毕业设计 谢军

武汉职业技术学院毕业设计(论文)(2009届)论文题目:基于DSP视频监控系统的研究与实现所在学院电子信息工程学院专业班级电子信息工程技术学生姓名谢军学号09014911指导教师朱婷完成日期2011年12月2摘要视频监控系统是安全防范系统的组成部分，通过监控系统可以实时动态地汇报被监测点的情况，及时发现问题并进行处理，获得的完整备份资料还可用于事后进行分析调查。随着存储容量、网络带宽、处理器性能以及各种视频压缩处理技术的快速发展，视频监控系统的数字化、网络化趋势日益明显。目前的安防监控领域的数字监控系统通常分为两类：一类是基于PC机组合的计算机多媒体工作方式；另一类是嵌入式数字网络视频监控系统。PC机的多媒体监控主机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等的众多功能，使系统结构大为简化。由于采用计算机网络技术，数字多媒体远程网络监控不受距离限制；由于采用大容量磁盘阵列存盘器或光盘存储器，可以节省大量的磁带介质，同时有利于系统实现多媒体信息查询。但是，随着对于远程分布式监控需求的增长，同时某些特殊的监控场合如，交通、金融机构等领域要求监控系统具有灵活性、移动性、专用性、体积小等特点，此时，基于PC的监控系统受到操作系统，体积，和稳定性的影响已无法满足这些需要。嵌入式网络视频监控系统以其可靠性高，组网方便等优点越来越受到安防领域厂商和客户的重视。嵌入式视频监控系统的解决方案有多种选择，市场产品的主流一般选择两种方案:(1)CPU+ASIC,该方案选择以ARM为核的CPU和专用媒体处理芯片搭建。优点是开发时间相对较短，但由于采用ASIC，灵活性较差，产品一旦定型，很难更改。(2)采用面向媒体处理的DSP。其开发时间不长，优点是由于算法是软件代码，所以可以不断对产品性能进行升级，重复开发成本较低。基于DSP的视频监控系统比基于CPU+ASIC的灵活性高，易于升级；比基于PC机的视频压缩软件效率更高，适用范围更广。所以本文采用基于DSP的视频监控系统设计方案。本方案采用的DSP芯片TMS320DM642更是TI公司新一代高性能面向于视频系统的数字信号处理器。它具有4800MIPS的运算能力和丰富的外围接口(多通道视频口、以太网口等)，经过特别优化设计，提供了丰富的多媒体处理指令集。本文的视频监控系统针对TMS320DM642的硬件结构特点，设计了一套运行于3DM642之上的实时视频采集-压缩编码-传输的可行方案。采用1394总线输入高速图像数据，经过DSP处理后再压缩由以太网络传输。本文概述了该方案的硬件实现以及高速压缩视频编码的软件优化。4目录第1章绪论6第2章本视频监控系统的规划82.1视频监控系统构成82.1.1视频监控系统设计需求82.1.2系统的总体设计9第3章本视频监控系统硬件设计103.1TMS320DM642简介103.2视频输入模块103.3音频输入输出(CODEC)模块113.4CDMA无线传输串口模块123.5DE及USB通信模块123.6电源及其它模块13第4章本视频监控系统软件设计144.1·DSP端软件144.2·PC端软件154.3算法设计与DSP实现154.4自适应背景模型建立154.5差值图像建立及二值化164.6jpg16第5章本系统的实现及优化185.1DSP的实现185.1.1网络部分的实现185.1.2编程实例205.2硬件优化215.2.1使用库函数225.2.2改写线性汇编225.2.3存储器优化225.2.4使用EDMA235.3程序优化2355.3.1修改视频数据交换方式235.3.2运算集中的功能块运用快速算法245.3.3优化源代码245.3.4运用TI图象库24第6章工作总结及展望266.1总结266.2展望26参考文献286第1章绪论目前视频监控广泛应用于安防监控、工业监控和交通监控等领域。视频监控系统大致经历3个阶段：首先是基于模拟信号的电视监控系统，其功能单一、易受干扰且不易扩展;随后出现基于PC机的图像监控系统，其终端功能较强.