基于dsp的视频采集及网络传输模块的设计毕业设计(编辑修改稿)

基于dsp的视频采集及网络传输模块的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

EG2 不是 MPEGl的简单升级，MPEG2 在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。 MPEG2 特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为 SDTV 和 HDTV 的编码标准。 MPEG4 也是由 ISO/IEC 下的“动态图象专家组”制定的图像压缩编码标准，于 1999 年初正式成为国际标准。 它是一个适用于低传输速率应用的方案。 实际上， MPEG4 对 64Kbis/s 以下、 64Kbis/s 至 384Kbis/s 和 384Kbis/s 至4Mbis/s 三种比特率范围作了明确的最佳化处理。 低比特率是 MPEG4 的一个主要的目标，有关误码的校正，也给予了极大的关注，这将使 MPEG4 非常适合于易产生误码的环境中使用，例如个人手持式传输设备。 当然， MPEG4 标准也支持码率高达 ，甚至码率高达 量的类和级。 与 MPEG1 和 MPEG2 相比， MPEG4 更加注重多媒体系统的交互性和灵活性，它利用强大的工具开发出了全新的多媒体编码概念，使之适用于互操作性和更大范围内的应用，己成 为 目前 广泛使用的压缩系统 [3]。 我国视频监控技术 的发展概况 远程视频监控是指远端的监控系统通过通信系统对现场 系统进行监测与控制，其目的在于突破地域和环境上的限制，实现集中和高层监控，最终实现生产资源和社会资源的优化配置。 视频监控技术在中国的发展已有 10 年的历史 6 了。 经过数年的发展，大致经历了 以下 三个重要的阶段 [4]。 第一阶段， 传统模拟图像监视系统。 这是图像监控系统的早期实现方式，系统主要由摄像机、监视器、视频线缆、控制线缆等组成，采用模拟方式传输，因此传输距离较短，主要应用于小范围监控的场合。 传统模拟图像 监视系统的主要优点是图 像清晰、不丢帧、延迟小。 但其功能单一、易受干扰、 成本较高、 无法升级、系统的扩展能力差，无法形成有效的报警联动。 第二阶段， 基于 PC 机的多媒体监控系统。 基于 PC 机的多媒体监控系统的产生得益于数字视频压缩编码技术的日益成熟和微型计算机 PC 的普及化。 该种系统的一般结构为：在监控现场，有摄像头、检测和报警设备等，通过各自的传输线路连接到监控终端。 终端可以是一台 PC 机，也可以是专用工业机箱组成的多媒体监控终端。 这种监控系统功能较强，但稳定性和安全性不够好、施工布线工作量大，同时需要专业的软件，开 发周期长、难度大，不利于日后升级和维护。 第三阶段， 基于嵌入式 Web 服务器的远程视频监控系统。 嵌入式 Web 服务器的主要原理是，视频服器内嵌入一个 Web 服务器，摄像机送来的视频信号经数字化后进行压缩编码，通过内部总线传到 Web 服务器，网络上的用户可以通过专用软件观看摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统进行配置。 系统将视频压缩和 Web 功能集成到一个体积很小的设备内，成本低、速度快，大大提高了图像质量和监控效率，可以直接联入以太网，布控区域广，环境适应性强，性能稳定可靠，无需专人管理，而且系 统扩展能力强，可组成非常复杂的监控网络。 尽管 视频监控技术在中国的 发展迅速，但 随着社会化科技的进步和人们对产品功能的更高需求使得视频监控技术仍 有诸多瓶颈尚待“实质性”突破。 谈的最多的就是 网络带宽、图像质量、 传输 延时、软件系统的兼容性和 产品 价格等问题， 在 这些问题 中 有些已经得到改进，但 很多 都还没有取得实质性的突破。 很多国内厂商一味追求某一特性的优越而忽视或干脆放弃了其它方面的性能，如有些厂商在设计初期，为了能使传输延迟降到最低，在视频编码压缩上加大了压缩比率，尽管传输速度和延迟性能得到了很大提高，但监控图像的整体清晰度和图像质量大打折扣。 如何在网络延迟和图像质量之间寻求一个平衡点，成为国内该领域发展需要解决的一个重大课题。 7 网络摄像机产品概况 在网络摄像机产品的研发中，国外的起步较早， 市场上 较 为 成熟的嵌入式Web 网络摄像机的产品 也很多。 如索尼 公司 最近在 08 年 推出 的 SONY SNCCS50P。 