基于dm642的无线视频监控系统.pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第27卷第4期2010年4月机 电 工 程Journal ofMechanical&Electrical EngineeringVol.27 No.4Apr.2010收稿日期:2009-09-29作者简介:赵青芝(1984-),女,浙江台州人,主要从事流媒体传输及视频监控等方面的研究.E2mail:基于DM642的无线视频监控系统赵青芝,叶旭东,朱善安(浙江大学 电气工程学院,浙江 杭州310027)摘要:针对难以安装有

2、线网络场所的远程实时监控问题,采用了视频处理芯片DM642、视频解码芯片TVP5150A、CDMA无线收发模块DTU2800X等组成硬件终端,负责视频采集、MPEG24编码压缩及发送,基于UDP协议设计高效视频传输控制算法,利用VC+编程及directshow组件开发客户端软件,实现了无线实时视频监控功能。实验结果表明,该系统具有传输效率高、体积小、安装方便等特点,适用于各种监控场合。关键词:无线视频监控系统;DM642;视频传输;directshow组件中图分类号:TP277 文献标识码:A文章编号:1001-4551(2010)04-0072-04W ireless video monit

3、oring system based on DM642ZHAO Qing2zhi,YE Xu2dong,ZHU Shan2an(College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)Abstract:Aiming at real2ti memonitoring of those siteswere difficult to install cable network,using video processing chip DM642,video de2coder chip TVP5150A,CDM

4、A wireless transceivermodule DTU2800X,etc,the hardware was designed to capture,MPEG24 encode videocompress and video data send.An efficient transmission algorithm based on UDP protocolwas proposed.The client software was developedbyVC+based programming and directshow components.The test results indi

5、cate that the system has a high transmission efficiency,aswell as s mall size and easy installation.It is suitable for variousmonitoring occasions.Key words:wireless video monitoring system;DM642;video transmission;directshow component0 引 言传统的监控系统通过有线网络传输数据,存在设备成本高、部署费时、网络安装费用高等缺点。随着无线传输技术的发展,利用无线网络

6、实现远程视频信号传输,可以摆脱有线网络存在的束缚,充分提高应用的灵活性。此外,基于数字信号处理器(DSP)的嵌入式图像采集处理系统,能有效利用DSP的快速处理速度实现视频的实时编码压缩。以TI系列芯片为例,其处理速度最高已达到8 800 M IPS,具有功耗低、体积小、成本低等优点。融合无线传输及嵌入式技术的嵌入式无线监控系统特别适合交通、安防和智能控制等无线应用场合,成为这些领域的研究热点122。但无线视频传输存在一些问题,例如较低的网络带宽限制了视频传输速度,误码率及丢包率高,使实时监控无法稳定流畅进行。本研究利用DM642芯片对实时视频进行基于MPEG24算法的编码压缩,设计基于UDP协

7、议的节省带宽的高效传输控制算法进行数据传输,最后通过开发PC客户端软件进行视频接收,实现低码率下的无线远程视频监控。1 系统整体框架系统整体框架如图1所示,主要由3部分组成:DSP终端324,负责视频数据的采集、编码压缩和无线发送。基于TI(Texas Instruments)生产的T MS320DM642芯片设计,利用CDMA模块进行无线网络传输。传输网络。采用CDMA2000 1X数据传输技术,理论上最高速率达153.6 Kbps,实际传输速度为80 Kbps左右。监控客户端。负责视频数据接收、解码及播放、客户界面的显示与交互操作。基于VC+语言编程,利用Directx开发包中的direc

8、tshow组件来完成视频解 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/码播放。图1 无线远程监控系统整体结构框图2DSP终端硬件设计T MS320DM642是TI公司推出的一款高端专用视频处理芯片,具有超强的单核处理性能,在600 MHz时钟频率下,可达到4 800 M IPS的处理速度,同时加入了一些图像和视频处理方面的专有指令,在视频领域有其非常广泛的应用。本系统硬件部分以DM642芯片为中心进行相应扩展,整体框架结构如图2所示。图2DSP终端系统结构图4路摄

9、像头采集输出模拟信号,经过视频解码芯片TVP5150A转换成数字信号后完成视频采集。TVP5150芯片是TI公司推出的一款超低功耗解码芯片,可自动识 别NTSC/PAL/SECAM制 式,模 拟 信 号 送 入TVP5150A后,依据YCbCr4:2:2格式转化成CIF(352288),以内嵌8 bit同步信号的ITU2RBT.656格式输出。TVP5150A输出送入DM642的VP口,每个VP口支持2路8 bit/10 bit RBT.656模式输入。将Xvidcore开源编码软件移植到DM642芯片中实现MPEG24视频编码。在外部存储器接口(EM IF)挂接异步通信芯片TL16C550将

10、同步并行数据转化为UART异步串行数据。通过AnyDATA公司的CDMA无线收发模块DTU2800X4发送,该模块支持TCP和UDP协议,包含符合IS295A/B及IS22000标准的数字调制解调器,提供RS232标准串行接口,可外接RS2232/RS2485转换器实现与DM642系统串口通讯。3 系统通讯设计CDMA无线发送模块可用协议包括TCP和UDP协议。TCP协议是一种面向连接的服务协议,自身具有检验、纠错、拥塞等控制机制,可靠性高,但是连接时间长,传输速度慢,传输延时长,不适合实时视频的传输。本系统采用无连接不可靠服务协议(UDP协议)进行数据传输。3.1 控制命令传输控制命令传输比

