摘要：為滿足現代實時網絡視頻應用的需求，提出并實現了一種基于TI公司多媒體DSP芯片TMS320DM642的實時網絡視頻系統(tǒng)，給出了網絡視頻節(jié)點的硬件及軟件的詳細設計方案。結果證明，該系統(tǒng)能對視頻圖像進行實時壓縮編碼，并在各網絡節(jié)點之間傳輸，且傳輸速率穩(wěn)定，圖像質量可調，能滿足現代各種實時監(jiān)控系統(tǒng)的要求。
關鍵詞：實時視頻；網絡節(jié)點；DM642；圖像壓縮；動態(tài)JPEG

    網絡視頻技術是隨著視頻圖像、語音等多媒體信息數字處理技術與數字通信技術的飛速發(fā)展應運而生的。網絡視頻系統(tǒng)將傳統(tǒng)攝像機和PC的功能整合到了一起，不僅將能模擬視頻信號數字化并壓縮，還帶有一個網絡接口，在網絡上擁有一個IP地址。視頻經由網絡交換機，通過IP網絡傳輸，并可在裝有視頻管理軟件的標準PC上顯示和存儲。網絡視頻系統(tǒng)可選擇高分辨率攝像機(數百萬像素)，具有穩(wěn)定的圖像質量和傳輸速率，現在已在各種嵌入式視頻會議系統(tǒng)，可視電話及各種分布式實時監(jiān)控系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。文中實現了一種基于TI公司推出的一款針對多媒體處理領域應用的DSP，TMS320DM642的網絡視頻系統(tǒng)的設計方案。

1 網絡視頻節(jié)點硬件設計
    系統(tǒng)視頻節(jié)點的硬件結構如圖1所示，由CCD攝像頭輸入的視頻信號首先通過視頻編碼器SAA7115H進行數字化處理，所得數字視頻信號經過視頻端口(VP0)的內部FIFO緩沖后，由DM642通過EDMA將數據傳送到片外SDRAM中，以便供視頻應用程序使用。視頻應用程序對圖像進行相應處理(如增強、編碼)之后由以太網控制器進行網絡傳輸任務。

    系統(tǒng)核心TMS320DM642是個強大的多媒體處理器，也是構成多媒體通信系統(tǒng)的良好平臺。為了滿足視頻和圖像處理的需要，它采用了Velo ciTI體系結構，主頻600 MHz，8個并行運算單元，處理能力達4 800 MIPS，L1PCache和L1DCache分別為16 kB，工作在CPU全速訪問狀態(tài)，二級緩存256 kB。DM642采用高級超長指令字結構和硬件流水機制，使其在一個指令周期能夠并行處理多條指令，從而加速了處理速度。這使得構建小型實時化的視頻實時處理系統(tǒng)成為可能。DM642外設中有3個可配置的視頻接口，可以和視頻輸入、輸出或傳輸流無縫連接；同時還帶有10／100 Mbs自適應以太網接口，提供DSP核與網絡之間的高效連接；豐富的外圍接口使其近乎是一個多媒體嵌入式系統(tǒng)的單芯片硬件平臺。DM642的完全可編程性，又可以使其能夠兼容正在發(fā)展的各種多媒體信號處理標準，構成通用的軟件平臺，因此得到越來越廣泛的應用。

2 網絡視頻節(jié)點軟件設計
2．1 整體流程
    TI公司的DSP開發(fā)軟件包括集成開發(fā)環(huán)境(CCS)、實時操作系統(tǒng)(DSP／BIOS)、第三方算法庫標準(eXpressDSP)。本系統(tǒng)中調用TI提供的JPEG算法庫。