它 配备 了 10/100BASET 的 LAN 端口，采用 1/3 英寸的 CCD 镜头，分辨率可达到 640 480，最高刷新帧率为 30fps。 图像压缩采用 MPEG4 和 编码 方式，可以变更任意区域的压缩率。 SNCCS50P 无须通 过个人电脑便可以直接接入网络。 可以利用通用的 Web 浏览器浏览影视画面。 除了索尼公司的 SNCCS50P 之外，还有松下 KXHCM280、三星 SNCL200P/SNCL200WP、安特 ANTNWC10/50/100、瑞典 AXIS 的 AXIS22xx 系列等。 这些产品一般均采用了 MPEG 编码压缩方式，以及支持多种网络传输协议，产品性能普遍 较好。 在国内， ADSL 宽带， GPON/EPOG 光纤宽带在中国很多城市顺利开通，架构起以 IP 为基础的数据平台，为网络监控提供了安全可靠的网络环境。 一些实力雄厚 并且掌握了核心技术的民族企业，在高端市场上牢牢地把持着自己的品牌地位，如华为、中兴等。 而与知名企业不同，部分本地品牌依托自己灵活的应变能力以及良好的性价比，也在市场上获得了不错发展，并占领了不少的市场份额。 如安讯士等，非常注重产品的社会功用，对 产品的环保要求很高，要求给顾客提供的是高品质，低耗能的产品。 另外 大批的国内厂商 根据自身实力及市场情况， 采取 了 OEM 的形式，其中亚安公司就是凭借 公司灵活的反映机制，极具竞争力的性价比，以及良好的售后服务赢得了市场，获得了很大的发展。 目前，中国国内网络摄像机和视频服务器 的生产厂商 非常多，除了一些已经走出国门的大厂商外，一些非主打视频监控的 电子制造厂商也进入了该领域的竞争，如爱国者，天视通电子，趋势电子，海康威视，天创恒达等均已打入市场，并取得了非常满意的成绩。 本课题主要研究内容 及工作 基于以上 的 分析，本文提出了 基于 TI 公司 DM642 的嵌入式网络摄像机系统设计方案。 该方案主要有三大优点：第一，系统只需一颗 DM642 芯片，加上简单的外围电路，即可完成图像数据采集、编码处理、网络传输等功能。 第二 ，网络摄像机需要嵌入式操作系统，而 TI 公司为其 DSP 产品设计了一套较 8 好的小型嵌入式 操作系统 DSP/BIOS，省去了不必要的操作系统移植 的 过程。 第三， DM642 具备强大的运算处理能力，能够完成包括 JPEG、 MPEGMPEG 、 等图像编码处理 ，日后仅需通过编程改变软件即可达到升级的目的，避免硬件资源的改动和重复设计。 本文 所 提出 的 网络摄像机 系统，是可以 脱离 PC 独立工作 的。 整个设计过程主要有 以下几个方面的工作： 第一，掌握 DSP 开发板的工作原理、硬件结构和 CCS 开发环境，参考开发板的设计搭建出本系统的总体架构。 第二，根据系统在速度等方面的要求，考虑到各个器件之间 的兼容性，对硬件进行合适的选择和搭配，构建出系统的硬件平台。 掌握各芯片的 结构和工作原理。 第三，对 设计好的系统 进行驱动程序的开发。 在 DSP 的集成开发环境CCS 下，使用 DSP/BIOS 组件等工具进行程序设计 ，完成设备的初始化，使视频模块、网络传输模块能够在程序的驱动下正确的工作。 第四， 详细分析了实时视频传输的评估标准，以及如何实现高质量传输的算法研究和应用 内容 ，包括码率分配和带宽估计。 同时，对基于 TCP/IP 实现视频流传输的算法也做了详尽的研究，即 根据远端请求， 在不同的传输任务中使用不同的传输方式以达到流媒 体高效传输的目的。 第五 ，设计 带有网络通信功能的应用程序， 实现 视频 数据在 客户端的呈现。 第六，提高并完善系统的性能，优化程序使软硬件更好的结合，使有限的DSP 芯片资源最大限度的发挥其作用。 本文结构 本文将对网络摄像机视频采集模块和网络传输模块的硬件系统和软件设计做详细的阐述。 论文共分为五章。 本文第 1 章是绪论部分，即引言。 本章对 DSP 技术的发展、嵌入式Inter 技术的发展、图像编码技术的发展以及视频监控技术的发展做了简要的概括和分析。 通过对相关领域研究进展及成果的讨论， 发现了当前网络摄像机产品在图像 质量和传输速率之间无法平衡的一个不足。 由此本章提出了将DSP 技术 与 TCP/IP 协议结合起来的一种新型 网络摄像机产品。 本文的第 2 章主要介绍了数字信号处理器的结构及原理，以及重点讲述了 9 本文将要采用的一款 DSP 芯片 — TMS320DM642。 DM642 具有完全的可编程性，能够兼容多种多媒体视频标准，非常适合网络摄像机系统的研发。 最后介绍了如今比较流行的一种视频评估标准及其原理。 