基于DSP的視頻采集與傳輸外文翻譯

1、 淮 陰 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯學(xué) 院：電腦工程學(xué)院專 業(yè)：通信工程多媒體姓 名：韓曉曉學(xué) 號：1101312235外文出處：CollegeofInformationandCommunication Engineering,TianjinPolytechnicUniversityTianjin 300160, CHN附 件：1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。指導(dǎo)教師評語： 年月日簽名： 附件1：外文資料翻譯譯文基于DSP的嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計摘要：本系統(tǒng)提出的是一套基于TMS320DM642的嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，利用DM642為核心的數(shù)據(jù)處理,該系統(tǒng)是由視頻采集

2、、視頻處理和通信模塊組成，提供一個實現(xiàn)迷你驅(qū)動模塊的DSP / BIOS的集成開發(fā)環(huán)境,并在應(yīng)用程序?qū)訉崿F(xiàn)一項常見的任務(wù)模塊。該系統(tǒng)實現(xiàn)整個模擬視頻信號采集，H.264視頻編碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ? 它提供了通用連接未來發(fā)展并具有良好的靈活性和可擴展性，系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計和整體開發(fā)的編程方法來提高系統(tǒng)的效率。關(guān)鍵詞：DM642；遠程監(jiān)控系統(tǒng)；H.264；視頻采集；網(wǎng)絡(luò)界面1 導(dǎo)言隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)不僅提供了簡單的文本、圖片和聲音文件功能,而且開始提供各種音頻和視頻來豐富人們的生活，與此同時，監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)發(fā)展成智能化，多媒體化和網(wǎng)絡(luò)化。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)只提供視頻監(jiān)控,多媒體監(jiān)控系統(tǒng)提

3、供了音頻監(jiān)控,極大地豐富監(jiān)控的內(nèi)容，提供實時的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和連續(xù)音頻流是很有必要的，視頻傳輸應(yīng)該滿足遠程實時監(jiān)控的要求。TI公司在2003年提供的TMS320DM642 是一款擁有專用視頻接口的性能很高的DSP芯片，它有強大的DSP內(nèi)核和先進的總線結(jié)構(gòu)。它的頻率范圍是從480MHZ到720MHZ，在600 MH z主時鐘頻率數(shù)字處理能力可以到達4800 mips，DM642集成各種使視頻和圖片更方便于實際應(yīng)用發(fā)展的外設(shè)?？梢詫λM行配置三個視頻端口,提供無縫的視頻輸入接口、視頻輸出和輸入符號流，包括BT. 656, HDTVY/ C,RGB和MPEG-2輸入流，為了基于DM642視頻編碼器的發(fā)展,

4、視頻輸入只需要一個視頻采集芯片，不需要外部的邏輯控制電路和輸入/輸出緩存器，因此,硬件系統(tǒng)設(shè)計及其操作比其他系統(tǒng)更穩(wěn)定。2 系統(tǒng)設(shè)計在本系統(tǒng)設(shè)計中，系統(tǒng)的基本功能是接收采集于CCD相機的模擬視頻信號,在電腦用H.264視頻編碼后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遠程傳輸恢復(fù)和顯示視頻信號。 系統(tǒng)流程如下：CCD相機捕捉模擬視頻信號, 通過SAA7115譯碼器交付數(shù)量流到DM642視頻接口，然后經(jīng)過H.264后的數(shù)字視頻信號進入視頻處理模塊，最后，讓通過FPGA處理后的視頻信號轉(zhuǎn)換成OSD數(shù)據(jù)并在電腦終端顯示輸出。系統(tǒng)流程如圖1所示：圖1系統(tǒng)信號流圖根據(jù)功能需求和信號流，遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以分為以下幾部分：視頻接口模塊，網(wǎng)

5、絡(luò)接口模塊，OSD FPGA模塊，EMIF模塊，電源模塊，時鐘模塊，重啟模塊。視頻接口和網(wǎng)絡(luò)接口模塊是兩個最主要的模塊。3 視頻接口電路設(shè)計SAA7115是一個理想的視頻解碼設(shè)備。是一個高度集成的單芯片圖像采集處理器，支持6信道的復(fù)合模擬視頻信號輸入，3信道的S子信號輸入,或者是多倍格式的RGB或YUV的視頻信號的輸出。通過DM642的集成總線，SAA7115解碼器內(nèi)部寄存器進行合適的編程來滿足不同輸入視頻信號解碼的服務(wù)模式。該系統(tǒng)支持包括：PAL、NTSC的輸入視頻信號，和其他的標準的或非標準的模擬的復(fù)合視頻信號。SAA7115完成了視頻幀數(shù)據(jù)數(shù)字化,以及水平和垂直同步別離。DM642視頻口

