基于ADSP-BF532的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)構(gòu)建高可靠性的多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)提出了一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)方案，介紹了基于ADSP-BF532多媒體處理器的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的軟、硬件設(shè)計(jì)，并結(jié)合該芯片的硬件指令特點(diǎn)進(jìn)行程序優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明方案可行，滿足監(jiān)控系統(tǒng)的需求。 關(guān)鍵詞：嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器 ADSP-BF532 視頻壓縮 MPEG-4 視頻傳輸 目前，視音頻技術(shù)在各項(xiàng)工作和生活領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，還為人們提出了高效的傳輸平臺(tái)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(shí)、形象、真實(shí)地反映被監(jiān)控對(duì)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(luò)視頻技術(shù)的一個(gè)主要熱點(diǎn)就是嵌入數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在基本嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究中，國外起步較早，并處于領(lǐng)先水平，已經(jīng)有成熟的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)產(chǎn)品，采用MPEG或者小波壓縮方法，其性能普遍比較好，但價(jià)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(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)，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(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)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(yīng)用的廣泛性、靈活性以及標(biāo)準(zhǔn)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(shí)時(shí)多媒體數(shù)字信號(hào)處理的要求。本文研究的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。圖11 嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的原理 嵌入式視頻服務(wù)器是一種提供網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸和共享的嵌入式設(shè)備。它采用嵌入式一體化結(jié)構(gòu)，以面向?qū)崟r(shí)處理的軟件平臺(tái)，集成了多通道視頻、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷喾N功能，將視頻和音頻信號(hào)進(jìn)行采集、壓縮、復(fù)合后轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)IP包，采用合適的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)了視頻和音頻壓縮數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸，使得用戶無論身在何處都能通過網(wǎng)絡(luò)獲得指定現(xiàn)場的實(shí)時(shí)圖像和聲音信息。此外，通過視頻服務(wù)器內(nèi)置的一個(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻服務(wù)器的遠(yuǎn)程配置和其他附屬設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與狀態(tài)獲取。 由于把視頻壓縮和網(wǎng)絡(luò)功能集中到一個(gè)體積很小的設(shè)備內(nèi)，可以直接連入局域網(wǎng)，達(dá)到即插即看，省掉多種復(fù)雜的電纜，安裝方便（僅需要設(shè)置一個(gè)IP地址）。用戶也無需安裝任何硬件設(shè)備，僅用瀏覽器即可觀看，也可以在上端主機(jī)編制控制程序，通過人機(jī)界面進(jìn)行瀏覽。 2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 基于ADSP-BF532的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)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(chǔ)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(shè)計(jì)如下：系統(tǒng)前端視頻采集由ADV7183實(shí)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(chǔ)在SDRAM里，ADV7183在自己的時(shí)鐘控制下通過PPI接口自動(dòng)向SDRAM單元送數(shù)據(jù)，當(dāng)采集完一場數(shù)據(jù)時(shí)DMA產(chǎn)生中斷，在DMA的中斷服務(wù)程序里根據(jù)實(shí)際設(shè)定情況完成視頻處理；音頻采集由AD1836以及外圍相應(yīng)的電路來實(shí)現(xiàn)，音頻采集格式為單聲道，8000Samples/s，每個(gè)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(chǔ)在SDRAM里，當(dāng)設(shè)定存放音頻采集數(shù)據(jù)的緩存器滿時(shí)DMA產(chǎn)生中斷，在DMA的中斷服務(wù)程序里根據(jù)實(shí)際設(shè)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(jìn)行處理，通過MPC860的MII接口與物理網(wǎng)絡(luò)相連接，然后送到PC機(jī)上供實(shí)時(shí)監(jiān)看和監(jiān)聽；一方面實(shí)時(shí)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(jī)，并存入硬盤。系統(tǒng)配置JTAG接口，運(yùn)用于調(diào)試階段。本文主要研究嵌入式視頻服務(wù)器中的視頻數(shù)據(jù)的處理，對(duì)于音頻數(shù)據(jù)不予介紹。 