白 杰, 孟令軍, 張慧慧
(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)
基于DSP的視頻處理及傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
白 杰, 孟令軍, 張慧慧
(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)
以數(shù)字信號(hào)處理(DSP)為硬件平臺(tái),對(duì)嵌入式視頻軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。提出了采用DSP核+DSP/BIOS方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS的基礎(chǔ)上,通過(guò)達(dá)芬奇技術(shù)分別對(duì)系統(tǒng)中的視頻采集、H.264編/解碼器、網(wǎng)絡(luò)傳輸、顯示等各個(gè)軟件模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。解決了低碼率高清晰度實(shí)時(shí)視頻處理及傳輸?shù)膯?wèn)題。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試,實(shí)現(xiàn)功能需求。系統(tǒng)具有高性能低成本的特點(diǎn),廣泛適用于各類(lèi)監(jiān)控、實(shí)時(shí)視頻傳輸場(chǎng)合。
數(shù)字信號(hào)處理; 視頻處理; 傳輸系統(tǒng)
在PAL制式、CIF分辨率格式(352×288)、幀率25 f/s、RGB24的彩色圖像的前提下,1 h內(nèi)的視頻數(shù)據(jù)量可大致估計(jì)為25.49 GB。雖然當(dāng)前的存儲(chǔ)設(shè)備的容量已經(jīng)更新發(fā)展到TB的數(shù)量級(jí),然而持續(xù)存儲(chǔ)的視頻數(shù)據(jù)將會(huì)是一個(gè)非常大的數(shù)據(jù)量。一般情況下,視頻監(jiān)控通常僅僅保存最近2~3個(gè)月的記錄。估算可知,CIF的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)達(dá)到58 Mbit/s。盡管千兆光纖網(wǎng)已經(jīng)非常普及,但是平常使用的2 MB帶寬的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)階段進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨?。而目前CIF正逐步退出歷史的舞臺(tái),當(dāng)前視頻的主流格式為D1(720×576,標(biāo)清)、D3(1920×1080,高清)。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可知,D1分辨率及以上的視頻圖像在存儲(chǔ)和傳輸中,進(jìn)行編碼壓縮是勢(shì)在必行。
如何進(jìn)行高效的編碼與傳輸[1],以及海量視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),現(xiàn)已成為視頻實(shí)時(shí)處理領(lǐng)域需要亟待解決的問(wèn)題。
1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)
系統(tǒng)使用高分辨率的CCD攝像頭,將采集到的視頻圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理,并通過(guò)特定的視頻編碼算法[2-3]進(jìn)行壓縮處理為低碼率的數(shù)據(jù)流[4],然后由以太網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸,只需將客戶(hù)端和服務(wù)器端連接到同一個(gè)交換機(jī)或路由器,并將服務(wù)器和客戶(hù)端設(shè)置為同一網(wǎng)段,此時(shí)客戶(hù)端可以觀看服務(wù)器端采集到的視頻數(shù)據(jù),系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是允許多個(gè)客戶(hù)端同時(shí)登錄觀看服務(wù)器端采集的視頻數(shù)據(jù)。視頻處理及傳輸系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 視頻處理及傳輸系統(tǒng)
1.2 硬件平臺(tái)及軟件系統(tǒng)架構(gòu)