    如圖2所示，整體流程可分為3個模塊：圖像的輸入任務、處理任務和網絡傳輸任務。輸入任務獲得獲取攝像頭捕獲的模擬視頻信號，并經過兩次采樣后，將得到的數字圖像幀數據通過同步通訊(Synchronized COMmunication，SCOM)由輸入任務進入到處理模塊。處理模塊完成圖像幀的壓縮編碼。編碼結束以后，會產生JPEG格式的圖像文件。該壓縮圖像由SCOM傳遞到最后一個模塊一網絡傳輸模塊。網絡任務生成一個該JPEG圖像的HTML文件，傳輸到終端計算機后，可在計算機的網頁瀏覽器上觀看到圖像。圖像幀在幾個任務模塊之間的傳遞都是通過指針實現的。[!--empirenews.page--]
2．2 圖像的獲取及視頻端口驅動
    本系統(tǒng)中，原始圖像幀是由攝像機獲取的，編碼后進入DM642的視頻端口(VP)。對于DM642的VP口，TI提供了一個兩層設備驅動模型：類／微驅動模型(Class／Mini Driver)，其中Class Driver(上層驅動)用于連接應用程序和下層驅動，Mini Driver(下層驅動)靠近底層硬件。在此基礎上，應用程序可以復用絕大部分相似設備的驅動程序，從而提高驅動程序的開發(fā)效率。根據VP口的特點，Class Driver又可分為FVIDCl ass Driver和GIO Class Driver，FVID Class Driver更接近應用程序，提供一些特別適用于圖像的API函數，而GIO ClassDriver則提供與Mini Driver進行通信的API函數。在視頻采集過程中，使用硬件中斷對視頻數據進行控制和傳輸，在中斷服務程序中，根據視頻端口內部FIFO的狀態(tài)通過EDMA完成視頻數據的讀入。
    系統(tǒng)用于編碼支持的視頻標準有PAL、NTSC和SECAM制式。PHILIPS的圖像解碼芯片SAA7115支持6路復合模擬視頻或3路S端子信號輸入，支持多種格式的數字RGB和YUV視頻信號輸出。輸入的模擬視頻信號經過SAA7115H采樣后轉化為YUV 4：2：2格式的數字視頻，分辨率為720x480(可根據需要進行設置，DM642通過I2C總線對SAA7115H進行參數設定)。這是第一次采樣過程。為了方便調用TI提供的JPEG算法庫，還要對圖像信號進行二次采樣，將其轉換為YUV 4：2：0格式。轉換完成以后，將指向所得圖像在內存區(qū)位置的指針通過SCOM消息傳遞給下一個任務，即編碼。
2．3 圖像的壓縮編碼
    原始圖像的數據量非常大，而網絡傳輸的帶寬有限，為了提高圖像的傳輸速率，有必要對原始圖像進行壓縮編碼處理。這一模塊就是要將YUV 4：2：0格式的圖像壓縮成JPEG格式的圖像。JPEG是一種被大量應用程序支持且非常流行的靜態(tài)圖像壓縮標準，用戶可以直接通過標準網頁瀏覽器解壓并查看JPEG格式的圖像。在NTSC模式下(每秒30幀圖像)，把每一秒中連續(xù)的圖像看作是獨立的30幀靜態(tài)圖，作為動態(tài)JPEG(MJPEG)來進行編碼。用戶可自定義JPEG壓縮的壓縮級別，這將決定圖像的壓縮程度，并會直接決定所產生圖像的質量。JPEG編碼流程如圖3所示。

