多媒體技術和網絡與移動通信的飛速發展激發了人們進行視頻信息交流的需求。隨著視頻監控系統逐步向數字化發展。開發新一代基于計算機網絡以及多媒體壓縮算法的視頻監控系統成為行業的主流方向。然而隨著視頻應用的迅速增加，開發者往往需要花費很多時間來熟悉各種多媒體的標準，最終只能通過編寫與改進代碼來進行開發與改變。隨著美國TI公司推出達芬奇（DaVinci）平臺后，這一切都在發生改變。
1 達芬奇技術的主要特點
達芬奇平臺是典型的基于共享存儲的嵌入式多處理（ARM,DSP,VICP,視頻前端和后端等）環境，支持的關鍵技術是片內實現了多通道的交換中心資源（Switch Central Resources,SCR）。基于片內SCR,達芬奇平臺在片內多處理器之間形成了典型的C/S架構：計算能力強大的DSP可以作為服務器提供算法的實時計算服務；帶有JAVA處理能力的ARM9實現網絡，硬盤音視頻I/O等用戶界面。美國TI公司在達芬奇平臺上專門為音視頻編解碼（Codec）多媒體應用精心設計了系統框架，提供了豐富的系統程序接口SPI,應用程序接口API以及視頻，圖像，話音和音頻千余種流媒體算法組件。他們與操作系統，中間件構成了一個應用系統的大部分內容，應用系統開發團隊只需要將他們封裝成運行包，就能得到高可用性和高可靠性的產品。
達芬奇平臺的最大特點就是基于DSP與ARM的SOC芯片，和與之相關的相關軟件，如圖1所示。
圖1 DiVinci軟件框圖
對達芬奇平臺，硬件上給與雙核架構強有力的支持，在DSP端用DPS/BIOS來支持音/視頻算法的運行，在ARM端用MontaVistaLinux（MV）來支持其對外設的管理。對于ARM與DSP之間的數據交叉，則用Codec Engine和Codec Server來加以管理。達芬奇平臺的先進性，對高端音/視頻系統來說，無疑是開發平臺的最好選擇。
2 TMS320DM365介紹
TI公司的TMS320DM365是一款面向多媒體技術應用的高性能芯片。TM320DM365功能框圖如圖2所示。
圖2 TMS320DM365功能框圖
內核方面TMS320DM365集成ARM926EJ-S.H.264協處理器（HDVICP），MPEG4/JPEG協處理器（MJCP），能以1080p格式與10幀/s的速度提供H.264編解碼功能，和以1080p格式與24幀/s的速度提供MPEG4編解碼功能，以及以720p格式與30幀/s的速度提供H.264或MPEG4編解碼功能。存儲方面擴展存儲器接口EMIFs包括1個16位256 M地址空間的DDR2和mDDR,以及1個16/8位的AEMIF,可擴展的類型有8/16位NAND Flash,16Mb NOR Flash,SRAM,16位OneNAND等。其他外圍擴展控制器還包括16位HPI（Host-Port Interface），2個MMC（Multimedia Card）/SD（Secure Digital）/SDIO接口，1個16位的WDT（Watch DogTimer），5個SPI（Serial Port Interface）接口其中每個具有兩個片選，1個主/從I2C（Inter-Integrated Circuit）總線控制器，1個支持2.0USB OTG接口控制器等。
TMS320DM365集成的ARM926EJ-S處理器包括32 kBRAM、16 kB ROM（用于非AEMIF啟動模式下的ARMbootloader）、16 kB指令緩存、8 kB數據緩存、CP15及MMU等。其中CP15用來對指令、數據緩存、MMU以及其他ARM子系統進行配置及控制。MMU使用統一的TLB來對頁表中存儲的信息進行緩存，并為類似Linux、WindowsCE、ultron以及ThreadX等操作系統提供虛擬內存。該處理器的寫緩沖數據容量高達17 kB,使其可以大幅提高內核的性能。
TMS320DM365中的視頻處理子系統（VPSS）由兩個接口，分別用于視頻捕獲的視頻前段（VPFE）輸入接口和用于圖像顯示的視頻后端（VPBE）輸出接口。圖3為視頻處理子系統系統框圖。
