目前,视音频技术在各项工作和生活领域中得到了广泛应用,还为人们提出了高效的传输平台以及接入和处理手段。多媒体监控系统以其能够实时、形象、真实地反映被监控对象的特性而逐渐成为现代化管理、检测、控制的重要技术手段之一。而网络视频技术的一个主要热点就是嵌入数字视频监控系统。在基本嵌入式远程视频监控系统的研究中,国外起步较早,并处于领先水平,已经有成熟的嵌入式网络视频服务产品,采用MPEG或者小波压缩方法,其性能普遍比较好,但价格昂贵。国内在这方面的研究还处于刚刚起步的阶段,随着数字技术的发展,图像数据压缩编码技术及标准的改进,芯片成本的不断下降,从事研究的单位也就越来越多。本系统利用美国ADI公司2004年4月最新推出的ADSP-BF532 DSPCPU芯片实现嵌入式网络视频服务器,将其用于构建高可靠性的视频监控系统。ADSP-BF532摒除了基于传统架构的传统DSP和RISC控制器不能满足视频应用的广泛性、灵活性以及标准的多样性的缺隐,利用ADI公司采用的全新的MSA架构技术,充分满足了实时多媒体数字信号处理的要求。本文研究的嵌入式网络视频服务器的设计方案,与传统的多媒体监控系统相比,具有何种小、成本低、稳定性高和实时性好等特点,有很强的实际应用价值。

 
1 嵌入式网络视频服务器的原理

嵌入式视频服务器是一种提供网络视频传输和共享的嵌入式设备。它采用嵌入式一体化结构,以面向实时处理的软件平台,集成了多通道视频、网络传输等多种功能,将视频和音频信号进行采集、压缩、复合后转换为网络IP包,采用合适的网络协议实现了视频和音频压缩数据流的实时网络传输,使得用户无论身在何处都能通过网络获得指定现场的实时图像和声音信息。此外,通过视频服务器内置的一个嵌入式网络服务器,还能实现对视频服务器的远程配置和其他附属设备的远程控制与状态获取。

由于把视频压缩和网络功能集中到一个体积很小的设备内,可以直接连入局域网,达到即插即看,省掉多种复杂的电缆,安装方便(仅需要设置一个IP地址)。用户也无需安装任何硬件设备,仅用浏览器即可观看,也可以在上端主机编制控制程序,通过人机界面进行浏览。

2 系统的硬件设计

基于ADSP-BF532的嵌入式网络视频服务器的主要硬件功能模块为:视频输入模块、核心的ADSP-BF532CPU、视频输出模块、外部存储块、仿真调试接口(JTAG)模块以及电源模块。

图1为该系统组成结构图,具体设计如下:系统前端视频采集由ADV7183实现,视频数据采集格式为YUV422Planar,采集的数据经过ADSP-BF532的PPI接口直接存储在SDRAM里,ADV7183在自己的时钟控制下通过PPI接口自动向SDRAM单元送数据,当采集完一场数据时DMA产生中断,在DMA的中断服务程序里根据实际设定情况完成视频处理;音频采集由AD1836以及外围相应的电路来实现,音频采集格式为单声道,8000Samples/s,每个采样用16Bits量化,采集的数据经过ADSP-BF532的PPI接口直接存储在SDRAM里,当设定存放音频采集数据的缓存器满时DMA产生中断,在DMA的中断服务程序里根据实际设定情况处理音频数据;ADSP-BF532一方面把采集来的视频音频数据经SPI接口送入MPC860进行处理,通过MPC860的MII接口与物理网络相连接,然后送到PC机上供实时监看和监听;一方面实时处理采集的音视频数据,压缩编码元成后的数据送到PC机,并存入硬盘。系统配置JTAG接口,运用于调试阶段。本文主要研究嵌入式视频服务器中的视频数据的处理,对于音频数据不予介绍。

3 系统的软件设计与优化

系统在Blackfin系列的软件开发环境Visual DSP++ 3.1下实现,主要分为视频外设编程、视频编码编程、视频传输编程以及系统优化部分。

3.1 系统外设软件设计

视频输入设备ADV7183:ADSP-BF532通过I2C总线配置ADV7183采集图像的亮度、对比度、色度和饱和度等。ADV7183的内部控制寄存器访问通过I2C总线接口完成。

视频输入PPI接口:半双工形式,最大16位数据传输,输入时采用二维DMA方法,每采集一帧图像进行一次处理。二维DMA程序如下:

本程序采用标准的ITU-656接收模式,接收视频数据字节流:

X_COUNT=360;Y_COUNT=288;
X_MODIFY=4;Y_MODIY=4;

按以上设置执行二维DMA后,从首地址开始的内存数据排列:

0,4,8,…… 356
360,360+4,360+8,…… 360+356
2×360,2×360+4,2×360+8 …… 2×360+356
…… …… …… …… ……
284×360,284×360+4,284×360+8,……284×360+356

