DVR系統(tǒng)中多路視頻處理技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

王 鋼，孟利民

(浙江省通信網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310023)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)和音視頻壓縮技術(shù)的迅猛發(fā)展，多媒體技術(shù)得到了極大的關(guān)注與應(yīng)用，視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生了很大的變化。數(shù)字硬盤攝像機(jī)相比較于模擬視頻錄像機(jī)，在圖像處理、網(wǎng)絡(luò)傳送及遠(yuǎn)程控制方面有較大的優(yōu)勢(shì)。而前端一體化、視頻數(shù)字化、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成化是視頻監(jiān)控系統(tǒng)公認(rèn)的發(fā)展方向。目前，隨著視頻處理芯片的不斷更新和市場(chǎng)需求的提高，如何實(shí)時(shí)且高效地處理多路視頻數(shù)據(jù)成為了關(guān)鍵?；诙嗝襟w處理芯片的視頻編解碼系統(tǒng)因具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、外圍接口豐富、功耗低以及開發(fā)自由度大等諸多優(yōu)點(diǎn)［1］。為此，本文設(shè)計(jì)了一套基于H.264壓縮格式的嵌入式DVR系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用TW2835和GM8180專用芯片對(duì)多路視頻圖像進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)及解壓回放。其中采用的H.264壓縮方式壓縮率高、符合市場(chǎng)主流。

1 DVR系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，它包括:視頻采集、視頻壓縮存儲(chǔ)、視頻回放等模塊。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

系統(tǒng)前端可以采集多路視頻圖像，它主要由TW2835芯片完成，它支持4路的模擬視頻輸入［2］。該芯片通過對(duì)視頻圖像進(jìn)行相應(yīng)的解碼、編碼及多路的合成處理，而后輸出ITU-R BT656格式的視頻流數(shù)據(jù)給后端的視頻處理芯片處理。視頻壓縮、解壓和存儲(chǔ)部分由GM8180芯片完成，該芯片可以對(duì)視頻圖像進(jìn)行高壓縮比的H.264壓縮［3］，并進(jìn)行本地視頻存儲(chǔ)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的H.264解壓，并將視頻圖像輸出用于回放。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 視頻源格式分析

前端采集芯片進(jìn)行相應(yīng)的圖像采集，它最大可支持704×576的視頻輸入。它輸出ITU-R BT656格式的數(shù)字視頻流，后端的視頻處理芯片對(duì)BT656格式的數(shù)字視頻流進(jìn)行捕捉。

本系統(tǒng)接入4個(gè)攝像頭來實(shí)現(xiàn)多路監(jiān)控，這需要采集芯片的圖像合成處理，使4路圖像合成于一幅中，通過配置TW2835通道寄存器可以實(shí)現(xiàn)4路圖像的合成。

這里的數(shù)字視頻流采用YUV420顏色編碼體系，Y代表亮度，U和V表示兩種不同的色度。這里采用16×16的宏塊大小，所以704×576的圖像共劃分為44×36個(gè)宏塊。YUV采樣先進(jìn)行宏塊內(nèi)自左向右“Z”字形掃描，再進(jìn)行宏塊“Z”字形掃描［4］。因此，處理多路視頻圖像的關(guān)鍵部分在于如何對(duì)YUV420格式的圖像進(jìn)行合理分割，分別進(jìn)行H.264壓縮。

2.2 采集壓縮軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 視頻圖像采集壓縮

軟件設(shè)計(jì)分為兩部分:

(1)對(duì)采集芯片TW2835進(jìn)行初始化，包括相關(guān)寄存器的配置，主要是用來設(shè)置其視頻輸入模塊、視頻控制模塊、OSD和MPP輸出端［5］;

(2)進(jìn)行數(shù)字視頻流的獲取和壓縮，每次采集和壓縮都是以幀為單位進(jìn)行的，使用GM8180內(nèi)部提供的FTMCP210壓縮模塊進(jìn)行壓縮，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 采集壓縮軟件設(shè)計(jì)流程

這里可設(shè)置捕捉圖像的大小，若設(shè)置為D1(720×576)大小，切割后就分為4幅CIF(352×288)圖像，若設(shè)置為CIF大小，切割后就分為4幅QICF(176×144)圖像。

