network video monitoring platform based on DSP[J].Internet of Things Technologies，2011（1）:51-54.

[3]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM642 Technical Overview[EB/OL]. （2002-09）[2011-12-10].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/spru615/spru615.pdf.

[4]Texas Instruments Incorporated.TMS320C64x+DSP Image/Video Processing Library Programmer’s Reference[EB/OL].（2006-03）[2011-12-10].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/sprueb9/sprueb9.pdf.

[5]梁凡.運動圖像編碼技術與標準的發展 [J].國際學術動態，2011（4）:15-17.

LIANG Fan.The development of motion picture coding technology and standards[J].International Academic Development，2011（4）:15-17.

[6]Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000 Network Developer’sKit（NDK） v2.00SoftwareProgrammer’sReference Guide[EB/OL].（2009-01）[2011-12-10].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/spru524g/spru524g.pdf.

Design and implementation of network video system based on DM642

PAN Yi
（College of Electrical Engineering，University of South China，Hengyang421001，China）

In order to satisfy the demand for network video applications，a method of implementing network video system on TI DSP TMS320DM642 is proposed.The experiment result shows that the video images can be compressed and transmitted between network peers by this real-time system，with steady speed and adjustable image quality.This network video system meets the needs of kinds of real-time surveillance system.

real-time video； network nodes； DM642； image compression； MJPEG

TP391

A

1674－6236（2012）05-0135-03

2012-01-14稿件編號：201201060

潘 佚（1979—），女，湖南株洲人，博士，講師。研究方向：電子儀器設計。