采用TI公司的DSP(TMS320DM6437[5],該處理器工作主頻為600 MHz)。具有VelociTI.3(第3代超長(zhǎng)指令集結(jié)構(gòu)),內(nèi)核為C64x+TM系列,指令數(shù)據(jù)的最高計(jì)算能力達(dá)5 600 MI/s;同時(shí)支持多種、多個(gè)數(shù)據(jù)位類(lèi)型的并行乘加運(yùn)算操作,所以,在視頻處理時(shí)可以實(shí)時(shí)的對(duì)多路視頻格式(CIF、D1)進(jìn)行編、解碼[6]。
基于DSP核+DSP/BIOS下的軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。
圖2 基于DSP核+DSP/BIOS下的軟件系統(tǒng)架構(gòu)
2.1 視頻采集與顯示模塊
視頻采集與顯示模塊如圖3所示。視頻采集模塊主要包括攝像頭(CCD)、TVP5151、及VPFE三部分。在CCDC啟動(dòng)前要先完成對(duì)TVP5151的配置;CCD攝像頭將采集的視頻數(shù)據(jù)傳輸給TVP5151,經(jīng)TVP5151解碼為YCbCr422類(lèi)型的視頻數(shù)據(jù),同時(shí)它的輸出滿(mǎn)足ITU-RBT.656協(xié)議格式[7]。經(jīng)上述一系列轉(zhuǎn)換之后再傳輸?shù)揭曨l處理前端VPFE進(jìn)行預(yù)處理,最終將數(shù)據(jù)幀緩存于DDR2中。
圖3 采集與顯示模塊
視頻顯示模塊:主要包括VPBE及顯示設(shè)備,而VPBE由OSD(On-Screendisplay)與VENC(Vidio Encode)組成。其中,OSD負(fù)責(zé)從DDR2中獲取已經(jīng)過(guò)處理的視頻數(shù)據(jù),VENC接收來(lái)自于OSD的數(shù)據(jù),并選擇不同的視頻格式輸出,然后通過(guò)液晶屏或LCD顯示器進(jìn)行顯示。
2.2 視頻處理模塊
Codec Engine(簡(jiǎn)稱(chēng)CE框架)是一組用來(lái)配置和運(yùn)行XDM算法的API接口。該框架提供了一系列VISA接口,與符合XDM標(biāo)準(zhǔn)的算法進(jìn)行交互。
(1) 模塊的使用。命令xdc.useModule允許一個(gè)應(yīng)用程序使用一個(gè)特定的模塊,本文需要使用的模塊如下所示:
Var osalGlobal = xdc.useModule
(′ti.sdo.ce.osal.Global′),操作系統(tǒng)抽象層;
Var H264ENC = xdc.useModule
(′ti.sdo.codecs.h264enc.ce.H264ENC′),H.264編碼;
Var H264DEC = xdc.useModule
(′ti.sdo.codecs.h264dec.ce.H264DEC′),H.264解碼;
Var Engine = xdc.useModule (′ti.sdo.ce.Engine′),Codec Engine模塊。
(2) 模塊參數(shù)設(shè)定。
osalGlobal.runtimeEnv = osalGlobal.DSPBIOS;
osalGlobal.defaultMemSegId =“DDR2”;
Var ver. = Engine. Create ("encdec", [{Name: "h264enc", mod: H264ENC, groupId: 0, local: true}, {Name: "h264dec", mod: H264DEC, groupId: 0, local: true},]);
在該CE框架下,DM6437提供了一組VISA接口,使用VISA接口調(diào)用H.264編、解碼庫(kù)。其CE引擎包括核心引擎APIs及VISA APIs兩部分,其中,核心引擎部分由以下模塊構(gòu)成:①初始化(CERuntime_),位于ti.sdo.ce包的CERuntime.h中;②Codec引擎運(yùn)行態(tài)(Engine_),位于ti.sdo.ce包的Engine.h中;③針對(duì)Memory的OS抽象層(Memory_),位于ti.sdo.ce.osal包的Memory.h中。
本文使用的核心接口函數(shù):①Engine_open()。打開(kāi)CE引擎,返回創(chuàng)建的引擎句柄;②Engine_close()。關(guān)閉打開(kāi)的CE引擎。VISA類(lèi)為編碼、解碼器提供了下列的APIs,此處的xxx代表VISA模塊前綴:①xxx_create():創(chuàng)建此類(lèi)算法模型的例程;②xxx_process():使用此類(lèi)算法例程中的“數(shù)據(jù)處理”方法;③xxx_control():執(zhí)行此類(lèi)算法例程中的“控制”方法;④xxx_delete():刪除此類(lèi)算法特定的例程。使用CE框架調(diào)用VISA提供的函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)H.264算法下的編、解碼如下。
H.264編碼部分:
(1) Engine_Handle *ce= Engine_open(h264encdec, NULL, NULL)。創(chuàng)建一個(gè)編解碼引擎對(duì)象,*ce代表新創(chuàng)建的編解碼引擎句柄。
