基于DSP的视频监控平台的设计

张震震，李临生，田启川

（太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原030024）

视频监控作为当今安防工作的重要组成部分，目前正朝着数字化、智能化和网络化的方向快速发展，广泛应用于智能家居和交通安全等领域。解决视频监控的关键技术之一是实现终端运动目标的识别和跟踪。目前的视频监控实现方案主要有以下几种：

(1)基于PC的监控系统。该系统结构简单、成本低，可实现简单的视频监控。但该系统不适合将其嵌入到远程区域进行监控，无法满足现在的安防需求[1]。

(2)基于DSP+FPGA双处理器的视频监控。其中FPGA完成图像预处理的运算工作，DSP主要完成复杂的图像后处理工作并输出信号控制监控平台。该系统能够有效利用DSP和FPGA在功能上互补的特点，但是进行数据交换时易出现延迟问题，而且系统的性价比低，体积和功耗相对单处理器较高[2]。

(3)基于双DSP的视频监控系统。该系统采用两片集成度高、运算速度快的DSP芯片，一片用于视频监控的算法运算，另一片主要完成视频的压缩编码。该系统传输速度快、实时性好，但也存在资源利用不充分的不足，而且系统相对复杂[3]。

(4)基于单核DSP的视频监控系统。该方案满足了视频监控的需求，同时实现资源的充分利用[4]。

为此，本文提出了基于TMS320DM6437的视频监控的设计。

1 系统整体介绍

该系统通过CMOS摄像头采集实时图像，通过TVP5146解码器对视频信息解码后将数据交给DM6437，然后视频处理子系统调用算法处理，并把处理结果通过网络传输交给终端PC。整个系统依托于DSP/BIOS操作系统来实现多任务调度和存储器管理等。系统的整体主要硬件框架如图1所示。

2 系统主要硬件介绍

2.1 核心处理器

系统选用TMS320DM6437数字媒体处理器作为核心处理器，它是首批支持达芬奇技术的纯DSP器件，其强大的功能可支持H.264视频编码。它有8个并行处理单元，其体系采用甚长指令字（CLIW）结构，具有强大的处理能力。DM6437还集成了很多外设接口，主要包括意识视频处理子系统（VPSS）、以太网接口、I2C接口、EMIF接口和DDR2接口等。

图1 硬件框架

其中VPSS提供了一个VPFE输入接口 (连接外部设备，如图像传感器、视频解码器等)以及一个VPBE输出接口(连接显示设备，如 analog SDTV显示器、数字LCD面板、HDTV视频编码器等)。VPFE由 5部分组成：CCDC、IPIPE、H3A、resizer和 histogram， 这 5部分组合构成了强大、灵活的前端接口；VPBE包含 On-Screen Display（OSD）模块、带数字 LCD和模拟 DAC接口的 Video Encoder（VENC）。VENC生成模拟式视频输出。DLCD控制器产生数字RGB/YCBCR，输出数据及时间信号。

2.2 存储器模块

系统主要的存储设备有DDR2，它与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是，虽然同是采用了在时钟的上升/下降沿同时进行数据传输的基本方式，但DDR2内存却拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力(即4 bit数据预读取)。换句话说，DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。

开发板通过专用的DDR2存储控制器接口扩展了64 MB的DDR2 SDRAM，为视频应用带来了高吞吐、高容量存储带宽，并最大可以扩展到256 MB；此外，256 MB的Nor Flash为视频应用程序脱机运行提供了有力的容量保证。

2.3 网络模块

网络接口工作在7层OSI参考模型的物理层和数据链路层，在以太网卡中，数据链路层的芯片被称作MAC控制器，物理层的芯片被称作PHY。在本系统中，考虑到DM6437片上带有EMAC（ ）/MDIO（ ）接口，即提供数据链路层控制，所以选择网卡芯片时只需要有PHY功能即可。

3 系统软件设计

本系统中，DSP端的软件主要包括：视频驱动程序开发、Codec Engine的使用以及网络模块的程序开发（即NDK的使用），应用程序的总体框架如图2所示。

在DSP/BIOS实时操作系统下，系统上电或是reset后，从程序入口点到main函数前，要执行系统的初始化，从而对相关DSP的寄存器进行配置，包括复用引脚和外设接口等的配置。main函数使外设芯片正常工作，然后启动任务线程。main函数返回后，将CPU的使用权交给DSP/BIOS，由DSP/BIOS进行程序运行中的控制调度，包括内存管理、中断处理和任务管理等。本系统中，DSP/BIOS启动两个静态配置的任务线程，包括previewTask和tskNdkStackTest。前者是整个系统的主线程，主要负责视频驱动模块和Codec Engine框架的初始化、视频图像的实时获取、视频处理算法的执行以及处理结果的输出等；后者则专门负责网络模块的所有功能。

