DVR系统中多路视频处理技术的研究与实现

2012-07-18孟利民

杭州电子科技大学学报(自然科学版) 2012年5期

王钢，孟利民

(浙江省通信网应用技术研究重点实验室，浙江杭州310023)

0 引言

随着网络和音视频压缩技术的迅猛发展，多媒体技术得到了极大的关注与应用，视频监控系统发生了很大的变化。数字硬盘摄像机相比较于模拟视频录像机，在图像处理、网络传送及远程控制方面有较大的优势。而前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的发展方向。目前，随着视频处理芯片的不断更新和市场需求的提高，如何实时且高效地处理多路视频数据成为了关键。基于多媒体处理芯片的视频编解码系统因具有数据处理能力强、外围接口丰富、功耗低以及开发自由度大等诸多优点［1］。为此，本文设计了一套基于H.264压缩格式的嵌入式DVR系统，本系统采用TW2835和GM8180专用芯片对多路视频图像进行压缩存储及解压回放。其中采用的H.264压缩方式压缩率高、符合市场主流。

1 DVR系统框图

本系统功能框图如图1所示，它包括:视频采集、视频压缩存储、视频回放等模块。

图1 系统功能框图

系统前端可以采集多路视频图像，它主要由TW2835芯片完成，它支持4路的模拟视频输入［2］。该芯片通过对视频图像进行相应的解码、编码及多路的合成处理，而后输出ITU-R BT656格式的视频流数据给后端的视频处理芯片处理。视频压缩、解压和存储部分由GM8180芯片完成，该芯片可以对视频图像进行高压缩比的H.264压缩［3］，并进行本地视频存储，同时也可以实现相应的H.264解压，并将视频图像输出用于回放。

2 系统实现

2.1 视频源格式分析

前端采集芯片进行相应的图像采集，它最大可支持704×576的视频输入。它输出ITU-R BT656格式的数字视频流，后端的视频处理芯片对BT656格式的数字视频流进行捕捉。

本系统接入4个摄像头来实现多路监控，这需要采集芯片的图像合成处理，使4路图像合成于一幅中，通过配置TW2835通道寄存器可以实现4路图像的合成。

这里的数字视频流采用YUV420颜色编码体系，Y代表亮度，U和V表示两种不同的色度。这里采用16×16的宏块大小，所以704×576的图像共划分为44×36个宏块。YUV采样先进行宏块内自左向右“Z”字形扫描，再进行宏块“Z”字形扫描［4］。因此，处理多路视频图像的关键部分在于如何对YUV420格式的图像进行合理分割，分别进行H.264压缩。

2.2 采集压缩软件设计

2.2.1 视频图像采集压缩

软件设计分为两部分:

(1)对采集芯片TW2835进行初始化，包括相关寄存器的配置，主要是用来设置其视频输入模块、视频控制模块、OSD和MPP输出端［5］;

(2)进行数字视频流的获取和压缩，每次采集和压缩都是以帧为单位进行的，使用GM8180内部提供的FTMCP210压缩模块进行压缩，软件设计流程图如图2所示。

图2 采集压缩软件设计流程

这里可设置捕捉图像的大小，若设置为D1(720×576)大小，切割后就分为4幅CIF(352×288)图像，若设置为CIF大小，切割后就分为4幅QICF(176×144)图像。

本系统压缩所采用的是高压缩比的H.264压缩方式，使用的是Baseline profile的level 3.1标准。在时钟频率达到165MHz情况下，最高可支持90fps的D1格式视频的压缩，支持CBR和VBR以及CAVLC(变长编码模式)。

2.2.2 视频图像切割

在压缩之前，关键的是如何对视频图像进行合理切割，因为一幅图像合成了4个摄像头的视频数据，而最终向硬盘存储视频文件时是按每1路视频来从存储的，所以要求在压缩之前对图像进行有效分割［6］。其核心部分的伪代码如下:

这里分割图像的起始位置和大小都必须是16的倍数，这是因为采用的YUV420颜色体系，使用的是16×16宏块扫描。

2.3 解压回放软件设计

经过采集和压缩的视频图像进行本地回放时，先读取本地已存录像，后送入相应的解压模块FTMCP220进行解压，该模块支持H.264格式的视频解压。软件设计流程图如图3所示:

图3 解压回放软件设计流程

用于回放的显示屏接在采集芯片接口上，可以通过相应的系统调用参数FAVC_IOCTL_DECODE_INIT和FAVC_IOCTL_DECODE_420_INIT来设置解码输出的颜色系统，这里我们设置为YUV422，最后通过系统调用参数FAVC_IOCTL_DECODE_FRAME来实现解码处理。

2.4 实现效果图

经过相应的设计与实现，本系统的多路视频采集压缩及其切割效果如图4所示，图4(a)、(b)、(c)3幅图的显示比例已经过缩放处理。

图4 系统实现效果图

其中，图4(a)为4路视频合成效果，为704×576的4CIF格式，由4张CIF图像合成，采用PC端专用H.264播放器进行播放;图4(b)为4路视频进行切割后进行本地硬盘存储的视频图像效果，以第1路为例，为352×288的CIF格式，采用PC端专用H.264播放器进行播放;图4(c)为录像回放效果，将本地已压缩录像在设备上进行H.264解压后接显示屏回放，回放的是第1路视频图像，为352×288的CIF格式。由于显示屏显示亮度和色彩设置原因及拍摄该效果图时的光线影响，故图像亮度比图4(a)、(b)稍亮。从效果图可看出，本系统能实现多路视频的切割压缩与分通道回放，且压缩效率高，回放效果清晰。