基于ADSP-BF532嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器研究

目前，視音頻技術(shù)在各項工作和生活領域中得到了廣泛應用，還為人們提出了高效的傳輸平臺以及接入和處理手段。多媒體監(jiān)控系統(tǒng)以其能夠?qū)崟r、形象、真實地反映被監(jiān)控對象的特性而逐漸成為現(xiàn)代化管理、檢測、控制的重要技術(shù)手段之一。而網(wǎng)絡視頻技術(shù)的一個主要熱點就是嵌入數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在基本嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究中，國外起步較早，并處于領先水平，已經(jīng)有成熟的嵌入式網(wǎng)絡視頻服務產(chǎn)品，采用MPEG或者小波壓縮方法，其性能普遍比較好，但價格昂貴。國內(nèi)在這方面的研究還處于剛剛起步的階段，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)及標準的改進，芯片成本的不斷下降，從事研究的單位也就越來越多。本系統(tǒng)利用美國ADI公司2004年4月最新推出的ADSP-BF532 DSPCPU芯片實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器，將其用于構(gòu)建高可靠性的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。ADSP-BF532摒除了基于傳統(tǒng)架構(gòu)的傳統(tǒng)DSP和RISC控制器不能滿足視頻應用的廣泛性、靈活性以及標準的多樣性的缺隱，利用ADI公司采用的全新的MSA架構(gòu)技術(shù)，充分滿足了實時多媒體數(shù)字信號處理的要求。本文研究的嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器的設計方案，與傳統(tǒng)的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)相比，具有何種小、成本低、穩(wěn)定性高和實時性好等特點，有很強的實際應用價值。

　
1 嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器的原理

嵌入式視頻服務器是一種提供網(wǎng)絡視頻傳輸和共享的嵌入式設備。它采用嵌入式一體化結(jié)構(gòu)，以面向?qū)崟r處理的軟件平臺，集成了多通道視頻、網(wǎng)絡傳輸?shù)榷喾N功能，將視頻和音頻信號進行采集、壓縮、復合后轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡IP包，采用合適的網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)了視頻和音頻壓縮數(shù)據(jù)流的實時網(wǎng)絡傳輸，使得用戶無論身在何處都能通過網(wǎng)絡獲得指定現(xiàn)場的實時圖像和聲音信息。此外，通過視頻服務器內(nèi)置的一個嵌入式網(wǎng)絡服務器，還能實現(xiàn)對視頻服務器的遠程配置和其他附屬設備的遠程控制與狀態(tài)獲取。

由于把視頻壓縮和網(wǎng)絡功能集中到一個體積很小的設備內(nèi)，可以直接連入局域網(wǎng)，達到即插即看，省掉多種復雜的電纜，安裝方便（僅需要設置一個IP地址）。用戶也無需安裝任何硬件設備，僅用瀏覽器即可觀看，也可以在上端主機編制控制程序，通過人機界面進行瀏覽。

2 系統(tǒng)的硬件設計

基于ADSP-BF532的嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器的主要硬件功能模塊為：視頻輸入模塊、核心的ADSP-BF532CPU、視頻輸出模塊、外部存儲塊、仿真調(diào)試接口（JTAG）模塊以及電源模塊。

圖1為該系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖，具體設計如下：系統(tǒng)前端視頻采集由ADV7183實現(xiàn)，視頻數(shù)據(jù)采集格式為YUV422Planar，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過ADSP-BF532的PPI接口直接存儲在SDRAM里，ADV7183在自己的時鐘控制下通過PPI接口自動向SDRAM單元送數(shù)據(jù)，當采集完一場數(shù)據(jù)時DMA產(chǎn)生中斷，在DMA的中斷服務程序里根據(jù)實際設定情況完成視頻處理；音頻采集由AD1836以及外圍相應的電路來實現(xiàn)，音頻采集格式為單聲道，8000Samples/s，每個采樣用16Bits量化，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過ADSP-BF532的PPI接口直接存儲在SDRAM里，當設定存放音頻采集數(shù)據(jù)的緩存器滿時DMA產(chǎn)生中斷，在DMA的中斷服務程序里根據(jù)實際設定情況處理音頻數(shù)據(jù)；ADSP-BF532一方面把采集來的視頻音頻數(shù)據(jù)經(jīng)SPI接口送入MPC860進行處理，通過MPC860的MII接口與物理網(wǎng)絡相連接，然后送到PC機上供實時監(jiān)看和監(jiān)聽；一方面實時處理采集的音視頻數(shù)據(jù)，壓縮編碼元成后的數(shù)據(jù)送到PC機，并存入硬盤。系統(tǒng)配置JTAG接口，運用于調(diào)試階段。本文主要研究嵌入式視頻服務器中的視頻數(shù)據(jù)的處理，對于音頻數(shù)據(jù)不予介紹。

