夏振华，张正炳

（长江大学 电信学院，湖北 荆州 434023）

1 引言

近年来，随着网络带宽、微处理器处理能力的迅速提高以及各种实用视频信息处理技术的出现，视频监控产品逐步脱离了传统的模拟视频监控和基于PC的视频监控，向小型化、数字化、网络化和终端智能化的嵌入式系统发展。

TI公司的TMS320DM6446（简称DM6446）芯片是一款ARM+DM644x的双核芯片，是实现高性能视频监控、IPTV等网络视频应用的理想的解决方案[1]。笔者将介绍一种利用DM6446为核心，利用联通的WCMDA进行网络传输的无线视频监控系统，该系统既具有多数嵌入式监控系统的体积小、成本低、维护方便、稳定性好等优点，同时由于采用了第三代移动通信（3G）的网络传输方式，无须布线，传输速度高，监控画面实时性好。

2 视频监控系统总体设计方案

基于IP的网络视频监控系统包括两大部分，视频监控终端和视频监控中心。视频监控终端和视频监控中心采用Client/Server（C/S）模式。监控中心运行在Client模式，主动向各监控终端发起网络连接请求，各监控点的视频终端接受监控中心软件发送的网络请求，并将监控画面通过3G无线网络传送到监控中心进行显示。整个系统的结构如图1所示。

图1 系统的结构图

本系统利用TMS320DM6446芯片具有ARM和DSP双核的特点，将监控终端的三大核心任务：视频采集、压缩编码和网络传输分配两个核分别处理，这样既能利用ARM核上运行的Linux系统具有的完备的TCP/IP协议栈实现复杂的网络控制命令和视频的传输，又能利用DSP的强大运算能力实现实时的视频编码。系统的工作流程框图如图2所示。

图2 工作流程框图

由图2可知，视频监控终端输入部分由CCD摄像机通过S-Video端子接入视频解码器，视频解码器可以将摄像机得到的NTSC格式或者PAL格式的视频信号转换成包含有数字色差信号（YUV422）的BT656格式的视频流，由DM6446的DSP核采集并从中提取YUV422格式的视频信号，DSP核将YUV422格式的视频转换成YUV420格式，再将YUV420格式的视频数据进行视频压缩编码，编码后的视频在从DSP核传送到DM6446的ARM核，运行在ARM核上的网络传输软件等待外部连接，一旦接收到合法的连接请求就开始向监控中心传送视频画面。视频监控中心向监控终端发出连接请求，被验证合法后可以通过网络查看监控终端所提供的监控画面，当然压缩的码流需要经过解码，然后再进行显示，监控中心还可以通过网络发出一些控制命令到终端，这些控制命令控制终端运行的一些参数，比如视频图像的压缩比、画面的亮度、视频的帧率以及摄像机云台的转送等参数。

3 监控终端软件的设计

从图2可以总结出，监控终端的软件分为两部分：DSP端视频采集和压缩编码软件，ARM端的网络传输和控制调参软件。

3.1 DSP端软件的设计

DSP端软件的核心任务是视频编码，本系统采用M-JPEG作为视频压缩编码算法，JPEG是静态图像压缩编码方法，在监控终端可以将视频图像当作单帧的静态图像来进行压缩处理，在监控中心利用解码器将压缩码流单帧地解压播放，就能实现动态视频效果。下面给出本系统的JPEG实现的方法。JPEG编码算法的流程如图3所示。

图3 JPEG流程图

在图3所示的编码流程中，二维DCT变换在整个过程中运算量最大。通过CCS实时性分析，发现DCT几乎占用进行整个编码耗时的70%以上，因此在实现DCT变换的过程中，需要着重考虑算法和程序的优化。JPEG编码将图像分成8×8块，即DCT处理的基本单元是8×8的子块[2]。因此，8点二维DCT变换定义如式（1），分解成2次一维DCT可以大大简化运算，如式（2）～（3）

在进行DCT变换的各种快速算法中，Loeffler算法被证明已经达到了算法极限，是最优秀的算法，该DCT算法共使用11次乘法和29次加法[3]。它把整个DCT过程分成了4级，每级都是乘加运算[3]。DM6446非常适合做乘加，它可以达到每秒2.88×109次16位“乘加”运算，或5.76×109次8位乘加运算。本系统就是采用Loeffler快速算法来实现最为耗时的DCT变换。JPEG编码中分块、量化、Huffman编码等部分实现起来比较简单，耗时也很少。在充分考虑各个环节的优化后，对系统的编码速度进行测试发现，本系统对352×288大小的视频进行编码的速度能够达到80 f/s（帧/秒），可以满足监控画面的实时性要求。

3.2 ARM端软件的设计

ARM端软件的核心任务是网络传输和参数调节。ARM是目前主流的嵌入式系统解决方案所选择的芯片，大多数嵌入式系统都能很方便的移植运行在ARM上，DM6446包含了一块ARM9核，可以运行Linux系统，Linux内核包含有功能完备的TCP/IP协议栈，因此在进行网络传输的软件设计时，不需要自行实现TCP/IP协议，大大减少了代码量[4]。ARM端软件的工作原理是，首先利用PPP拨号程序通过WCDMA拨号接入互联网，等待监控中心连接请求；接收来自DSP端编码后的视频数据，然后在收到监控中心的连接请求时，将这些数据通过互联网传送到监控中心。