圖3 VPSS系統框圖
VPFE模塊主要用于捕獲視頻信號，也可以直接從前端輸入已有的視頻信號。VPFE輸入接口有1個CCD控制器（CCDC）、1個預處理器、柱狀模塊、自動曝光/白平衡/聚焦模塊（H3A）和寄存器組成。CCDC可以與視頻解碼器、CMOS傳感器或電荷耦合裝置連接；預處理器是一個實時的圖像處理器，它把來自CMOS或CCD的原始圖像從RGB轉變為YUV422的編碼；柱狀模塊和H3A模塊實現基于原始圖像信息的硬件操作。
VPBE輸出接口由1個OSD引擎和1個視頻編碼器組成。OSD引擎能夠顯示兩組獨立的視頻窗口或兩組獨立的OSD窗口，還可以以2個視頻窗口、1個OSD窗口和一個屬性窗口的形式顯示。OSD用于在視頻圖像上疊加音量，圖標等位圖或圖像信息。視頻編碼模塊提供數字輸出和模擬輸出。數字輸出支持24bitRGB888格式、8/16bit BT.656以及具有獨立的水平和垂直同步功能的CCIT.601輸出；模擬輸出支持4路10bit DAC,均工作于54 MHz,支持復合NTSC/PAL、S端子和分量視頻。
3 系統硬件設計
系統硬件結構如圖4所示，本系統選擇以TMS320DM365為嵌入式處理器，外圍電路包括有音頻、視頻信號采集電路，以太網絡電路，電源接口，JTFAG,UART,NAND Flash,SD卡，DDR2,USB2.0 OTG以及I2C。
圖4 系統硬件結構框圖
網絡攝像機系統的信息處理流程主要分為圖像的獲取、圖像的處理傳輸以及圖像的顯示3部分。本系統中，前端攝像頭負責圖像的捕捉，將獲取的未經壓縮處理的圖像信號傳輸至電路板中通過TMS320DM365芯片進行壓縮處理以及SD卡的相應存儲，再由以太網接口或其他接口將處理過圖像進行傳輸，在遠端監視器上將圖像進行顯示。
本系統的視頻采集模塊采用TVP5146.傳統NTSC/PAL攝像頭的輸出信號格式為模擬信號，由于TMS320DM365的視頻輸入信號是通過VPFE的CCDC以ITU-R BT.601/BT.656格式進行輸入的，所以首先需要通過視頻前段濾波放大器OPA361對采集到的模擬信號進行放大，經過視頻解碼芯片TVPS146將模擬信號進行圖像的抗混疊濾波預處理、模擬數字化轉換及亮度/色度、水平/垂直同步信號的分離，實現模擬視頻信號轉換為數字并行信號BT.656碼流格式，隨后通過2個12位2選1的FET多路復用器對4路視頻信號選擇1路作為輸入從而完成VPFE的視頻輸入工作。 TVP5146是一種高性能單片數字視頻解碼器，它可將所有常見的基帶模擬視頻信號，例如NTSC,PAL,SECAM混合信號數字化并解碼為數字視頻信號。該解碼器還包括了具有模擬預處理功能的4路10位30MSPS的模數轉換器。高達10組的視頻輸入終端可以用來配置作為RGB,YPbPr,CVBS分量信號或者S端子視頻輸入。
網絡控制模塊主要包括EMAC模塊和MDIO模塊，原理圖如圖5所示。
圖5 以太網MII連接配置圖
本系統采用TI公司出品的TSB43EA42作為以太網收發器。TSB43EA42支持10 MB/100 MB基帶傳輸，提供與MAC層相接的MII接口。它與DM3 65通信的主要引腳有：發送、接收數據線、時鐘、使能信號、錯誤指示、管理數據接口、控制/指示引腳等。EMAC控制模塊內部集成了8 kB的RAM,主要功能使存放緩沖描述符和以太網數據包。MDIO模塊則主要通過兩線接口完成對物理層芯片的配置，工作狀態檢測等工作。
串口模塊采用TI公司的MAX322ICPW,主要用來負責開發板與計算機之間的通信。通過超級終端，完成Linux內核的下載以及相關參數的設置，完成系統的開發以及調試。存儲模塊包括了2個擴展存儲接口EMIF和2個MMC/SD卡接口。前者包括DDR控制器和異步擴展存儲接口AEMIF分別用于擴展連接對DDR存儲器和Flash存儲器；后者實現了2個SD卡存儲器的擴展連接。
