摘 要：針對傳統的基于PC機的視頻監控系統的局限性，提出了基于DM642的新型嵌入式遠程視頻監控系統的設計方案與實現方法，介紹了整個系統的總體結構，并詳細闡述了現場端嵌入式系統的硬件設計和監控中心軟件的實現。與傳統的視頻監控系統相比較 , 該方案具有成本低、體積小、穩定性好、可靠度高等優點。 關鍵字：視頻監控 TMS320DM642 DirectShow以太網 [b][align=center]Design of The Video Monitor-Control System Based on DM642 Lu Gen_feng,Luan Chun_xu,Wang Miao,Xiong Lie_bin[/align][/b] Abstract: Due to the limitation of the traditional video system based on PC, we gave the design and implementation of the new video monitor-control embedded system based on DM642 hardware platform,introduced the general framework of the system,explained detail design of local embedded hardware system and monitor center software based on MS DirectShow. The scheme features low cost, small volume and high stabilization by comparing with the traditional video system. Keywords: Video monitor DirectShow TMS320DM642 Ethernet 一 引言 　　隨著計算機網絡、通訊技術、嵌入式處理器的發展，基于嵌入式的遠程視頻監控系統應運而生。目前市場主流仍然是基于PC的視頻監控系統終端，它雖然便于現場操作，但穩定性不好，視頻前端較復雜，可靠性不高，而基于嵌入式的網絡視頻監控系統終端就能彌補以上的弊端，嵌入式視頻編碼器具備視頻編碼處理、網絡通信強大功能，直接支持網絡視頻傳輸，視頻壓縮等功能集中到一個體積很小的設備內，直接連入局域網或廣域網，系統的體積小、成本低、穩定性高、實時性好[1]，非常適合于各種監控場所，具備廣闊的發展前景和市場空間。 　　本文提出了基于以太網的嵌入視頻監控系統的設計與實現。他主要包括前端嵌入式視頻終端和遠程監控中心。選用TI公司的DSP構建一個嵌入式視頻采集壓縮與傳輸體系，該嵌入式視頻處理平臺具備著視頻采集、編碼處理、網絡通信強大功能，支持網絡視頻傳輸和網絡管理，還具有視頻保存回放功能。視頻監控遠程終端軟件的開發采用微軟的DirectShow技術來完成，在遠程監視系統中，視頻的數據量非常龐大，以視頻圖像大小 352×288大小為例，如果每秒傳輸30幀真彩色視頻圖像 就需要約的55Mbps帶寬，而這在網絡上幾乎不可能實現，所以本設計還在系統上實現了視頻數據的H264的壓縮與解壓，這大大緩解了網絡傳輸壓力。 二 系統總體設計方案 　　2.1系統整體框架 　　本系統主要由前端嵌入式監控模塊和遠程PC機監控中心組成。前端系統主要將現場采集的視頻數據經過相關壓縮處理變成數字信號，然后通過以太網傳輸至遠程視頻監控系統終端，遠程中心解碼播放接收到的視頻流，遠程監控端還可以通過界面控制云臺的轉動、調整攝像頭的參數，以改變監控區域。其系統框圖如圖1 [align=center] 圖1 視頻監控系統整體框圖[/align] 　　2.2前端網絡監控模塊硬件設計 　　前端嵌入式網絡監控模塊主要采用TI推出的專門針對于視頻應用的TMS320DM642芯片。DM642內含6個算術邏輯單元,在每個時鐘周期內都可執行2個16位或4個8位的加減、比較、移動等運算。在600MHz的時鐘頻率下, DM642 每秒可以進行24 億次16 位的乘累加或48 億次8 位的乘累加[4]。使得DM642在多視頻處理和圖像處理方面有著強大的優勢。DM642還在C64x 的基礎上增加了很多外圍設備和接口。 　　系統的硬件框圖如圖2 ，該最小系統是由DM642、SDRAM（4M64b）和FLASH（4M＊8b）等組成。