但价格昂贵，稳定性差;近年来，随着嵌入式技术成熟，嵌入式视频采集处理系统具有可靠性高、速度快、成本低、体积小、功耗低、环境适应性强等优点。视频监控突然之间“成了对数字视频芯片提供商而言发展速度最快的市场”。克里斯·戴是加利福尼亚州圣克拉提供数据视频芯片的Mobilygen公司总裁兼CEO，他在圆满结束了访华之旅后不久说了上面这番话。如今，视频监控应用正在中国市场以惊人的速度蓬勃发展。据安全行业协会（SIA）在去年发布的《中国安全市场报告》声称，预计中国的安全与保护市场会从2005年的63亿美元猛增至2010年的180亿美元。这个市场包括消防安全监控以及安全监控和访问控制领域。在视频监控领域音视频编解码产品的开发上，主流数字DVR厂商基本都采用了在专用DSP芯片上运行自己压缩/解压算法的方式以迎合客户灵活多变的需求。从硬件的框架布局上看，无论采用任何芯片厂家的DSP，其基础结构大同小异。从德州仪器（TI）等老牌公司到Stretch和Mobilygen这些新兴公司，都希望牢牢抓住这个大好契机，他们正在竭力推销针对数字视频服务器（DVS）、数字视频录像机（DVR）及互联网协议（IP）视频摄像机的视频监控解决方案。许多公司直接把目光对准了新兴的中国市场。同时国内许多有实力的公司也在致力于开发更好更完善的监控系统。神州数码在07年推出了包括Trigger(基于DSP的嵌入式智能视频分析仪)，BehaviorWatch(基于PC的智能视频分析软件)，Cortex(中央管理软件)，以及iSense(内置摄像头的智能人流统计仪)在内的多种智能视频监控设备和系统，可以实现物7体移动、滞留、移走、路径、突然出现、方向检测、速度检测、人流统计、门禁防尾随等多种分析功能。由芬兰Futuvision集团与中国英夫美迪集团公司、四川电子科技大学联合实验室等核心人员联合组建的乐图（LOTOO）公司，也正在不断推出有竞争力的产品。基于嵌入式系统的上述诸多优点，这里提出一种基于DSP的视频监控系统解决方案。本文的视频监控系统针对TMS320DM642的硬件结构特点，设计了一套运行于DM642之上的实时视频采集-压缩编码-传输的可行方案。采用1394总线输入高速图像数据，经过DSP压缩处理后由以太网接口输出。本文概述了该方案的硬件实现以及高速压缩视频编码的软件优化。8第2章本视频监控系统的规划选用TMS320DM642作为系统CPU,并采用最新视频编码标准H.264压缩算法,实现基于CDMA网络传输的无线视频监控和视频数据存储系统。随着运营商在国内大部分地区推出GRPS和CDMA1x公共无线数据网络,通过公共无线数据网络传输视频已成为当今研究和应用的热点,它能彻底解决微波方式的短距离问题。由于公共无线数据网络的带宽比较窄且不稳定,采用编码效率不高的视频压缩算法(如H.263、MPEG4等),传输效果不理想,无法满足大多数监控场合的要求。H.264是JVT制定的最新视频压缩标准,比H.263和MPEG-4在同质量时码流可低50%,同时支持无线网络传输,但其运算复杂度也是H.263和MPEG-4的3-5倍,因此一般的CPU系统无法满足要求。TMS320DM642是TI最新推出的高性能数字媒体处理器,指令最高可达4800MIPS,可以满足实时H.264编码算法的要求。本文设计了基于TMS320DM642的嵌入式系统,采用H.264视频编码算法,成功的开发了基于CDMA传输的无线视频监控系统。2.1视频监控系统构成2.1.1视频监控系统设计需求本系统要求采用嵌入式视频发送终端,对采集视频图像进行实时压缩并通过CDMA网络发送,接收端采用PC机对接收视频数据进行解码并显示。对于嵌入式视频发送终端有如下需求:①一路PAL/NTSC标准模拟视频输入,一路模拟音频输入;②采用CDMA接入方式将视频数据通过网络发送;③采用CF卡或硬盘对视频进行本地存储;9④发送图像和保存图像的尺寸和帧率等参数可调;⑤可通过无线网络进行远程控制,并且要求低功耗。