6、1和視頻口2被用作視頻采集，視頻口2是用作視頻顯示。如下列圖2所示：圖2 SAA7115 和 DM642 連接框圖 視頻0和視頻1口滿足SAA7115的解碼別離。在圖3，我們只描述了視頻0口連接到SAA7115的數(shù)據(jù)核和控制線，視頻1口和SAA7115的連接和視頻0口的相同。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA主要實現(xiàn)的是OSD功能，由DM642處理攜帶的圖形信息在活動視頻中疊加，視頻流通過視頻口2輸送到FPGA。無論FPGA判斷是否需要視頻圖像的附加OSD信息, OSD的默認功能是不必要的，如果需要OSD,數(shù)據(jù)都是從內(nèi)部FIFO添加視頻數(shù)據(jù), FIFO通過EDMA 的SDRAM獲取補充數(shù)據(jù)。獲取后的添加視頻

7、數(shù)據(jù)直接傳送給SAA7105編碼器。SAA7105可以進行YUV到RGB,NTSC和PA L的復(fù)合視頻編碼,也可以使編程的SAA7105內(nèi)部寄存器實現(xiàn)超級視頻編碼。SAA7105內(nèi)部編程記錄可以通過DM642 集成電路總線部署。編碼過的視頻信號可以直接到支持YUV格式的電視上。DM642和SAA7105數(shù)據(jù)核線和控制線的連接如圖3所示：圖3 DM642和SAA7105連接示意圖4 網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計DM642的網(wǎng)絡(luò)功能是由三個主要的網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)成：EMAC控制模塊、EMAC模塊、MDIO模塊。網(wǎng)絡(luò)接口框圖如圖4所示：圖4 DM642網(wǎng)絡(luò)接口圖EMAC控制模塊可作為DSP的核心，其中的EMAC和MD

8、IO模塊可以高效的使用DSP內(nèi)存。EMAC控制模塊控制著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，中斷和存儲器接口的優(yōu)先級,可以控制內(nèi)存接口優(yōu)先級來平衡EMAC外圍設(shè)備和DSP內(nèi)存操作。EMAC控制模塊的外圍總線接口允許EMAC模塊讀寫內(nèi)外存。EMAC控制模塊具有4 k的隨機內(nèi)存用于保存緩沖描述符的信息包。 考慮到以太MAC的連接被集成在DM642上，因此需要一個物理級的網(wǎng)絡(luò)處理芯片。本系統(tǒng)使用INTEL公司的LXT971ALC芯片通過絕緣變壓器和RJ-45進行網(wǎng)絡(luò)連接。5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 DSP / BIOS應(yīng)用TI公司TMS320C5000和TMS320C6000 DSP芯片設(shè)計，最為CCS不可或缺的一部分,DSP

9、 / BIOS包括優(yōu)先級的多任務(wù)調(diào)度器,外圍管理工具,實時分析工具,圖形化配置工具等等，是TI公司集成軟件開發(fā)工具的一部分。對于DSP的應(yīng)用開發(fā)，DSP / BIOS提供一個標準化結(jié)構(gòu)，圍繞這個結(jié)構(gòu)軟件模塊單元可以被設(shè)計。編程人員可以防止底部軟件開發(fā)的大量不必要工作，盡可能的專注于專用算法的應(yīng)用需求。5.1視頻驅(qū)動開發(fā) 設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計是基于CSL類/ 迷你驅(qū)動模型。使用模型驅(qū)動程序設(shè)計,應(yīng)用程序可以重用絕大多數(shù)的類似驅(qū)動設(shè)備,因而能提高驅(qū)動設(shè)備的使用效率。分類-驅(qū)動迷你驅(qū)動模型視頻結(jié)構(gòu)如圖5所示：圖5 視頻采集和顯示驅(qū)動結(jié)構(gòu)模型的功能驅(qū)動程序分為依賴與硬件層(微驅(qū)動)和獨立于硬件層(類驅(qū)動

10、),并給出了常見的兩層之間的接口。上層應(yīng)用程序并不直接控制微驅(qū)動，而是通過類驅(qū)動來控制。每個類驅(qū)動程序在應(yīng)用程序代碼中執(zhí)行API函數(shù),并通過標準化驅(qū)動微IOM接口與微驅(qū)動進行通信。 DSP / BIOS定義了下面一些驅(qū)動模塊：PIP管理模塊、SIO管理模塊和普通輸入CIO輸出模塊。在PIP和SIO類驅(qū)動程序,只有API調(diào)用函數(shù)和參數(shù)來響應(yīng)相應(yīng)的DIO、PIO模塊，這樣就可以和微驅(qū)動交換數(shù)據(jù)。在GIO類驅(qū)動中，直接調(diào)用API函數(shù)和微驅(qū)動進行通信。在實際的開發(fā)中,為了處理可伸縮性和重用性，系統(tǒng)采用了FVID類驅(qū)動包。FVID函數(shù)實際上是GIO和API函數(shù)包。對于GIO信道分配的緩存，四大FVID函