前端接入三路CCD攝像頭，視頻解碼芯片采用TI公司的TVP5150，DM642的視頻端（VP）通過視頻解碼芯片TVP5150能方便地實現和CCD攝像機的無縫連接，CCD攝像機輸出的模擬視頻信號經TVP5150模數轉換后，形成BT.656格式的數字視頻信號，從DM642的VP口輸入;DM642通過EDMA方式從VP口將采集到的YUV格式的數字信號搬運至系統存儲單元中，再對視頻數據用H264壓縮算法進行壓縮處理編碼壓縮，生成的視頻碼流數據經EMAC的MII接口到片外PHY（LXT971）芯片后，通過以太網傳到遠程監控中心主機，通過PC機的監控軟件接收播放視頻數據，完成網絡視頻監控的功能。 [align=center] 圖2 系統硬件框圖[/align] 　　2.3前端網絡監控模塊軟件設計 　　DSP軟件程序采用RF-5框架來整合H264的編碼庫H264lib。在進入DSP/BIOS的調度程序之前，程序需要初始化多個要使用的模塊。包括：（1）DM642和系統板的初始化;（2）RF-5模塊初始化;（3）建立捕獲通道。在完成初始化工作之后，系統進入DSP/BIOS調度程序管理下的4個線程和1個通道。其中taskVideoCap， taskH264Encode和taskNetwork的優先級為高, taskControl的優先級最底。taskVideoCap， taskH264Encode，taskNetwork和taskControl線程是系統的核心線程，不斷地完成從底層視頻驅動獲取視頻信號，將視頻信號進行H264編碼，再通過網絡傳給遠程用戶進行顯示。taskVideoCap，taskH264Encode和taskNetwork線程之間通過同步通信模塊（SCOM）進行同步和通信，taskControl線程和taskH264Encode線程之間通過郵箱（MBX）進行通信。系統軟件總體流程圖如圖3 [align=center] 圖3 嵌入式系統軟件總體流程圖[/align] 三 遠程監控中心軟件實現 　　3.1DirectShow技術 　　整個系統以Microsoft公司的DirectShow技術為基礎， DirectShow屬于DirectX家族的一員，他為在Windows平臺處理各種格式的媒體文件的回放，音視頻采集等高性能要求的多媒體應用，提供了完整的解決方案[2]。在DirectShow系統之上，應用程序要按照一定的意圖建立起相應的Filter Graph，然后通過Filter Graph Manager來控制整個的數據處理過程，DirectShow的體系結構如圖所示。DirectShow能在Filter Graph運行的時候接收到各種事件，并通過消息的方式發送到應用程序。這樣，就實現了應用程序與DirectShow之間的交互。 [align=center] 圖4 DirectShow的體系結構如圖[/align] 　　Directshow是基于模塊化，每個特定的功能模塊都采取COM組件方式，稱為Filter。Directshow提供了一系列的標準的模塊可用于應用開發，開發者也可以開發自己的功能filter來擴展Directshow的應用。每個filter都在FilterGraph的模型的管理下參與數據的處理，各個filter在FilterGraph中按特定的順序鏈接來完成用戶制定的功能。filter 一般分為下面幾種類型（1）源過濾器（sourcefilter）：源過濾器引入數據到過濾器圖表中，數據來源可以是文件、網絡、照相機等。（2）變換過濾器（transform filter）：變換過濾器的工作是獲取輸入流，處理數據，并生成輸出流。變換過濾器對數據的處理包括編解碼、格式轉換、壓縮解壓縮等。（3）提交過濾器（renderer filter）：提交過濾器在過濾器圖表里處于最后一級，它們接收數據并把數據提交給外設[2]。 　　3.2采用Directshow實現對網絡視頻流的實時播放 　　本系統軟件分別對各個功能Filter進行了開發，并將他們連接成一個完整的鏈路，如圖5 [align=center] 圖5 網絡播放FilterGraph[/align] 　　其中NetRecv Filter為網絡接收源過濾器Filter（sourcefilter），它由CBaseFilter繼承而來，CBaseFilter已經具備了Filter的基本特征和框架，采用推模式將網絡接收來的數據推向下一級filter，程序將socket相關操作都放在應用層，如socket創建、偵聽、連接等，到時候只要將連接好的socket句柄通過filter接口設置給NetRecv Filter，在接受filter內部實現時，只需使用外部設置進來的socket進行數據的接受工作。 　　