本文的第 3 章主要分析了 TCP/IP 协议及其各层的核心协议。 重点讲述了实时视频传输的算法分析和方案实现。 最后提出 了 一种不使用第三方流媒体协议而同样达到流媒体传输的算法实现。 本文的第 4 章重点阐述了系统各硬件模块的设计。 本章对电路设计中关键部分进行了介绍和分析， 针对网络摄像机的带宽估计和码率分析做了理论上的深入分析。 本文的第 5 章是对系统软件部分设计的分析。 包含两个部分，首先是系统各功能模块驱动程序的开发以及相应模块间通信的控制；其次是带有网络通信功能的客户端软件的开发设计。 对主要的网络传输模块部分代码做了码率分析优化，使得数据包在网络中得到最大效率的传输。 第 3 章传输算法的实现、第 4 章和第 5 章是系统的主要部分 ，也是本文的工作重点。 论文最后对本 系统的设计进行了总结并提出了改进方向。 10 第 2章 DSP 原理 及视频评估算法 DSP 芯片特点及 应用 DSP 芯片的特点 为了实现高速的数字信号处理运算， DSP 芯片一般都采用特殊的软硬件结构，主要特点为以下几个方面。 第一， 改进的哈佛（ Harvard）结构。 哈佛结构是不用于传统的冯诺依曼结构的并行体系结构，其主要特点是 程序存储器和数据存储器相互 独立编址，独立访问。 与两个存储器相对应的是系统中 设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。 为了进一步提高运行速度和灵活性，人们在基本的哈佛结构的基础上做了改进 ，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储器在高速缓冲器 Cache 中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。 这种改进被成为改进的哈佛结构。 第二，多级的流水线操作。 DSP 芯片的指令系统广泛采用流水线操作，一个任务被分解为若干个子任务，各个任务可以在执行时相互重叠，每条指令处于流水线上的不同阶段。 流水线操作与哈佛结构相配合，减少了指令执行时间，增加了处理器的吞吐量。 不同的产品流水线的深度也各不相同，例如，第一代 TMS320 处理器 采用 2 级流水线，其后几代依次增加为 3 级、 4 级、 6级，在 TMS320C6000 中深度达到了 8 级，这就意味着可以同时并行 8 条指令。 同时，指令并行运行的条件在不断降低，指令的范围也在不断扩大。 如图21 所示 [5]。 第三，专用的硬件乘法器。 在数字信号处理运算中，无论是滤波器还是DFT、 FFT 运算，都存在大量的乘法运算，乘法运算的速度是数字信号处理实现中的一个瓶颈问题。 为此 DSP 芯片采用专用的硬件乘法器，使得乘法运算能够在一个指令周期内完成。 如在 TMS320C3x 系列 DSP 芯片中，有一个硬件乘法器，在 TMS320C6000 系列中则有两个硬件乘法器。 11 C L K O U T 1取 取取 取取 取N N + 1 N + 2NNN 1 N + 1N 2 N 1 图 21 多级的流水线 Multiple Pipelines 第四， 特殊的 DSP 指令。 DSP 芯片的一个重要特点是有一套专门为数字信号处理而设计的指令系统。 加法、减法、比较、移位、最大 /最小值、绝对值运算以及延 迟操作等都可以由一系列特殊指令实现， 极大的提高了性能 和效率。 例如， MAC 指令是连乘加指令，可以在单周期内同时完成乘法和加法运算； RPTS 和 RPTB 指令是硬件判断循环边界条件，可以避免破坏流水 线。 第五，快速的指令周期。 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令再加上集成电路的优化设计，可使 DSP 芯片的指令周期在200ns 以下。 TMS320 系列处理器的指令周期已经从第一代的 200ns 降低至现在的 5ns 以下。 快速的指令周期使得 DSP 芯片能够实现许多高端应用。 随着微电子技术的发展，工作频率还将继续提高，指令周期将进一步缩短。 典型 DSP 芯片 比较 TI、 ADI 和 Motorola 公司的 DSP 芯片是目前国内应用的主流芯片。 各公司主要芯片产品如表 21 所示 [6]。 本系统要求图像处理速度达到每 秒 20 帧以上，即要求实时图像处理系统必须在 50ms 内完成对一帧图像的运算处理，图像采集模块的输出为为 320240 像素。 为达到该处理速度，综合考虑以上各因素，采用价格较便宜、功耗较低的定点 DSP 芯片即可。