基于嵌入式操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

與傳統(tǒng)模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

　　1）把監(jiān)控錄像保存在大容量硬盤上，數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)信息永不丟失，圖像質(zhì)量不下降。

　　2）數(shù)字視頻容易被計(jì)算機(jī)處理。可以在監(jiān)控圖像中設(shè)定報(bào)警區(qū)域，計(jì)算機(jī)對(duì)報(bào)警區(qū)域的圖像進(jìn)行分析和處理，做到自動(dòng)監(jiān)控，無人值守。

　　3）數(shù)字視頻經(jīng)過壓縮之后，占用帶寬較小，而且數(shù)字信號(hào)在傳輸時(shí)容易進(jìn)行加密，非法截取的信號(hào)無法還原為視頻圖像。

　　4）數(shù)字錄像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤上，可以用計(jì)算機(jī)來檢索和管理，擺脫了手工管理和檢索的復(fù)雜繁瑣。

　　基于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究，國外起步較早，成熟的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)產(chǎn)品有索尼營銷公司推出的10BASE2T的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)“SNC2VL10N”，以及松下KX2HCM130、三星SNC2100P、安特ANT2NWC10/50/100等。國外同類產(chǎn)品一般采用MPEG或者小波壓縮方法，性能較好，但價(jià)格昂貴，國內(nèi)用戶大都無法承受。我國這方面的研究剛剛起步，大多數(shù)廠商僅代理國外產(chǎn)品，從事實(shí)際研究的單位不多。

　　目前國內(nèi)市場上已經(jīng)投入使用的視頻采集設(shè)備多以視頻采集卡的形式存在。本文設(shè)計(jì)的方案采用TI公司的TVP5040作為前端視頻采集設(shè)備的主體芯片，可以作為獨(dú)立的單元存在，并且具有體積小、處理能力強(qiáng)且功耗低的特點(diǎn)；加之采用了功能強(qiáng)大的TI嵌入式處理器芯片TMS320DSC21,使系統(tǒng)可以快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集、壓縮和打包上傳，為數(shù)字化視頻監(jiān)控提供了解決方案。本文中簡單介紹了TMS320DSC21,詳細(xì)介紹了自行研制的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)采集與處理端的硬件結(jié)構(gòu)，以及運(yùn)用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)計(jì)方案。

　　1　TMS320DSC21微處理器

　　TMS320DSC21微處理器（簡稱DSC21）是一個(gè)高性能的單芯片微處理器，由以下幾部分組成：

　　1）1個(gè)DSP（TMS320C5409）子系統(tǒng)；

　　2）1個(gè)微控制器（ARM7TDMI）子系統(tǒng)；

　　3）2個(gè)DSP協(xié)處理器（iMX和VLC）；

　　4）SDRAM控制器；

　　5）圖像外圍單元①。

　　DSC21的高集成度使之特別適合應(yīng)用于視頻、音頻和圖像類產(chǎn)品。其5個(gè)子系統(tǒng)在單個(gè)芯片上組成了一個(gè)完整的系統(tǒng)。片上MCU運(yùn)行用戶操作系統(tǒng)處理復(fù)雜的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)控制功能和位操作；DSP和DSP協(xié)處理器完成大運(yùn)算量計(jì)算、數(shù)字信號(hào)處理以及算術(shù)計(jì)算；圖像外圍組件和SDRAM控制器提供極大的數(shù)據(jù)流量。因此，DSC21可以在單芯片上實(shí)現(xiàn)高性能、多處理器的圖像處理系統(tǒng)。

　　圖1示出DSC21模塊圖

DSC21模塊包括：

　　1）ARM子系統(tǒng)。由ARM7TDMIRISC內(nèi)核、內(nèi)部RAM和外設(shè)模塊組成。ARM子系統(tǒng)完成所有的控制功能，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如ucOS,Vx2Works,uITRON,Nucleus和Linux。ARM也控制各個(gè)外設(shè)模塊，如定時(shí)器、中斷控制器、CCD/CMOS控制器、OSD、NTSC/PAL視頻編碼器、USB、CF卡、SM卡、IrDA、預(yù)覽引擎、串口等。用戶接口軟件也在ARM上運(yùn)行。

