一种基于DM6446的成本低低带宽移动视频监控系统的设计

一种基于DM6446的成本低低带宽移动视频监控系统的设计摘要面对带宽限制，高实时性和高计算速度的挑战，我们提出一种新颖的通过软硬件协同设计方法和德州仪器的达芬奇技术的移动数字视频监控系统（MDVS）的设计。GPRS被采用于无需基础设施的安装的通信网络。硬件基于双核的DM6446芯片，软件设计基于H.264贷款解决方案和很好的实时挑战。通过与其他外围设备相关联，这种设计实现了各种MDVS功能，如运动检测，PTZ控制等。它的低成本，低带宽，高灵活性，易于安装，操作方便的优点是它可以在各种不同的场合中使用。关键字：MDVS,H.264,DM6446,DaVinci,GPRSI.序言随着这些年计算机硬件和软件技术的进展，视频监控系统目前正处于一个转型期：越来越多的模拟解决方案被数字解决方案所代替。数字视频监控（DVS）技术提供尽量减少传输带宽和存储要求，提高信息安全性的音频/视频数据压缩[1]。此外，数字视频监控技术为各种基于视频的增值服务敞开了大门，比如运动检测，目标识别，追踪，现场了解。通常一个视频监控系统由三个模块组成：视频捕获模块，网络传输模块和后台程序查看。视频捕获单元通常是一个数码相机集或一些由可以进行数模转换的视频解码设备支持的模拟摄像机。这个模块捕获视频，压缩原始数据并将它转换为一种流行的编码格式标准（MPEG,MotionJPEG,H261,H263）。网络传送模块通过基于IP的网络传送视频编码流。这个网络可以是局域网，甚至是英特网。后台模块可以显示和记录每一个视频通道。它也可以通过送出控制指令来控制摄像机的动作。现在，大部分的DVS系统的前段视频采集单元和后台查看单元都是基于PC和有线网络。这种系统不能被应用于所有地方因为灵活性低，高功耗，和观察者必须在一个固定的监控室监控屏幕。然而，基于无线网络和嵌入式设备的移动数字视频监控系统（MDVS）天生就可以克服这些问题。他们不需要昂贵和花费时间的安装，所以他们可以很快的被部署通过很小的环境影响[2]。对前端和后端设备的移动性的要求越来越多，观察者可以随时随地通过手持设备远程监控视频画面。它可以被装备在移动场所中，如汽车和银行等。然而，移动数字视频监控也面临着一系列的挑战，如无线网络的有限带宽，处理延迟和视频质量。如果对这些挑战没有一种有效的解决方法，MDVS的广泛采用不会成为一种现实。在这篇文章中，我们提出了一种新颖的MDVS设计方案。本文的其余部分组织如下：第二部分给出了系统概述。第三部分提出了硬件体系结构。第三部分介绍了软件体系结构。第五部分说明了实验结果。最后，第六部分得出了结论。II.系统概述A.选择的关键技术1)无线网首先，我们必须从两类网络中为MDVS选择一种移动网络：无线局域网和移动电话通信网，入GSM,GPRS,3G。现今，前者具有较宽的带宽（如802.11b标准的11Mbit/s带宽）。但是网络范围限制在100米之内，或者它需要被连接到有线核心网。后者已经覆盖了城市和乡村地区。无需昂贵的基础设施安装，MDVS可以在任何地方运行。GPRS在中国是最佳的选择，因为它的运营商中国移动是拥有最大的网络规模和消费群的ISP,并且在未来几年它会被升级为3G网络。2)压缩标准虽然GPRS的理论带宽可达115Kbps，它可以提供的稳定有效带宽仅为40Kbps。在如此低带宽的限制下，对实现实时的MDVS来说压缩算法是至关重要的因素。如今大部分现有的DVS系统是基于H.261或者H.263。相较于H.263的解决方案，H.264的比特收益率提高了50%[3]。因此H.264的采用是未来DVS发展的必然趋势。3)平台的选择为了在嵌入式设备上实现复杂的H.264算法，必须使用强大的计算平台。我们的方案使用最新的采用达芬奇技术[4]的具有出色的计算能力的德州仪器TMS320DM6446(DM6446)处理器作为硬件平台。基于Linux视频驱动的达芬奇技术提供对视频功能完整的访问和控制，无需开发人员成为数字视频或者数字信号处理的专家。B.系统架构基于现有的技术，该方案是由三个单元组成：前端嵌入式摄像头，GPRS网络，后端移动电话。该系统架构如图1所示。图1系统架构前端嵌入式摄像头是基于德州仪器的DM6446和达芬奇技术。它具有较高的完整性和各种各样强大的功能，如视频捕获，压缩，存储，传输，PTZ控制和运动检测等。随着移动通信的普及，人们通常都有移动电话或者PDA。高性能的智能移动电话无需新的投资就可以被采用作为后端设备。操作者可以用它来控制视频捕获，解码和显示视频信息。III.硬件设计A.硬件架构嵌入式摄像头的硬件设计是唯一需要的。图2是硬件框图，它包括以下模块：DM6446,视频捕获，音频处理，红外探测，GPRS，时钟管理，功率管理，DDR内存，闪存和ATA标准的驱动等。DM6446是最新的德州仪器双核处理器，包括一颗300Mhz的ARM处理器和一颗600Mhz的C64xxDSP处理器[5]。DM6446补充了德州仪器的达芬奇技术去满足嵌入式设备的网络媒体编码和解码处理。图2硬件框图如图3.a所示，Mircon公司的MT9T001[6]CMOS数字图像传感器作为视频捕获模块被连接到DM6446的视频处理前端（VPNE）。