本系統(tǒng)壓縮所采用的是高壓縮比的H.264壓縮方式，使用的是Baseline profile的level 3.1標(biāo)準(zhǔn)。在時(shí)鐘頻率達(dá)到165MHz情況下，最高可支持90fps的D1格式視頻的壓縮，支持CBR和VBR以及CAVLC(變長編碼模式)。

2.2.2 視頻圖像切割

在壓縮之前，關(guān)鍵的是如何對(duì)視頻圖像進(jìn)行合理切割，因?yàn)橐环鶊D像合成了4個(gè)攝像頭的視頻數(shù)據(jù)，而最終向硬盤存儲(chǔ)視頻文件時(shí)是按每1路視頻來從存儲(chǔ)的，所以要求在壓縮之前對(duì)圖像進(jìn)行有效分割［6］。其核心部分的偽代碼如下:

這里分割圖像的起始位置和大小都必須是16的倍數(shù)，這是因?yàn)椴捎玫腨UV420顏色體系，使用的是16×16宏塊掃描。

2.3 解壓回放軟件設(shè)計(jì)

經(jīng)過采集和壓縮的視頻圖像進(jìn)行本地回放時(shí)，先讀取本地已存錄像，后送入相應(yīng)的解壓模塊FTMCP220進(jìn)行解壓，該模塊支持H.264格式的視頻解壓。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示:

圖3 解壓回放軟件設(shè)計(jì)流程

用于回放的顯示屏接在采集芯片接口上，可以通過相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)FAVC_IOCTL_DECODE_INIT和FAVC_IOCTL_DECODE_420_INIT來設(shè)置解碼輸出的顏色系統(tǒng)，這里我們?cè)O(shè)置為YUV422，最后通過系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)FAVC_IOCTL_DECODE_FRAME來實(shí)現(xiàn)解碼處理。

2.4 實(shí)現(xiàn)效果圖

經(jīng)過相應(yīng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)的多路視頻采集壓縮及其切割效果如圖4所示，圖4(a)、(b)、(c)3幅圖的顯示比例已經(jīng)過縮放處理。

圖4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果圖

其中，圖4(a)為4路視頻合成效果，為704×576的4CIF格式，由4張CIF圖像合成，采用PC端專用H.264播放器進(jìn)行播放;圖4(b)為4路視頻進(jìn)行切割后進(jìn)行本地硬盤存儲(chǔ)的視頻圖像效果，以第1路為例，為352×288的CIF格式，采用PC端專用H.264播放器進(jìn)行播放;圖4(c)為錄像回放效果，將本地已壓縮錄像在設(shè)備上進(jìn)行H.264解壓后接顯示屏回放，回放的是第1路視頻圖像，為352×288的CIF格式。由于顯示屏顯示亮度和色彩設(shè)置原因及拍攝該效果圖時(shí)的光線影響，故圖像亮度比圖4(a)、(b)稍亮。從效果圖可看出，本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多路視頻的切割壓縮與分通道回放，且壓縮效率高，回放效果清晰。

3 結(jié)束語

本文介紹的是數(shù)字硬盤錄像機(jī)中的核心部分，經(jīng)過詳細(xì)的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)，視頻處理具有處理速度快、壓縮率高、回放方便、多路視頻獨(dú)立等特點(diǎn)，完全滿足目前的市場(chǎng)需要，且多路視頻能實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 孫玉智.基于MG3500的車載DVR系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)［D］.青島:中國海洋大學(xué)，2009.

［2］ Techwell.Techwell TW2835 datesheet［EB/OL］.http://www.techwell.com:Techwell，Inc，2004 －01 －03.

［3］ Grain Media.GM8180_DataSheet［EB/OL］.http://www.grain － media.com:Grain Media，Inc，2008 －12 －01.

［4］ 沈俊，葛燧和.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的 YUV［J］.計(jì)算機(jī)工程，2000，26(1):94－96.

［5］ 趙傳躍，彭宏.DVR系統(tǒng)中視頻采集壓縮的軟件設(shè)計(jì)［J］.杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(5):145－148.

［6］ Wang Lifeng，Meng Qinglei，Lu Erhong，et al.Optimization of an Embedded Multi-Channel Video Encoder［C］.北京:國際測(cè)試自動(dòng)化與儀器儀表學(xué)術(shù)會(huì)議，2006:458－461.