3 系統(tǒng)的軟件設計與優(yōu)化

系統(tǒng)在Blackfin系列的軟件開發(fā)環(huán)境Visual DSP++ 3.1下實現(xiàn)，主要分為視頻外設編程、視頻編碼編程、視頻傳輸編程以及系統(tǒng)優(yōu)化部分。

3．1 系統(tǒng)外設軟件設計

視頻輸入設備ADV7183：ADSP-BF532通過I2C總線配置ADV7183采集圖像的亮度、對比度、色度和飽和度等。ADV7183的內(nèi)部控制寄存器訪問通過I2C總線接口完成。

視頻輸入PPI接口：半雙工形式，最大16位數(shù)據(jù)傳輸，輸入時采用二維DMA方法，每采集一幀圖像進行一次處理。二維DMA程序如下：

本程序采用標準的ITU-656接收模式，接收視頻數(shù)據(jù)字節(jié)流：

X_COUNT=360;Y_COUNT=288;
X_MODIFY=4;Y_MODIY=4;

按以上設置執(zhí)行二維DMA后，從首地址開始的內(nèi)存數(shù)據(jù)排列：

0，4，8，…… 356
360，360+4，360+8，…… 360+356
2×360，2×360+4，2×360+8 …… 2×360+356
…… …… …… …… ……
284×360，284×360+4，284×360+8，……284×360+356

視頻輸出UART接口：利用ADSP-BF532提供的UART口，加快調(diào)試過程。

串行SPI和網(wǎng)絡接口設備MPC860的編程：利用SPI接口，將ADSP-BF532作為傳輸數(shù)據(jù)的主設備，MPC800作為從設備，將數(shù)據(jù)傳送給MPC860處理，接收視頻數(shù)據(jù)并提供網(wǎng)絡接口。其中網(wǎng)口、SPI接口接收數(shù)據(jù)的流程如圖2所示。

　
3．2 視頻編碼

考慮到壓縮效率和碼率，視頻服務器的核心采用了MPEG-4 Simple Profile標準進行視頻壓縮編碼。只進行幀內(nèi)編碼（I幀）和幀間預測編碼（P幀），而不進行雙向預測編碼（B幀），適合矩形視頻對象（Video Object）編碼。

其中的核心算法有DCT和IDCT，它采用2D 8×8DCT，并且采用循環(huán)緩沖，充分利用了Blackfin DSP的優(yōu)勢，減少了循環(huán)體內(nèi)部的指令執(zhí)行數(shù)；MPEG-4采用兩種方法確定量化步長，一是采用TM5速率控制方式，二是采用MPEG-4中定義的速率控制模型，它們都是通過碼流速率大小以及圖像質(zhì)量的要求來改變量化系數(shù)。MPEG-4的直流系數(shù)量化采用非線性量化方式，交流系數(shù)既可以選擇H.263量化也可以使用MPEG量化，這里采用H.263模式。

運動預測使用條塊SAD（當前的圖像與預測圖像的絕對差值和）最小搜索出最匹配的宏塊，而且Blackfin DSP提供了一條視頻專用指令SAA，大大提高了速度；最后用邊界填充（PADDING）減少在宏塊邊界上的運動誤差。