11、數(shù)用于創(chuàng)建GIO單獨通道,控制設(shè)備的操作,并將數(shù)據(jù)發(fā)送給微驅(qū)動包。主要的視頻采集與顯示的程序如下：CapChan= FVID_,IOM_INPUT , & status, ( Pt r) & EVMDM642_vCapPar amsChan, NULL) ;FVID_co nt ro l ( capChan, VPORT _CMD_EDC_BASE+ EDC_CONFIG,( Pt r) & EVMDM642_vCapParamsTVP5150A) ;FVID_co nt ro l ( capChan, VPORT _CMD_START, NU LL) ;* ( ( v

12、o lat ile unsigned int * ) 0x01b4c010) = 0x00000004| * ( ( volat ile unsig ned int * ) 0x 01b4c010) ;* ( ( vo lat ile unsigned int * ) 0x01b4c014) = 0x00000004| * ( ( volat ile unsig ned int * ) 0x 01b4c014) ;switch ( displaymode)Case 0: * ( ( volat ile unsig ned int * ) 0x 01b4c01c) = 0x00000004; b

13、reak;Case 1: * ( ( volat ile unsig ned int * ) 0x 01b4c01c) = 0x00000004; break;Case 2: * ( ( volat ile unsig ned int * ) 0x 01b4c01c) = 0x00000000; break;Default: * ( ( vo lat ile unsigned int * ) 0x01b4c01c) = 0x 00000004;5.2 H.264壓縮編碼H.264是由ITU首次提出,ISO和IEC共同采用的視頻壓縮國際標準。由于其靈活性，H.264視頻壓縮已廣泛應(yīng)用與各個領(lǐng)域，

14、例如：高清DVD，數(shù)字視頻廣播包括高清電視、網(wǎng)絡(luò)視頻存儲、3G 技術(shù)，在軟件應(yīng)用方面，例如：QuickT ime、Flash和蘋果電腦的MacOS X操作系統(tǒng)，在家里視頻游戲機方面如PlayStation 3。在許多廠商和應(yīng)用的支持下為了滿足消費者和專業(yè)人員的需求，在目前的市場中H . 264視頻壓縮技術(shù)有望取代其他的壓縮技術(shù)。隨著H.264格式更加廣泛應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)攝像機、視頻編碼器和視頻管理軟件中，系統(tǒng)設(shè)計員將需要確保他們所選的產(chǎn)品能支持這種新式開放的視頻壓縮標準。目前，同時支持H . 264和JPEG格式的網(wǎng)絡(luò)視頻產(chǎn)品,是滿足最大的靈活性和集成的可能性的理想產(chǎn)品。視頻編碼的流程如圖6所示：圖

15、6 視頻編碼流程圖H.264有許多提高圖像質(zhì)量的性能：H.264在編碼和解碼過程中強制解封每一幀圖，結(jié)果是由于在圖像上呈現(xiàn)很少的噪聲使編碼變得更加的高效。然而,它是不可能關(guān)掉解封改善較慢的回放系統(tǒng)。像素運動估計: 當DivX的ASP編碼器搜索過去的塊時未來幀決定運動矢量下降到半像素的精度。半像素在編碼過程中會迅速的進行搜索而且用半像素精度的運動矢量的紋理重建在回放期間也很快。H.264在編碼期間使用像素精度進行運動搜索這將導(dǎo)致更長的搜索時間并且在回放過稱中紋理重建將更加的復(fù)雜。盡管數(shù)據(jù)處理要求很高，更準確的預(yù)測會導(dǎo)致更清晰的圖片和提高效率。 ASP和H.264都使用16x16像素塊作為它們基本

16、的塊尺寸。ASP塊可以細分為4個8×8分塊，而H.264允許塊被細分到4x 4像素。較小的塊在低空間分辨率的區(qū)域是有益的因此對于標準定義和移動內(nèi)容尤其有用。H.264在幀內(nèi)的預(yù)測方面具有更大得靈活性，所以但運動估計失敗或關(guān)鍵幀已編碼，塊紋理會比ASP標準更加高效的被存儲起來。6 總結(jié)本系統(tǒng)采用DSP+ FPGA的開發(fā)模式，有很多的外部接口，反映了良好的靈活性和可擴展性。也考慮可擴張性，例如：通過ATA接口，DM642上的文檔格式的數(shù)據(jù)存儲可被擴展到本地硬盤以備將來調(diào)用，通過HPI接口可以連接到單片機80C51的MCU。DM642和單片機80C51之間可進行通信。 本文的創(chuàng)新如下：使用

17、DM642作為多媒體處理器的內(nèi)核，建立了視頻信號采集，H.264視頻編碼，視頻信號處理和遠程傳輸系統(tǒng)，豐富了目前國內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的單一功能，實現(xiàn)了多媒體網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。參考文獻1 Texas Instruments Incorporated. TMS320DM642 Technical Overview Z . SPRU616, 2002.2 Texas Instruments Incorporated. TMS320DM642 Video/ Imaging Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual Z . SPRS200A, 200

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