電源模塊采用了TI公司的TPS65023作為電源管理芯片。該芯片包括3個DC/DC轉換器以及2個200mA線性穩壓器LDO.每路LDO由TMS320DM3 65通過I2C與之通信，實現各路輸出電源電壓的控制，為內核存儲器和I/O接口提供1.3,1.8,3.3 V的工作電壓；也可通過5 V穩壓器直流供電，通過DC/DC轉換器提供1.3,1.8,3.3 V供電。
4 系統軟件設計
系統的視頻采集模塊負責從攝像頭中讀取視頻流數據，讀出的圖像數據交由壓縮模塊處理。攝像頭驅動程序加載完成后為了進行視頻采集必須加入Video4Linux模塊，從而可以通過Video4Linux模塊提供的編程接口從攝像頭設備中獲取圖像幀。基于V4L的視頻采集流程圖如圖6所示。
圖6 視頻采集流程圖
本系統采用RTP實時傳輸協議以及RTCP實時傳輸控制協議作為視頻傳輸的協議。RTP在多點傳送或單點傳送的網絡服務上，提供端對端的網絡傳輸功能，適合應用程序傳輸實時數據，如：音頻、視頻或者仿真數據。RTP由于沒有為實時服務提供資源預留功能，所以不能保證QoS（服務質量）。RTCP作為一種控制協議，通過擴展可以升級為大型的多點傳送網絡，并提供最小限度的控制和鑒別功能。在RTP會話期間，各參與者周期性的傳送RTCP包，RTCP包中含有已發送的數據包的數據、丟失的數據包的數量等統計資料，因此服務器可以利用這些信息動態的改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，他們能以有效地反饋和量小的開銷使傳輸效率最佳化，RTCP利用主要的兩種控制包SR和RR反饋的信息如數據包丟失比，數據包丟失率，吞吐量和吞吐率，數據包到達時延抖動和往返傳播時延等來調節實時傳輸，并調整系統的打包格式，發包速率來保證流暢地傳輸數據和清晰的播放視頻，因此特別適合傳送網上的實時數據。
JRTPLIB作為一個RTP協議的庫，用來開發多媒體的應用十分方便。通過JRTPLIB庫發送或接收RTP數據，而不用考慮SSRC的沖突、調度，連RTCP的數據也不需要用戶來發送。用戶只需要使用相應的類來發送和接收媒體數據。下面介紹RTP相關代碼的具體實現。
在使用JRTPLIB傳輸多媒體數據之前，首先應該創建一個RTPSession類的一個對象來標識此次會話。然后通過RTPSession實例的create（）方法來對其進行初始化操作。在create（）時，需要兩個參數sessparams和transparams,分別為RTPSessionParams和RTPUDPv4Trans mission Params的實例。在create（）成功以后，需要設置目標地址、凈荷類型、時間戳增量等信息。在RTP會話建立起來以后，我們就可以進行媒體數據的傳輸。傳輸凈荷數據的方法很簡單，只需要調用RTPSession實例的SendPacker（）方法就可以了。同時為了適應在網上的傳輸，還需對凈荷數據進行分割。為了方便的使用，我們需進一步的封裝。對于RTP分組的接收部分，由于給出的是拆分了的數據幀，我們需要組合成完整的數據幀。這里需要注意的是由于本攝像機采用的H.264解碼算法，所以分流式接收方式以及RTP分組接收方式兩種模式，對于流式傳輸，有的組合成完整的數據幀的步驟放在了H.264的NAL層。但對有些音頻和JPEG等應用，還是需要進行組裝過程的。
5 結束語
提出一種基于TMS320DM365的高速網絡攝像機系統設計。網絡攝像機接入局域網后，在局域網內部的PC機上通過IE輸入網絡攝像機的IP地址，通過第三方軟件便可以觀看到攝像機捕捉到的圖像以及網絡攝像機的相關數據流量信息。當獲得圖像質量要求較高時，相應的圖像數據量也會增高，反之減小。在640X480的分辨率下，測得數據流量約為960 kb/s,可以滿足對監控視頻流暢性的要求。
本文首先介紹了視頻監控系統的發展趨勢以及嵌入式處理器TMS320DM365的特點，之后通過對該系統的硬件設計以及軟件設計的詳細分析，實現了基于達芬奇技術TMS320DM365的高速網絡攝像機系統。該系統采用了最新的技術，降低了產品的成本，具有很強的實用性，是一種比較理想的網絡攝像機解決方案，可廣泛應用于視頻監控系統。