3．3 視頻網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

經(jīng)過視頻采集、壓縮后的視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡進行傳輸，其傳輸層用TCP傳輸協(xié)議傳輸信息包很小的操作控制命令，用UDP傳輸協(xié)議傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)。因為TCP這種傳統(tǒng)的連接協(xié)議必須要求數(shù)據(jù)無誤地順序傳輸?shù)娇蛻舳说膽脤?，可以利用TCP傳輸協(xié)議傳輸網(wǎng)絡監(jiān)控中的控制命令，信號服務器和客戶端正確接收到操作命令。UDP傳輸協(xié)議沒有提供網(wǎng)絡流量控制和數(shù)據(jù)包丟失、出錯處理，在高級壓縮算法如MPEG-4采用了幀間壓縮的方法，數(shù)據(jù)包丟失可能影響到連續(xù)幾幀視頻圖像。所以，基于UDP傳輸協(xié)議的應用程序必須靠設計解決可靠性問題。

上端軟件提供友好的用戶界面，用Visual C++6.0實現(xiàn)，根據(jù)用戶的需求，通過網(wǎng)絡從遠程終端接收視頻數(shù)據(jù)，包括MPEG-4的解碼過程、網(wǎng)絡傳輸控制和網(wǎng)絡命令編碼等。有兩種編寫方式，第一種需要專門寫一個服務器/客戶端軟件來發(fā)送和接收視頻圖像數(shù)據(jù)；第二種可以采用服務器/瀏覽器模式，即將客戶端軟件做成控件，嵌入到網(wǎng)頁中，做成基于WEB的數(shù)字視頻服務器。本文采用第一種方式。

　
網(wǎng)絡通訊模塊采用組播技術(shù)，提高程序的效率。系統(tǒng)IP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信流程圖如圖3所示。本文為實現(xiàn)組播服務特別寫了一個類Cmulticast,它是專門為視頻傳輸而封裝的類，用于服務器和客戶機兩端。下面對此類的公共訪問函數(shù)進行介紹。

class CMulticast :publicCobject
{
public:
void Close(); //關閉創(chuàng)建的套接字
BOOL IsConnect();
Static Void Unintilize();//Winsock終止
Static Void Initilize(); //從指定組的指定端口讀取數(shù)據(jù)
Int Send(char* lpData,int size)//向目的地址發(fā)送消息
BOOL Create(Cstring lpstrADDR,unsigned short port,HWND HWND);//創(chuàng)建和綁發(fā)送或接收套接字并把該套接字加入組插組，并設置了消息回調(diào)機制
CMulticast()；
Virtual ～CMulticast()
Public:
HWND m_hWnd; //用于消息傳遞的窗口句柄
SOCKET m_hWnd; //用于消息傳遞的窗口句柄
SOCKET m_hSocket;//發(fā)送或接收用套接字
BOOL m_bConnected;//是否已經(jīng)加入到一個組
SOCKADDR_IN addr;//發(fā)送套接字地址SOCKADDR_IN srcaddr; //接收或發(fā)送的目址
}

3．3 系統(tǒng)級優(yōu)化

Blackfin軟件開發(fā)平臺的編譯系統(tǒng)支持ANSI C以及C++編譯，其系統(tǒng)還提供了大量的多媒體操作指令。在針對系統(tǒng)軟件開發(fā)時，可以根據(jù)硬件的特點研究和開發(fā)調(diào)試過程中的經(jīng)驗，對代碼的編譯和具體任務的處理進行優(yōu)化。以及針對要縮短顯示模塊代碼執(zhí)行時間而進行上端軟件的設計優(yōu)化。

4 實驗結(jié)果

在該實驗的基礎上，經(jīng)過對ADV7183采集的視頻序列（幀率為30fps,CIF格式）進行測試，結(jié)果表明：（1）DSP可通過SPI接口實時傳輸視頻圖像編碼數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不丟失，不出錯；（2）在對MPEG-4視頻壓縮編碼測試時重建圖像質(zhì)量保真度接近1；（3）在局域網(wǎng)上作模擬實驗，可以實時傳輸CIF尺寸視頻圖像，傳輸延遲控制在0.5s以內(nèi)；（4）UART接口能夠完成本地視頻輸出。基于ADSP-BF532的嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器的設計方案是可行的，但是某些技術(shù)指標仍然無法勝任實際的應用場合，需要進一步提高視頻壓縮的測試結(jié)果，增加大容量的硬盤存儲系統(tǒng)來存儲視頻數(shù)據(jù)。