    Data reformat：將原始掃描圖像分割成一系列8x8大小的圖像塊，同時這個步驟還將象素的灰度進行平移，動態(tài)范圍由(0～255)轉化為(-127～128)，以消除信號偏移量的影響。
    DCT：對上一步得到的每個8x8圖像塊進行2D離散余弦變換，并輸出其頻譜。由于DCT是一種可分離變化，因此可把它作為兩次8點1D離散余弦變換來實現。
    DC encode：對離散余弦變換后得到的直流分量(DC)系數進行量化和Huffman編碼(變長編碼)。
Quantization and RLE：對非零交流分量(AC)系數進行量化，并對其進行行程長度編碼。
    AC VLC：對上一步的輸出結果再進行變長編碼，并且構造圖像的熵編碼塊。
    Byte stuff：在JPEG標準中，一個或多個控制碼以后面的0xFF來標記。在字節(jié)0xFF后面加上0x00則表示該0xFF是數據的一部分而非控制字。Byte stuff給熵編碼塊里的所有OxFF的后面插入0x00。[!--empirenews.page--]
    編碼過程中包含了一系列的數據處理和傳輸操作。在對圖像進行JPEG編碼時，調用編碼控制函數jpgenc_ti()，這個函數包含了編碼所需要的全部功能函數，聲明如下：
   
    編碼過程結束以后，通過SCOM消息通過指針將JPEG文件傳遞到下一個模塊，即網絡傳輸。
2．4 網絡傳輸
    對于以太網口，TI提供了DSP上網絡應用程序開發(fā)平臺(NDK)，它的核心是一系列TCP／IP協(xié)議棧庫。在此平臺上，開發(fā)網絡應用程序時就不需要過多考慮TCP／IP協(xié)議內部的工作機制，使得開發(fā)過程大大簡化。
    網絡環(huán)境是通過網絡初始化來啟動的。初始化程序可參照TI提供的TMS320C6000TCP／IP網絡開發(fā)工具包。網絡任務一旦初始化成功以后，會創(chuàng)建發(fā)送(TX)任務，并開始等待由上一級模塊傳遞過來的SCOM消息。得到傳遞過來的JPEG圖像以后，任務執(zhí)行后產生一個基于RAM的IMAGEn．jpg文件，該文件可以被HTTP服務器所識別，n的值是由圖像捕獲的通道來確定的。完成這些工作以后，發(fā)送一個SCOM消息到上一級任務，表示已準備好接收下一幅JPEG圖像。下一步則進行協(xié)議棧的初始化，包括IP地址、子網掩碼和網關的設定。當網絡連接有效時，TX任務將JPEG文件發(fā)送到網絡節(jié)點。
    DM642支持Telnet、HTTP、Data server等服務。本設計中使用HTTP服務，并且在局域網內進行配置。如果要連接Internet，則必須設置DHCP，動態(tài)分配IP地址。在局域網內調試網絡配置時，設定本系統(tǒng)IP為192．168．1．2，其他設置如下：
    [!--empirenews.page--]

3 實驗應用
    用網線連接系統(tǒng)和PC，設置PC的IP地址為192．168．1．1。啟動Internet Explorer，在地址欄輸入192．168．1．2后，網頁里顯示從攝像頭里攝取的圖像，并以30幀／秒的速率更新，起到實時傳輸的效果，如圖4所示。

    可以在HTML網頁上對JPEG壓縮性能的控制。在網頁中輸入用戶自定義參數，通過DSP／BIOS中的郵箱機制傳遞給處理任務模塊來修改JPEG的壓縮參數，改變壓縮質量，如圖5所示。

    圖像質量與用戶設定的JPEG壓縮參數Q有關，Q越大圖像越清晰，如圖6所示。

4 結束語
    文中實現了一種基于DM642平臺的網絡視頻系統(tǒng)。可以預見，隨著數字信息處理技術和網絡技術的發(fā)展，網絡視頻系統(tǒng)將得到越來越廣泛得應用。未來的應用必然要求網絡視頻系統(tǒng)設計滿足以下幾個條件：遠程訪問能力，高度的靈活性和可擴展性，經濟實用以及分布式智能。文中提出的基于DSP的網紹視頻系統(tǒng)，在現有的帶寬條件下能夠流暢、清晰、穩(wěn)定地傳輸圖像，如果在DSP視頻應用程序中加入相應的功能，如監(jiān)控中的動態(tài)目標檢測等，就可實現智能監(jiān)控，具有廣泛的應用前景。