　　2）DSP子系統(tǒng)。由DSP核、32KBRAM和專用內(nèi)存塊（ImageBuffer）組成。DSP核是一個(gè)基于0118μm技術(shù)的DSP處理器TMS320C5409DSP。

　　DSP子系統(tǒng)負(fù)責(zé)所有大運(yùn)算量信號(hào)處理任務(wù)，如圖像處理，JPEG壓縮；處理所有的實(shí)時(shí)I/O,如音頻和ModemI/O,MP3,AAC播放的實(shí)現(xiàn)；支持可編程實(shí)時(shí)自動(dòng)曝光、自動(dòng)聚焦、自動(dòng)白平衡（AE,AF,AWB），以及圖像/視頻拍攝和回放。

　　3）DSP協(xié)處理器。由iMX和VLC兩部分組成，負(fù)責(zé)協(xié)助DSP子系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理。iMX由4個(gè)并行的乘加單元（MAC）組成，適合矩陣運(yùn)算；而VLC針對(duì)JPEG,MPEG1的量化和Huffman編碼進(jìn)行優(yōu)化。DSP子系統(tǒng)可以通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)DSP協(xié)處理器的操作。

　　4）SDRAM控制器。是片外擴(kuò)展SDRAM與片內(nèi)所有功能模塊的接口。它為片外SDRAM提供與DSC21處理器和圖像單元連接的高帶寬接口，支持最高80MHz,32bitSDRAM。SDRAM控制器支持實(shí)時(shí)CCD數(shù)據(jù)流輸入和TV顯示數(shù)據(jù)輸出，其訪問性能達(dá)到320MB·s-1。

　　5）圖像外圍組件。DSC21有4個(gè)圖像單元：

　　CCD控制器、預(yù)覽引擎、連拍模式壓縮/解壓縮單元和硬件圖形單元。這些專用的圖像單元由ARM控制，用于向DSC21系統(tǒng)讀入數(shù)據(jù)并建立彩色顯示。

　　CCD控制器可以為CCD/CMOS圖像傳感器提供必要的同步時(shí)序邏輯，并支持逐行掃描和隔行掃描CCD/CMOS圖像傳感器。通過對(duì)CCD控制器內(nèi)部的寄存器進(jìn)行配置，可以使CCD控制器處于不同的工作狀態(tài)。CCD控制器能支持高達(dá)16Mpix（4K×4K）的CCD/CMOS圖像傳感器。

　　預(yù)覽引擎模塊將CCD控制器傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合NTSC/PAL編碼器的顯示格式，它可達(dá)到實(shí)時(shí)30幀·s-1的NTSC/PAL預(yù)覽。預(yù)覽引擎內(nèi)置增益控制、白平衡、垂直水平噪聲過濾、CFA插值、降采樣、伽馬校正和色空間轉(zhuǎn)換等功能。

　　連拍模式壓縮解壓縮模塊采用無損（或有損）算法，將從CCD控制器傳來的原始圖像數(shù)據(jù)壓縮并寫入SDRAM,解壓縮引擎在DSP的控制下可以對(duì)這些數(shù)據(jù)解壓。這些數(shù)據(jù)被處理、顯示，存回SDRAM。連拍模式可以支持10幀·s-1高分辨率照片的拍攝。

　　硬件圖形單元由3部分組成：OSD（OnScreenDisplay）、NTSC/PAL編碼器和DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）。

　　OSD支持3個(gè)硬件窗口，NTSC/PAL編碼器集成了復(fù)合視頻信號(hào)輸出通道和獨(dú)立R,G,B輸出通道①。