11、较简单,只需设计相应的命令格式。本系统的通用命令格式如表1所示,各参数从上到下,从左到右依次为校验码、命令类型、摄像头I D号、比特率、帧率、同步标识,同步位置及命令参数。表1 控制命令格式Verify Code(4 B)MsgType(1 B)DeviceI D(1 B)BitRate(1 B)Fr mRate(1 B)Sync(1 B)SyncPos(1 B)Params(2 B)3.2 视频数据传输由于无线传输的误码率相对较高,相关的差错控制研究是一个重点526。UDP协议本身不提供可靠的数据传输,可能出现错误、丢包及失序等情况,本系统设计了传输控制方案,处理数据出错、丢失及失序等状况。

12、首先介绍一下视频数据的组织方式。DSP端经过MPEG24算法压缩的视频帧分两类:帧内预测(I)帧;单向帧间预测(P)帧。采用IPPPP帧循环的视频帧组帧方式(组帧方式可调整,但过多P帧将增加风险),如果一个视频块的I帧丢弃,则后续的P帧将无法解码,I帧和P帧直接通过帧号进行区别。视频帧大小不定,在发送时又拆分成多个UDP数据包,对每个包也进行编号,视频包头部结构承载了相关信息,具体结构如下:Typedefstructintverifycode;/校验码intframenum;/当前视频帧号inttotalpack;/视频分包总数intpacknum;/当前视频分包序号intdatanum;/有

13、效填充数据数boolresend;/是否是重发包MPEG4_PACK_HEADERDSP端发送经过编号的视频数据包,客户端接收到这些无序数据包后,在缓冲区中进行奇偶校验及数据包重排,发现检验错误则立即重传,校验正确需要进一步的完整性检验。检验时如I帧出现错误、部分或全部丢失时,须进行重传,P帧出现同样的状况时不重传,直接丢弃。实现上主要借鉴了TCP的窗口机制,以I帧,4个P帧为一个数据块,在程序中确定一个或多个数据块进行完整性检验,具体步骤如下(算法流程图如图3所示):37第4期赵青芝,等:基于DM642的无线视频监控系统 1994-2010 China Academic Journal El

14、ectronic Publishing House.All rights reserved.http:/图3 视频帧完整性检验算法流程图(1)确定检验的数据块范围,用F和E分别表示块首头和块尾,F和E都指向数据块的I帧。E指向处在接收阶段的数据块的前一个数据块,如果F和E相同,则E=-1;(2)对F和E的长度进行计算,如果超过所允许最大值MAXCHECKNUM则进行调整,从前面开始丢弃,直至达到允许的值。(3)如果E=-1,则返回(1);(4)对这个序列中的所有的视频帧进行完整性检验;(5)查找最末完整I帧的后一个I帧序号,作为下一个循环的F,如果没有任意一个I帧完整,则F保持不变;(6)如果

15、没有任意一个完整的I帧(F不变)则回到(1);(7)如果有任意一个完整的I帧(即F变化),检验线程对没有达到重传计数的不完整I帧进行重传。等待T2时间转到(4);(8)如果所有I帧都完整,转到(9);(9)对这个检查块中的视频帧进行存储和释放,丢弃不完整视频帧,如果I帧不完整,则丢弃其后的所有P帧;(10)程序计时,T1时间到则回到(1)。以上算法须对DSP端和客户端进行联合编程,该算法简洁有效,适合嵌入式应用这种低功耗应用场合。算法灵活,每个步骤可另外设计,自行增减控制算法复杂度。4 客户端软件设计客户端软件编程采用VC+编程语言,基于COM组件技术directshow,MFC及W in s

16、ocket技术实现多线程对话框程序,采用双缓冲机制以兼顾缓冲播放的实现和内存操作的高效性,其中directshow组件用于实现视频播放。Directshow是W indows系统提供的音/视频开发包Directx组件之一,利用称为过滤器(Filter)的标准组件来处理流媒体数据7。通过在Filter Graph中把各个Filter模块按一定的顺序连接起来工作,本系统连接完成的Filter Graph如图4所示,创建的主要步骤如下:图4 视频播放过滤器结构图(1)利用CoCreateInstance(CLSI D _FilterGraph,NULL,CLSCTX_ I NPROC,II D _

17、IGraphBuilder,(void33)&m_pGB)函数创建Filter Graph实例,查询获得相关控制接口。(2)创建Source Filter的实例。开启等待线程WaitingThrd()等待接收数据,接收到之后进行视频格式判断,连接后续Filter。(3)调用pGraph-StartGraph()进行SourceFilter后续的连接。包括Xvid解码Filter、Video RenderFilter,连接Filters时将先将Filter加入Graph,再调用GetPin()得到输入/输出接口,然后进行连接。(4)调用pGraph-Run()启动Filter Graph进行播放