2.1.2系统的总体设计由于CDMA无线网络带宽窄、带宽波动大,因此系统中采用H.264作为视频压缩算法。同时本地存储与CDMA发送视频在图像尺寸和帧率上不同,需要采用两个编码结构分别进行编码。图1显示了本系统的总体结构框图,系统主要包括DM642CPU、视频输入、音频输入/输出、硬盘接口、串口和USB通信(USB2.0)等主要功能模块,此外还包括实时时钟(RTC)、显示和I/O接口(LCD&I/O)、SDRAM、FLASH和电源(POWER)模块。下面将详细地对各个功能模块进行一一分析和设计。图1视频发送终端系统框图10第3章本视频监控系统硬件设计3.1TMS320DM642简介TMS320DM642是TI推出的针对多媒体处理领域应用的高性能数字媒体处理器。该处理器是专门为视频与影像市场量身定制的,特别适用于VOIP视频、视频点播(VOD)、多信道数字视频摄录像应用以及高品质视频编码与解码解决方案。DM642处理器内部集成了TMS320C64X的DSP内核,在600MHz运行速度下,指令可达4800MIPS,由于其强大的运算能力,可以实现实时的H.264编解码算法。DM642内部集成了外部内存接口(EMIF)控制单元,通过20根地址线和64位数据总线可直接与外部的SDRAM、FLASH进行连接。本系统中由于采用100MHz的SDRAM,考虑到信号完整性,SDRAM直接与DM642连接,而FLASH通过总线加以驱动后加以连接。3.2视频输入模块DM642具有三个视频端口,支持多种分辨率和标准,如CCIR601、ITU-BT.656、BT.1120等,每个端口为20bit位宽,可以被灵活的配置为一个20/16bit或两个10/8bit通道。同时,每个端口都可配置为视频输入或视频输出。本系统中采用VP0与SAA7113H相连进行视频输入采集。SAA7113H为9bit视频解码器,其内部有由视频源选择、反混叠滤波器和ADC组成的两通道模拟预处理电路、增益控制、时钟发生电路(CGC)、多标准数字解码器、亮度饱和度控制电路等组成。11它支持PAL、NATSC等多种视频输入格式,输出支持标准的ITU.656YUV4∶2∶28bit格式,通过I2C总线进行控制,只需一个24.576MHz外部晶振,采用3.3V电源、具有小于0.5W的功耗。SAA7113H与DM642接口见图2。图2SAA7113H与DM642接口3.3音频输入输出(CODEC)模块DM642具有多通道音频串行端口(McASP)和两个多通道有缓存的串口(McBSPs),但它们是与视频端口复用的,本系统中采用VP1中的McBSPs1作为与音频Codec连接的接口。TLV320AIC23B是TI推出的一款高性能的立体声音频Codec芯片,内置耳机输出放大器,支持MIC和LINEIN两种输入方式(二选一),且对输入和输出都具有可编程增益调节。AIC23B的模数转换(ADCs)和数模转换(DACs)部件高度集成在芯片内部,采用了先进的Sigma-delta过采样技术,可以在8k到96k的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样,ADC和DAC的输出信噪比分别可以达到90dB和100dB。AIC23B还具有很低的能耗,回放模式下功率仅为23mW。AIC23B与DM642接口见图3。12图3AIC23B与DM642接口3.4CDMA无线传输串口模块本系统中采用Q2358C串行接口模块作为CDMA接入设备,它支持语音通信、支持中英文短信、双音多频功能(DTMF)等功能。波特率从300到115,200bit/s,支持上网最高速率153kb/s,采用AT指令集通过RS-232串口进行通信。DM642没有异步通用串行接口,需采用扩展异步通信芯片来实现串行通信。TL16C752B是UART收发器,最高波特率可以达到3Mb/s(使用48MHz时钟源时),其内部具有64byte发送/接收FIFO,接