1 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡介 視頻監(jiān)控近年來得到了迅速的發(fā)展,應(yīng)用范圍不斷地?cái)U(kuò)展。以往國內(nèi)使用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是模擬系統(tǒng),到了20世紀(jì)90年代末,隨著網(wǎng)絡(luò)寬帶、計(jì)算機(jī)處理能力和存儲容量的迅速提高,以及各種實(shí)用視頻信息處理技術(shù)的出現(xiàn),視頻監(jiān)控從模擬視頻監(jiān)控進(jìn)入了數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代,即數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)將攝像機(jī)獲得的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號,便于計(jì)算機(jī)處理,或者由數(shù)字?jǐn)z像機(jī)直接輸出數(shù)字視頻信號。在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示或者在監(jiān)視器上顯示多路實(shí)時(shí)活動(dòng)圖像的同時(shí),還可以將各路信號分別存儲于計(jì)算機(jī)的硬盤內(nèi),或者在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)為中心,視頻處理技術(shù)為基礎(chǔ),利用圖像數(shù)據(jù) 壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)(JPEG、MPEG1或MPEG4),綜合利用圖像傳感器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制和人工智能等技術(shù)的一種新型監(jiān)控系統(tǒng)。 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)除了具有傳統(tǒng)閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的所有功能外,還具有遠(yuǎn)程視頻傳輸與回放、 自動(dòng)異常檢測與報(bào)警、結(jié)構(gòu)化的視頻數(shù)據(jù)存儲等功能。 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)輸入模擬視頻信號,數(shù)字化后進(jìn)行圖像壓縮,然后進(jìn)行存儲、傳輸及相關(guān)控制。他主要包括3個(gè)部分: 數(shù)字視頻錄像(Digital Video Recorder,DVR)將視頻圖像采集并保存在硬盤里面,這種設(shè)備稱為數(shù)字視頻錄像機(jī),或硬盤錄像機(jī)。 數(shù)字視頻服務(wù)器(Digital Video Recorder,DVS)將圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方的其他計(jì)算機(jī)終端。 數(shù)字視頻控制(Digital Video Control,DVC)數(shù)字視頻控制系統(tǒng)將控制指令送往受控設(shè)備,如控制云臺的上下左右、攝像機(jī)的聚焦、遠(yuǎn)近和變焦等。 與數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的主要技術(shù):視頻數(shù)據(jù)的壓縮、視頻的分析與理解、視頻流的傳 輸與質(zhì)量控制。 2 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的DVR技術(shù) 目前大多數(shù)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是通過圖像采集卡將模擬攝像機(jī)傳輸過來的模擬視頻圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻圖像的,因此數(shù)字視頻采集卡是數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。但是大多數(shù)的數(shù)字視頻采集卡都是基于PC機(jī)技術(shù)的,這樣就限制了視頻采集的局限性和移動(dòng)性。隨著DSP技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展,可以用性價(jià)比高的DSP芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PC機(jī),來控制整個(gè)DV R的工作和完成圖像探測功能。整套DVR系統(tǒng)的組成如圖1所示。 