由于從遠程嵌入式終端傳輸過來的視頻數據為H264壓縮碼流，所以要對其實現實時播放還需要一個transform filter 即H264解碼filter （H264 Decode Filter），它由CTransformFilter繼承而來，它主要是由T264代碼為核心的解碼filter，T264是中國的視頻編碼自由組織合力開發的264編解碼程序，他將完成從NetRecv Filter上接受H264碼流，再對其進行解碼變成YUV視頻格式，通過輸出PIN送至render filter進行播放。 　　整個實現過程如下 　?。?）首先構建視頻播放FilterGraph對象m_VideoGraph; 　?。?）創建NetRecv Filter、H264 Decode Filter和Renderer Filter，并將這三個filter加入到m_VideoGraph中; 　?。?）將負責視頻數據接收的socket設置給NetRecv Filter進行網絡視頻流數據的接收工作; 　?。?）根據第一次接受的數據格式重新設定視頻的各個參數，例如： 　　mPreferredMt.SetSubtype（&MEDIASUBTYPE_YUY2）;//設定媒體類型為YUV4：2：0格式; 　　info.AvgTimePerFrame = 400000; //幀速率為25幀/S; 　　info.bmiHeader.biWidth =n_Width;//設定圖像的寬度; 　　info.bmiHeader.biHeight = n_Height;//設定圖像的高度; 　　info.bmiHeader.biSizeImage=n_Width＊ _Height ＊2; //圖像的大小; 　　info.bmiHeader.biCompression= mmioFOURCC（‘Y‘,‘U‘,‘Y‘,‘2‘）; 　?。?）設定完視頻格式后，通知應用完成全部filter的連接工作，然后調用mVideoGraph->Run（）運行。 　?。?）當網絡接受到超過一定的數據量時，通知事件窗體要進行視頻的播放。 　　3.3 網絡視頻傳輸策略 　　網絡部分采用WinSock進行編程，socket 提供兩種不同的傳輸方式，TCP是面向連接的協議, 通過握手協議, 能夠提供可靠的數據傳輸, 但是速度慢, 系統負載大。UDP不提供連接, 依靠網絡自身來保證傳輸的可靠, 不能保證圖像不丟失, 但是簡單快速[3]。視頻圖像傳輸有自身的特點：關鍵的壓縮圖像信息（H264的壓縮信息）等一旦丟失將造成系統的癱瘓，其他的控制信息的部分丟失不會對系統產生太大的影響。本系統針對視頻圖像傳輸的特點采用如下的傳輸機制：視頻圖像傳輸方面采用TCP的連接方式，保證核心的信息實現無差錯連接，而控制中心和遠程終端的交互信息則采用UDP 的方式。 　　系統采用流式的數據接受方案，TCP和UDP傳輸包都有自己的結構，傳輸視頻數據的TCP數據包格式如下 　　當監控中心接受到一個TCP包時首先判斷它的數據類型，數據類型我們這里把它定義了兩種，一種是格式數據，還有就是視頻數據。格式數據主要包含了前端系統的配置情況如像素設置，圖像大小，壓縮類型等，中心根據這個數據來配置自身的程序運行狀態和運行參數的設置。負載數據就是數據包的實體部分，包含著具體的格式數據或者具體的媒體數據，這些數據將會被做相應的處理。最后采用CRC-16進行校驗。 　　UDP數據包的格式如下 　　UDP主要用來傳輸控制命令，程序首先接收命令類型例如：遠程終端要求連接、遠程端的系統配置信息、云臺控制信息等，數據參數主要是以上這些控制命令的具體控制要求如：控制云臺旋轉的具體的角度等，這樣就能夠做到現場端和遠程端的信息命令的實時交互。 測試結果 　　在局域網環境內，采用一路點對點的傳播方式對監控系統進行測試，設定圖像的的大小為352＊288，測試結果表明，該系統對平過度視頻圖像的壓縮率為100倍左右，網絡延時約為3s，占用的網絡傳輸帶寬小于2M，根據實際效果來看，該系統具有較為流暢的傳輸性能，實時傳輸時系統延遲小，能夠較好完成視頻監控的目的，能夠滿足目前大多數視頻監控的需要。 結論 　　本文主要給出了基于DM642的嵌入式視頻監控前端和基于DirectShow的遠程監控中心軟件的完整實現方案。經測試表明，該系統具有性能穩定，占用帶寬小，易擴展和升級，可用于環境較惡劣的監控場所，有著廣闊的應用前景。 參考文獻 　　【1】陳文詳，孟利民.新型嵌入式視頻監控系統的設計[J].電子元器件應用，2008第10卷2期. 　　【2】陸其明編著. DirectShow開發指南[M.]北京：清華大學出版社，2003. 　　【3】宋坤,劉銳寧，馬文強編著.Visual C++視頻技術方案寶典[M].北京：人民郵電出版社，2008. 　　【4】郝宏偉，王淑敏，李淵.基于DM642的嵌入式視頻監控系統的設計與優化[J].微計算機應用，2008第39卷3期.