视频输出UART接口:利用ADSP-BF532提供的UART口,加快调试过程。

串行SPI和网络接口设备MPC860的编程:利用SPI接口,将ADSP-BF532作为传输数据的主设备,MPC800作为从设备,将数据传送给MPC860处理,接收视频数据并提供网络接口。其中网口、SPI接口接收数据的流程如图2所示。


 
3.2 视频编码

考虑到压缩效率和码率,视频服务器的核心采用了MPEG-4 Simple Profile标准进行视频压缩编码。只进行帧内编码(I帧)和帧间预测编码(P帧),而不进行双向预测编码(B帧),适合矩形视频对象(Video Object)编码。

其中的核心算法有DCT和IDCT,它采用2D 8×8DCT,并且采用循环缓冲,充分利用了Blackfin DSP的优势,减少了循环体内部的指令执行数;MPEG-4采用两种方法确定量化步长,一是采用TM5速率控制方式,二是采用MPEG-4中定义的速率控制模型,它们都是通过码流速率大小以及图像质量的要求来改变量化系数。MPEG-4的直流系数量化采用非线性量化方式,交流系数既可以选择H.263量化也可以使用MPEG量化,这里采用H.263模式。

运动预测使用条块SAD(当前的图像与预测图像的绝对差值和)最小搜索出最匹配的宏块,而且Blackfin DSP提供了一条视频专用指令SAA,大大提高了速度;最后用边界填充(PADDING)减少在宏块边界上的运动误差。

3.3 视频网络传输的实现

经过视频采集、压缩后的视频数据通过网络进行传输,其传输层用TCP传输协议传输信息包很小的操作控制命令,用UDP传输协议传输视频图像数据。因为TCP这种传统的连接协议必须要求数据无误地顺序传输到客户端的应用层,可以利用TCP传输协议传输网络监控中的控制命令,信号服务器和客户端正确接收到操作命令。UDP传输协议没有提供网络流量控制和数据包丢失、出错处理,在高级压缩算法如MPEG-4采用了帧间压缩的方法,数据包丢失可能影响到连续几帧视频图像。所以,基于UDP传输协议的应用程序必须靠设计解决可靠性问题。

上端软件提供友好的用户界面,用Visual C++6.0实现,根据用户的需求,通过网络从远程终端接收视频数据,包括MPEG-4的解码过程、网络传输控制和网络命令编码等。有两种编写方式,第一种需要专门写一个服务器/客户端软件来发送和接收视频图像数据;第二种可以采用服务器/浏览器模式,即将客户端软件做成控件,嵌入到网页中,做成基于WEB的数字视频服务器。本文采用第一种方式。


 
网络通讯模块采用组播技术,提高程序的效率。系统IP网络数据通信流程图如图3所示。本文为实现组播服务特别写了一个类Cmulticast,它是专门为视频传输而封装的类,用于服务器和客户机两端。下面对此类的公共访问函数进行介绍。

class CMulticast :publicCobject
{
public:
void Close(); //关闭创建的套接字
BOOL IsConnect();
Static Void Unintilize();//Winsock终止
Static Void Initilize(); //从指定组的指定端口读取数据
Int Send(char* lpData,int size)//向目的地址发送消息
BOOL Create(Cstring lpstrADDR,unsigned short port,HWND HWND);//创建和绑发送或接收套接字并把该套接字加入组插组,并设置了消息回调机制
CMulticast();
Virtual ~CMulticast()
Public:
HWND m_hWnd; //用于消息传递的窗口句柄
SOCKET m_hWnd; //用于消息传递的窗口句柄
SOCKET m_hSocket;//发送或接收用套接字
BOOL m_bConnected;//是否已经加入到一个组
SOCKADDR_IN addr;//发送套接字地址SOCKADDR_IN srcaddr; //接收或发送的目址
}

3.3 系统级优化

Blackfin软件开发平台的编译系统支持ANSI C以及C++编译,其系统还提供了大量的多媒体操作指令。在针对系统软件开发时,可以根据硬件的特点研究和开发调试过程中的经验,对代码的编译和具体任务的处理进行优化。以及针对要缩短显示模块代码执行时间而进行上端软件的设计优化。

4 实验结果

在该实验的基础上,经过对ADV7183采集的视频序列(帧率为30fps,CIF格式)进行测试,结果表明:(1)DSP可通过SPI接口实时传输视频图像编码数据,数据不丢失,不出错;(2)在对MPEG-4视频压缩编码测试时重建图像质量保真度接近1;(3)在局域网上作模拟实验,可以实时传输CIF尺寸视频图像,传输延迟控制在0.5s以内;(4)UART接口能够完成本地视频输出。基于ADSP-BF532的嵌入式网络视频服务器的设计方案是可行的,但是某些技术指标仍然无法胜任实际的应用场合,需要进一步提高视频压缩的测试结果,增加大容量的硬盘存储系统来存储视频数据。