3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，主要分為視頻外設(shè)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(shè)軟件設(shè)計(jì) 視頻輸入設(shè)備ADV7183：ADSP-BF532通過I2C總線配置ADV7183采集圖像的亮度、對(duì)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(shí)采用二維DMA方法，每采集一幀圖像進(jìn)行一次處理。二維DMA程序如下： 本程序采用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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%26;#215;360，2%26;#215;360+4，2%26;#215;360+8 …… 2%26;#215;360+356 …… …… …… …… …… 284%26;#215;360，284%26;#215;360+4，284%26;#215;360+8，……284%26;#215;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(luò)接口設(shè)備MPC860的編程：利用SPI接口，將ADSP-BF532作為傳輸數(shù)據(jù)的主設(shè)備，MPC800作為從設(shè)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(luò)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(wù)器的核心采用了MPEG-4 Simple Profile標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻壓縮編碼。只進(jìn)行幀內(nèi)編碼（I幀）和幀間預(yù)測編碼（P幀），而不進(jìn)行雙向預(yù)測編碼（B幀），適合矩形視頻對(duì)象（Video Object）編碼。 其中的核心算法有DCT和IDCT，它采用2D 8%26;#215;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(yùn)動(dòng)預(yù)測使用條塊SAD（當(dāng)前的圖像與預(yù)測圖像的絕對(duì)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(yùn)動(dòng)誤差。 3．3 視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 經(jīng)過視頻采集、壓縮后的視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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?yàn)門CP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?yīng)用層，可以利用TCP傳輸協(xié)議傳輸網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中的控制命令，信號(hào)服務(wù)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(luò)流量控制和數(shù)據(jù)包丟失、出錯(cuò)處理，在高級(jí)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(yīng)用程序必須靠設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，根據(jù)用戶的需求，通過網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)程終端接收視頻數(shù)據(jù)，包括MPEG-4的解碼過程、網(wǎng)絡(luò)傳輸控制和網(wǎng)絡(luò)命令編碼等。有兩種編寫方式，第一種需要專門寫一個(gè)服務(wù)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(wù)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(wù)器。本文采用第一種方式。 網(wǎng)絡(luò)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(luò)數(shù)據(jù)通信流程圖如圖3所示。本文為實(shí)現(xiàn)組播服務(wù)特別寫了一個(gè)類Cmulticast,它是專門為視頻傳輸而封裝的類，用于服務(wù)器和客戶機(jī)兩端。下面對(duì)此類的公共訪問函數(shù)進(jìn)行介紹。 class CMulticast :publicCobject { public: void Close(); //關(guān)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(shè)置了消息回調(diào)機(jī)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(gè)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(jí)優(yōu)化 Blackfin軟件開發(fā)平臺(tái)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(duì)系統(tǒng)軟件開發(fā)時(shí)，可以根據(jù)硬件的特點(diǎn)研究和開發(fā)調(diào)試過程中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)代碼的編譯和具體任務(wù)的處理進(jìn)行優(yōu)化。以及針對(duì)要縮短顯示模塊代碼執(zhí)行時(shí)間而進(jìn)行上端軟件的設(shè)計(jì)優(yōu)化。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在該實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對(duì)ADV7183采集的視頻序列（幀率為30fps,CIF格式）進(jìn)行測試，結(jié)果表明：（1）DSP可通過SPI接口實(shí)時(shí)傳輸視頻圖像編碼數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不丟失，不出錯(cuò)；（2）在對(duì)MPEG-4視頻壓縮編碼測試時(shí)重建圖像質(zhì)量保真度接近1；（3）在局域網(wǎng)上作模擬實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)時(shí)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?；贏DSP-BF532的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)方案是可行的，但是某些技術(shù)指標(biāo)仍然無法勝任實(shí)際的應(yīng)用場合，需要進(jìn)一步提高視頻壓縮的測試結(jié)果，增加大容量的硬盤存儲(chǔ)系統(tǒng)來存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)。