18、,播放过程中通过上述相关接口完成“暂停播放”、“重新启动”等控制。(5)视频帧播放速度控制。由于网络状况的不同,在拥塞的状况下,应该放慢视频帧的显示速度,在通畅的情况下,可加快视频显示。系统根据缓冲队列中数据情况对每帧视频调用SetTi me()函数设置播放时间。5 系统测试与结论最终的用户界面如图5所示。首先,单击“启动服务”按钮做必要的初始化工作,在右侧输入框输入远程DSP终端的IP地址及端口,选中需要观察的那路视频,单击“视频请求”按钮自动开始通讯,根据网络状况稍加等待就可以看到监控画面;另外,界面右边有一系列的设备信息编辑框,点击“查看”,则DSP端将发送相关的设备信息;右下方的视频选

19、择框可以用于选择查看第几路视频信息。通过CDMA网络的实际测试,在传输速率低至约为3040 Kbps的情况下,仍可实现45 fps的CIF47机 电 工 程第27卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图5 客户端用户操作界面（）格式图像的稳定传输,延时小,相对其他视频传输系统有了长足的进步。随着3G网建成,数据通信速率可达到:静止2 Mbps,慢速移动384 Kbps,高速移动144 Kbps。因此,相应的视频传输帧率在高速移动下能达到近19 fps,完全

20、可实现流畅监控。6 结束语本研究设计了嵌入式无线监控系统,主要针对固定监控客户端,进一步的扩展阶段可考虑开发移动设备监控客户端。与其他远程视频监控系统相比,本系统有如下优点:(1)传输效率高,低传输带宽要求,系统可在低至约3040 Kbps码率下保持稳定进行45 fps播放速率。采用UDP协议传输,自行设计数据丢失及重传等处理机制,有效地提高传输效率。(2)安装方便快速,使用方便,扩展性好。基于嵌入式系统开发,系统硬件体积小,易于安装。在网络中的每一台计算机,只要安装客户端,就可以实现远程监控。(3)覆盖范围广,几乎不受区域限制。采用无线传输网络,不受有线布线范围限制,只要在无线通讯覆盖范围内

21、都可安装使用。参考文献(References):1 陈文祥,孟利民.新型嵌入式视频监控系统的设计J.电子元器件应用,2008,10(2):56-58,62.2 阮越广,赵伟胜.基于无线网络的家用安全视频监控系统J.机电工程,2008,25(8):58-61.3 罗小科,朱善安.无线视频监控系统视频传输模块的软件设计J.机电工程,2007,24(1):42-45.4 刘 源,朱善安,叶旭东.基于DM642的嵌入式视频监控系统硬件设计J.电子器件,2006,29(3):905-908.5CH I ASSER I N IC F,MAGL I E.Energy efficient coding and

22、error control for wireless video surveillance networks J.Telecommun ication System s,2004,26(2-4):369-387.6LEE Y C,ALTUNBASAK Y,MERSEREAU R M.Multi2frame error conceal ment forMPEG2coded video delivery overerror2prone networks J.IEEE Transactions on I mageProcessing,2002,11(11):1314-1331.7 陆其明.Direc

23、tshow开发指南M.北京:清华大学出版社,2003.编辑:李 辉(上接第54页)6 结束语本研究通过对Modbus通信协议的介绍与研究,设计了基于Modbus协议的MCU与PLC通信系统。该系统实现了MCU与S72200系列PLC的Modbus2RTU通信,使PLC设备可通过系统的人机交互程序进行控制,解决了其交互性能差的缺点;也为Modbus协议在工控领域的应用提供了参考和解决方案,并可方便地移植到工业设备中。该系统具有成本低、适用性强等特点,将具有良好的推广应用前景。参考文献(References):1 卢文俊,冷 杉,杨建军.基于Modbus协议的控制器远程监控系统J.电力自动化设备,

24、2003,23(6):54-56.2 潘洪跃.基于MODBUS协议通信的设计与实现J.计量技术,2002(4):35-36.3 温建明,鲁五一,袁庆国.基于MODBUS协议的触摸屏与单片机通信的实现J.超重运输机械,2008(7):39-42.4 叶露林,洪雷峰.新型智能通风系统J.机电工程技术,2008,37(11):45-47.5 廖常初.PLC编程及应用M.2版.北京:机械工业出版社,2005:155-163.6CHEN L.Research on Voltage Acquisition System Based onModbus IndustrialBus and Single Chi

25、pC/2009 InternationalConference on Signal Processing Systems,2009:585-588.7 胡金华.基于PLC自由通信的CRC校验算法实现J.机电工程,2007,24(10):19-21.8 赵晓明,徐 立,邵 威,等.基于VC+的上位机与西门子系列PLC通信的研究J.机电工程,2007,24(7):42-44.9 潘 悦,佟为明,赵志衡.基于C8051F02x单片机的Modb2us实验系统J.仪器仪表学报,2007,28(4):305-306.10 李晓波,高 倩.基于触摸屏和PLC的交通灯监探系统设计J.机电技术,2008(4):63-65.编辑:张 翔57第4期赵青芝,等:基于DM642的无线视频监控系统