图2 应用程序的整体框架

3.1 视频驱动软件

该系统的软件设计中，视频驱动是应用程序与底层硬件之间的重要桥梁，是软件设计中非常重要的一部分。视频驱动程序主要用于前端的视频接收端，而后端直接将算法处理结果通过网络传送到PC。TI公司提供了专门的视频处理的驱动接口函数，接口函数名均以“FVID”开头，它是将GIO的APIs根据需要再次进行封装得到的，如表1所示。

表1 FVID APIs函数列表

系统上电后进行一系列的初始化操作，main函数返回的同时，把对CPU和存储器的使用和控制权交给DSP/BIOS,然后DSP/BIOS启动视频处理的主线程，主线程便会用FVID的API函数获取sensor发来的图像。首先用FVID_creat()创建通道，函数返回的句柄作为下一步FVID_control()的参数，根据不同的命令字符串对视频接口进行配置。接着FVID_alloc和FVID_queue两个函数负责向驱动申请3个数据帧buffer，并编入buffer队列。然后，用FVID_dequeue函数将队列中的首个buffer释放出来，作为FVID_exchange函数的起始参数，表示当前正在使用的buffer。之后进入无限的while循环体，利用FVID_exchange函数来实现图像数据的实时更新，从而进行后续的算法处理。

3.2 Codec Engine软件

Codec Engine软件是TI公司专门为达芬奇系列DSP设计推出的一个标准软件框架，大大简化了软件开发人员的工作。使用Codec Engine，首先需要在main函数里初始化，用到的初始化函数为CERuntime_init()。另外，Core Engine APIs用于创建Engine对象，以及获得一些系统调试信息。应用程序创建Engine对象后，通过VISA接口创建算法对象，VISA对应4种数据模式，每种模式又对应 了 MOD_create、MOD_control、MOD_process、MOD_delete 4个接口函数，通过这些函数可以调用任何符合XDM标准的编解码算法库。系统Codec Engine的实现流程图如图3所示。

图3 Codec Engine实现流程图

3.3 网络传输软件

NDK是TI公司专门针对C6000系列DSP推出的一款网络开发套件，它基于TCP/IP协议，为开发人员提供了丰富的网络接口，使用方便灵活。

NDK共由5个模块组成，如图4所示。OS适配层是DSP/BIOS操作系统的一个抽象，把操作系统与NDK隔离，同时为NDK提供接口，实现内存空间管理和任务管理。TCP/IP协议栈是一个网络功能LIB，所有常用的网络协议的功能可以通过它来实现。网络工具模块提供了局域上层套接字的所有网络功能，如数据收发、Web服务器的配置。硬件抽象层是底层硬件的一个抽象，为网络控制模块提供接口。网络控制模块则用来进行一系列的初始化工作，协调底层驱动与TCP/IP协议栈配合工作。

NDK各种网络功能的实现都利用了socket接口。本系统中，DSP端就是socket服务器端，PC端软件为客户端。本系统创建多个socket对象来分别负责实现数据的收发操作，确保需要同步执行的操作之间互不影响。

图4 NDK模块图

具体实现时，网络模块的程序利用NDK为系统设置IP地址，系统模块实现了HTTP server，用户端在网页输入DSP的网口IP地址，即可访问DSP端的HTTP服务器，实现在网页上的实时远程监控。另外，利用socket编程，可以实现与PC端自主编写的软件进行通信，从而用户可以通过PC端的软件给DSP发送控制指令来实现不同的功能。本模块包含一个主线程和3个子线程，其中主线程 tskNdkStackTest已经在DSP/BIOS的.tcf配置文件中做了静态配置。3个子线程分别是sendTsk、receiveTsk和cmdparseTsk，分别用于发送数据、接收数据和解析PC端软件的控制命令。其中在每个子线程内创建了一个 socket。

本文研究了基于TMS320DM6437的网络视频监控的实现方法。系统以TMS320DM6437作为核心，对主要硬件器件作了介绍，并针对主要的软件框架进行了详细分析，对于视频监控平台的设计有着重要的应用价值。

[1]李德骏.智能小区安防实时视频图像跟踪系统的研究[J].武汉科技学院学报，2005，18(9)：32-35.

[2]田茜，何鑫.基于DSP/FPGA的嵌入式实时目标跟踪系统[J].计算机工程，2005，31(15)：219-221.

[3]梁昂，王耀南.基于双DSP的运动目标智能跟踪系统的设计和实现[J].电子设计应用，2004(9)：111-113.

[4]李位星，范瑞霞.基于 DSP的运动目标跟踪系统[J].自动化技术与应用，2004，23(4)：46-49.