2.1 DVR系統(tǒng)控制 該系統(tǒng)中采用了TI公司推出的高性能數(shù)字信號處理器TMS320VC5402。其采用程序空間與數(shù)據(jù)空間完全獨(dú)立的哈佛總線結(jié)構(gòu),指令的執(zhí)行采用流水線結(jié)構(gòu),內(nèi)部有一到多個(gè)處理內(nèi)核,帶有片上硬件乘法器,其指令執(zhí)行速度最快為幾十納秒,處理能力為100 MIPS。這些為DSP在高速大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中提供了廣闊的應(yīng)用空間。片內(nèi)共有8條總線(4條程序存儲器總線、1條數(shù)據(jù)存儲器總線和3條地址總線)、片上存儲器和片上外圍電路等硬件,有高度專業(yè)化的指令系統(tǒng),具有功耗低、高度并行等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中在DSP的外部擴(kuò)展了64 k*16 b的程序存儲器和256 k*16 b的數(shù)據(jù)存儲器,DSP的運(yùn)行程序由4 Mb的FLAS H ROM來加載程序。整套DVR系統(tǒng)的工作過程由DSP來控制完成,其流程圖如圖2所示。 2.2 視頻采集技術(shù) 可編程視頻解碼芯片采用SAA7113;該芯片是可編程視頻處理芯片,采用CMOS工藝。通過簡單的I2C總線可以對其實(shí)現(xiàn)編程控制;內(nèi)部包含兩路模擬處理通道,能實(shí)現(xiàn)視頻源的選擇、抗混疊(去假頻)濾波、模/數(shù)變換、自動(dòng)增益控制、時(shí)鐘產(chǎn)生、多制式解碼及亮度、對比度和飽和度控制。他將不同制式的模擬信號統(tǒng)一成為相同的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn),采用ITUR B T601格式,采樣時(shí)對亮度信號和兩個(gè)色差信號分別編碼,對不同制式信號采用單一的取樣頻率,而且和任何模擬系統(tǒng)的彩色副載波頻率無關(guān),因此在分量系統(tǒng)中不再包含任何副載波。取樣頻率定為13.5 MHz,他也是對亮度信號Y的取樣頻率,由于色度信號的帶寬遠(yuǎn)比亮度信號的帶寬窄,因而對色度信號U和V的取樣率較Y減半,為6.75 MHz。每個(gè)數(shù)字有效行分別有720個(gè)亮度取樣點(diǎn)和360*2個(gè)色差信號取樣點(diǎn)。對每個(gè)分量的取樣點(diǎn)進(jìn)行均勻量化,對每個(gè)取樣進(jìn)行8 b的PCM編碼。 由于DSP沒有I2C總線接口,本系統(tǒng)采用CPLD輔助DSP模擬I2C總線的控制方式,在CPLD內(nèi)部I2C的控制功能用Verilog語言編寫,其主要代碼如下: 在本系統(tǒng)中通過在CPLD內(nèi)部設(shè)置I2C總線的地址和寄存器的方法來完成DSP用數(shù)據(jù)模擬I2 C總線的任務(wù),使用起來十分方便。 2.3 JPEG壓縮技術(shù) 在實(shí)際應(yīng)用中,采用ZORAN公司的單片JPEG壓縮/解壓縮芯片ZR36060,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。 ZR36060的特點(diǎn)如下: (1)單片結(jié)構(gòu),片上集成了JPEG壓縮/解壓縮所需全部模塊。 (2)運(yùn)動(dòng)JPEG壓縮/解壓縮功能,能夠處理高達(dá)25 幀/s的方象素及CCIR PAL或30 幀/s的方象素及CCIR NTSC實(shí)時(shí)視頻信號。 (3)多種模式數(shù)據(jù)率控制,可以很方便地改變壓縮比。 (4)視頻數(shù)據(jù)輸入端口支持多種視頻解碼器(A/D變換器),如Philips,Brooktree,Samsung等。 (5)視頻總線寬度可以是8 b或16 b。 (6)同步發(fā)生器可工作于主或從模式。 (7)控制端口支持標(biāo)準(zhǔn)微處理器操作。 (8)提供多種片上視頻處理:視頻混合(mix)、尺度變換(scale)、剪切(crop)及背景色輸出等。 (9)壓縮數(shù)據(jù)可以主方式從壓縮數(shù)據(jù)端口或以從方式從控制端口輸出,兩種方式都有握手功能以便進(jìn)行數(shù)據(jù)流控制。 ZR36060其數(shù)據(jù)端口有3個(gè): 控制端口用來完成對ZR36060的初始化,當(dāng)芯片工作于數(shù)據(jù)從方式時(shí),還用于輸出或輸入壓縮數(shù)據(jù)。視頻端口壓縮時(shí)輸入原始視頻數(shù)據(jù),解壓縮時(shí)輸出解壓后的視頻數(shù)據(jù),除數(shù)據(jù)線外還有行場同步、時(shí)鐘等必要信號線,同步可工作于主方式或從方式,可直接與視頻解碼器或幀存儲器接口完成實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)JPEG處理。 壓縮數(shù)據(jù)端口用于數(shù)據(jù)主方式時(shí)輸出或輸入壓縮數(shù)據(jù)。 