联通的WCDMA是国内3G移动通信的一种，具有技术成熟、带宽大等优点。目前联通的WCDMA都采用HSDPA技术，下行速率为7.2 Mbit/s，今后还会升级到14.4 Mbit/s，完全可以满足视频无线传输的实时性要求。本系统采用的西门子WCDMA模块MC75i支持HSDPA模式，为了保证传输速度DM6446与MC75i通过数据总线连接，利用它进行网络传输时，首先需要运行在ARM核上的Linux系统通过PPP协议拨号接入互联网，然后才能进行信令和视频码流的传输。

为了实现局域网的穿透，本系统采用了自行设计的一个简单的穿透协议来实现。具体原理是，在互联网中的一台拥有公网IP的机器上运行一个简单的网守程序，该程序记录监控中心和各个监控终端所使用的端口号和公网IP地址。监控中心和各监控终端一启动就先向网守注册自己的公网IP地址和端口信息，当监控中心要向终端发起网络连接时，首先向网守服务器发起请求信令，网守服务器收到监控中心的连接请求，可以从中得知监控中心需要与哪些监控终端连接，接着网守会将选中的监控终端的公网IP地址和端口发送到监控中心，监控中心得到这些公网IP地址和端口后，再次向监控中心发起视频连接请求，此时监控中心会收到请求，验证合法后，向监控中心直接发送视频码流。整个工作过程如图4所示。图中IP1A，Port1A，IPSA，PortSA分别代表监控终端1和监控中心的内网IP地址和内网端口；IP1G，Port1G，IPSG，PortSG分别代表监控终端和监控中心的公网IP地址和公网端口。

图4 网络传输工作流程图

4 网络流量和图像质量的问题

虽然WCDMA网络带宽足够满足视频传输的需求，但从节约流量费用的角度考虑，在设计系统时，需要尽可能地在保证图像质量的前提下减少网络流量。视频传输系统中网络流量取决于编码方法。在相同的编码方法中，网络流量和图像质量是存在着矛盾的，数据量大，图像质量好，数据量小，图像质量差。本系统在M-JPEG编码基础上增加了控制图片质量的参数Q，通过调节该参数可以改变图片质量，从而改变网络数据量的大小。它的原理是通过参数Q改变量化时所用到的量化表中的量化步长来改变量化结果中“0”的数量。Q与量化表之间的关系由下列公式确定

其中，InitQtableY[i]和InitQtableUV[i]分别为标准亮度量化表和色度量化表，FinalQtableY[i]和FinalQtableUV[i]分别为本文系统用于对亮度分量和色度分量的DCT系数进行量化的量化表。从上式可以看出，Q值越大，mul_factor值越小，FinalQtableY[i]和FinalQtableUV[i]中各元素也越小，量化后的“0”的个数越少，压缩后的图像质量就越高[4]。本系统中监控中心可以设置参数Q，并将Q值通过网络传输到监控终端，监控终端根据设定的Q值实时的改变图像质量。表1给出了300 s在各种Q值下的流量统计，表中数据的测试条件为，视频大小352×288，帧率为20 f/s。图5给出了Q值等于95，50，25时的画面。

表1 网络流量统计

图5 各种Q值画面对比

从表1和图5可以看出，Q=95时，每秒网络数据流量较大，画面质量最好，Q=50时，每秒网络数据流量适中，并且画面质量较Q=95时没有大幅下降，Q=25时的图像质量明显下降。因此本系统将Q的初始值设置为50，在Q=50时，网络流量较小，并且画面质量也能满足大多数场合的要求。

视频监控中心效果如图6所示。从图可以看出，在默认参数下，该监控系统的画面质量令人满意。

图6 监控中心效果图

5 小结

本文提出的基于3G的嵌入式视频监控系统设计方案具有稳定性高、图像质量较好、网络传输性能好等特点。该系统操作简单，系统的监控图像质量能满足大多数用户对画面质量的要求，另外，该视频服务器对网络带宽的需求适中，完全适合局域网和互联网上使用。

[1]唐健雄，陈力.基于TMS320DM6446的视频会议终端硬件设计[J].电视技术，2008，32（3）：93-95.

[2]邓慧萍，张正炳，贾冬顺.一种改进的2D-DCT的FPGA实现[J].微计算机信息，2007（35）∶214-215.

[3]LEOFFLER C，LIGTENBERG A,MOSCHYTZ G S.Practical fast 1D DCT algorithms with 11 multiplications[EB/OL].[2009-10-20].http∶//ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel2%2F805%2F6677%2F00266596.pdf%3Farnumber%3D266596&authDecision=-203.

[4]梅晓兰，张连发，梅启斌.基于OMAP1510双核架构的移动多媒体通信终端的设计与实现[J].电子技术应用，2004，30（8）：20-24.