它可以提供许多功能如视频捕获，格式转换，自动对焦和自动白平衡等[7]。图3.b说明了TLV320AIC33作为音频编解码模块用于音频捕获和回放。图3.a)视频接口b)音频接口该设计采用西门子MC35[8]作为GPRS模块用于接收控制指令和传送视频。它通过UART接口和DM6446交换数据，如图4所示。此外，伺服电机在DM6446中由脉冲宽度模块（PWM）控制去实施PTZ控制。红外模块是德国博世DS853iT，连接到系统中去实现运动检测。图4GPRS框图B.硬件设计的基本问题一个良好的高速系统设计需要强大的动力源。它具有以下特点：在动态负载条件下的低开关噪声，在高速信号追踪和良好的信号完整性之间的最小的串扰符合最低传输线效应。以下几个方面聚焦于系统性能的改善：传输线效应，PCB布局，串扰和电源设计等。为了减少传输线效应，一个用在关键源处的串联电阻可以进行修改，以降低过冲和下冲。在PCB设计方面，有多地/电源层的10层PCB拓扑结构被使用。高速信号被屏蔽在地和电源层。为了实现低串扰，以下的方法被使用：高线距，较低的层厚，屏蔽敏感线。此外，一个精准稳定的电源设计被用于MDVS.IV.软件设计A.摄像头软件设计图5是MDVS摄像头的软件层次设计。软件开发补充了德州仪器达芬奇技术和MontaVistaLinux2.6.10去简化数字视频的实施。Linux的使用使得访问外设和视频信号源变得更加简便。除了标准的驱动程序（如ATA驱动，以太网等），我们设计了PMW驱动和红外探测驱动去分别响应PTZ控制和运动检测。图5软件架构在应用层，我们开发了许多应用程序如视频/音频处理，GPRS通讯，PTZ控制，报警控制。通过达芬奇技术的API,视频/音频处理模块配置基于硬件的视频引擎用于编码基于H.264标准的视频而不用复杂的编程。编码流通过GPRS网络被发送到手机终端，或者存储到ATA硬盘存储器上。以下列表是应用程序的伪代码：InitPeripherals()InitATA();InitH264encoder();InitNetwork();WaitForRequest();VerifyID();StartEncode()IFStorable=TURE,StoreVideo()SendStream(GPRS.IP)一旦GPRS模块收到用户发出的控制短消息，它就建立GPRS连接并开始传送视频。PTZ模块接受观看改变指令，并驱动伺服电机。报警模块可以检测场景中的运动并用短消息通知用户。B.手机终端软件设计现今，大部分的智能手机可以支持Java编程。移动应用程序能实现许多功能，如发送控制指令，为收到的编码数据编码，显示视频，回放音频等。绘制流程图如图6。图6手机软件流程图V.实验结果我们已经验证了基于设计原型的设计方案。DM6446是原型的核心，同时也包括其他外围设备，如TM9T001CMOS传感器，DS835iT红外传感器，MC35GPRS模块。首先，手机终端摩托罗拉A760发出包含它自身IP的短消息。这个过程大约需要9-11秒。接着，前端摄像头开始连接GPRS，这要花费5-6秒。然后，摄像头开始编码并发送数据。现在我们可以得到5fpsQCIF视频（176x144）和稳定的音频效果。部分的功能如身份认证，PTZ控制等已经被实施。VI.结论本MDVS方案提出通过GPRS网络实现MDVS得功能。该系统具有许多优点：低成本，低带宽，高灵活性，易于安装，操作方便。它可以被应用于以下情况：房屋守卫，汽车安全，远程管理，移动物体追踪，特殊场景记录，隐藏监视器等。到如今，该系统仍处于开发阶段。视频传输延迟和帧比率不是很理想。随着3G的来临，H.264编解码器的优化和手机终端计算性能的改善，MDVS的性能会有显著的提高。人们会获得全新的体验，系统应用也会有一个全新的未来。参考文献[1]ZhaoyuLiu,DichaoPeng,CommunicationProtectioninIP-basedVideoSurveillanceSystems,SeventhIEEEInternationalSymposiumonMultimedia,2005,pp.69-76[2]P.Mahonen,Wirelessvideosurveillance:systemconcepts,Proceedings10thInternationalConferenceonImageAnalysisandProcessing,1999,pp.1090-1095[3]UBVideoInc,H.264BasedVideoConferencingSolution,[4]TexasInstruments,TheDaVinci™Effect:DigitalVideoWithoutComplexity,[5]TexasInstruments,TMS320DM6446DigitalMediaSystem-on-Chip,[6]MicronTechnology,Inc.MT9T0013-megapixelDigitalImageSensorDatasheet,[7]TexasInstruments,TMS320DM644xDMSoCVideoProcessingFrontEnd(VPFE),[8]Siemens,Inc,MC35HardwareInterfaceDescription.