壓縮數(shù)據(jù)流壓縮時(shí)數(shù)字Y,C信號由Y,C總線進(jìn)入ZR36060,經(jīng)視頻接口進(jìn)入條存儲器(St rip Memory)緩存,之后進(jìn)入JPEG處理機(jī)進(jìn)行壓縮,壓縮后的JPEG數(shù)據(jù)進(jìn)入一個(gè)長度為512的先入先出寄存器(FIFO)緩存,再經(jīng)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)主方式)或控制端口(數(shù)據(jù)從方式)輸出。 在數(shù)據(jù)主方式下,ZR36060輸出CCS信號指示數(shù)據(jù)有效,并輸出CWR信號作為數(shù)據(jù)選通,外部設(shè)備若來不及接收數(shù)據(jù)可向ZR36060的BUSY引腳發(fā)BUSY請求,ZR36060停止向外輸出數(shù)據(jù),暫時(shí)將數(shù)據(jù)壓入FIFO,若FIFO溢出,則JPEG處理機(jī)停止壓縮,視頻數(shù)據(jù)暫時(shí)壓入條存儲器。當(dāng)外設(shè)撤消BUSY請求后,ZR36060繼續(xù)壓縮、輸出數(shù)據(jù),如果外設(shè)速度太慢導(dǎo)致條存儲器也溢出,則ZR36060將給出錯(cuò)誤指示并在中斷允許的情況下發(fā)出中斷請求。在數(shù)據(jù)從方式下,由外設(shè)向ZR36060讀數(shù)據(jù),BUSY引腳改由ZR36060驅(qū)動(dòng)輸出,若ZR36060內(nèi)部FIFO無數(shù)據(jù)可讀,B U SY將變?yōu)橛行б酝ㄖ庠O(shè),此時(shí)外設(shè)應(yīng)等待BUSY變?yōu)闊o效。若外設(shè)讀數(shù)據(jù)速度太慢也將導(dǎo)致出錯(cuò),數(shù)據(jù)壓滿FIFO和條存儲器,其過程與主方式相同。由于采用FIFO和條存儲器,瞬時(shí)速度很高的JPEG數(shù)據(jù)得以緩存,外設(shè)可以平均速率訪問ZR36060,可降低對外設(shè)的要求。 2.4 硬盤接口技術(shù) IDE接口的硬盤驅(qū)動(dòng)器提供了2種數(shù)據(jù)傳輸模式:PIO模式和DMA模式。由于PIO模式控制相對容易,提供了一種編程控制輸入/輸出的快速傳輸方法。該模式采用高速的數(shù)據(jù)塊I/O,以扇區(qū)為單位,用中斷請求方式與CPU進(jìn)行批量數(shù)據(jù)交換。在扇區(qū)讀寫操作時(shí),一次按16 b長度通過內(nèi)部的高速PIO數(shù)據(jù)寄存器傳輸。通常情況下,數(shù)據(jù)傳輸以扇區(qū)為單位,每傳輸一扇區(qū)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)中斷。由于本系統(tǒng)圖像壓縮數(shù)據(jù)的最大速率只有20 kb/s,采用PIO寫盤速度可以達(dá)到192 kb/s,完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。 2.5 視頻編碼技術(shù) 視頻編碼器選用Philips公司的SAA7121,在DSP的控制下將JPEG解壓縮后的數(shù)字YUV視頻數(shù)據(jù)編碼為PAL模擬視頻信號輸出。SAA7121也是由I2C總線來控制,其控制方法同SAA7113。 3 本系統(tǒng)的實(shí)際工作性能 (1)輸入信號格式:標(biāo)準(zhǔn)視頻信號,PAL制或NTSC制。 (2)畫面大小:352*248(也可是352*288)。 (3)每秒錄制或播放25幀,每幀2場,共50場,隔行掃描。 (4)每場圖片壓縮后大小平均為10 kB,0.5 MB/s,1.8 GB/h,可根據(jù)需 要配接10"80 G的硬盤,實(shí)現(xiàn)5"40 h的連續(xù)錄像。 (5)對于用于監(jiān)控場合時(shí),可以每秒錄制25幀25場,回放時(shí)每秒25幀50場,這樣可以節(jié)約一倍的硬盤空間,把碼率降為0.25 MB/s,也就是2 MB/s。用80 G硬盤能錄80多個(gè)小時(shí)。 4 結(jié)語 本系統(tǒng)用MJPEG的壓縮方法雖然碼率比較大,但效果確實(shí)很好,實(shí)測時(shí)錄制了一段電視節(jié)目,觀看的主觀感受比基于MPEG 1的VCD要清晰,毫無色塊現(xiàn)象,和原信號基本沒有差別。另外本系統(tǒng)能夠脫離PC機(jī)獨(dú)立運(yùn)行,同時(shí)由于采用DSP控制整個(gè)系統(tǒng),其成本比使用ARM控制的監(jiān)控系統(tǒng)要低,有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,特別是應(yīng)用在車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)中有很大的發(fā)展空間。 |