(2) VIDENC_Handle *enc = VIDENC_create(*ce, encoderName, &vencParams)。encoderName代表編碼器的名稱(chēng)h264enc,vencParams代表編碼器的靜態(tài)配置參數(shù)結(jié)構(gòu)體,用作初始化及配置編碼器。該函數(shù)功能是在CE引擎的基礎(chǔ)上創(chuàng)建編碼器算法實(shí)例,初始化并分配H.264編碼器,程序運(yùn)行的實(shí)際效果,隨該函數(shù)參數(shù)的不同而變化。
(3) VIDENC_Status encStatus=VIDENC_control(*enc,XDM_SETPARAMS,&encDynParams,&encStatus)。文中使用的是720×480的視頻圖像格式,其中encDynParams代表VIDENC_DynamicParams結(jié)構(gòu)體,encStatus代表VIDENC_Status結(jié)構(gòu)體。該函數(shù)的作用為配置圖像的寬和高、比特率、碼率、幀率、輸入視頻格式等,而且該函數(shù)還可以改變創(chuàng)建編碼器的效果。
(4) Int32 retVal= VIDENC_process(enc,&inBufDesc, &outBufDesc, &encInArgs, &encOutArgs)。其中inBufDesc、outBufDesc代表XDM_BufDesc結(jié)構(gòu)體,encInArgs代表VIDENC_InArgs結(jié)構(gòu)體,encOutArgs代表VIDENC_OutArgs結(jié)構(gòu)體。該函數(shù)為視頻數(shù)據(jù)處理的核心部分,經(jīng)編碼壓縮處理后的數(shù)據(jù)存放于outBufDesc中,同時(shí)outBufDesc中的數(shù)據(jù)是進(jìn)行下一步視頻解碼的關(guān)鍵。
H.264解碼部分:
(1) VIDDEC_Handle *dec = VIDDEC_create(*ce, decoderName, &vdecParams)。decoderName代表H.264解碼器[8]的名稱(chēng)h264dec,vdecParams代表H.264視頻解碼器的靜態(tài)參數(shù)結(jié)構(gòu)體VIDDEC_Params,用于初始化及配置解碼器的參數(shù)。該函數(shù)功能是在CE引擎的基礎(chǔ)上創(chuàng)建解碼器算法實(shí)例,初始化并分配H.264解碼器,程序運(yùn)行的實(shí)際效果,隨該函數(shù)參數(shù)的不同而變化。
(2) VIDDEC_Status decStatus=VIDDEC_control(*dec,XDM_SETPARAMS,&decDynParams,&decStatus)。其中,decDynParams代表VIDDEC_DynamicParams結(jié)構(gòu)體,decStatus代表VIDDEC_Status結(jié)構(gòu)體。該函數(shù)的作用為配置圖像的寬和高、幀率、碼率、輸入數(shù)據(jù)的大小端格式等。
(3) Int32 retVal= VIDDEC_process(dec, &inBufDesc, &outBufDesc, &decInArgs, &decOutArgs)。其中,inBufDesc、outBufDesc代表XDM_BufDesc結(jié)構(gòu)體,decInArgs代表VIDDEC_InArgs結(jié)構(gòu)體,decOutArgs代表VIDDEC_OutArgs結(jié)構(gòu)體。該函數(shù)為視頻數(shù)據(jù)處理的核心部分,經(jīng)解碼處理后的數(shù)據(jù)存放于outBufDesc中,同時(shí)outBufDesc中的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行視頻顯示。
2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊
2.3.1 服務(wù)器端設(shè)計(jì)
服務(wù)器端的功能主要有:攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)傳輸給H.264編碼器進(jìn)行編碼,壓縮編碼生成H.264碼流之后,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸線(xiàn)程將H.264碼流發(fā)送給遠(yuǎn)端的H.264解碼客戶(hù)端。
服務(wù)器端程序(見(jiàn)圖4):①通過(guò)調(diào)用socket()函數(shù)創(chuàng)建套接字,該函數(shù)中需要使用no-copy型的數(shù)據(jù)流式套接字類(lèi)型(SOCK_STREAMNC)及IPPROTO_TCP(TCP協(xié)議[9]);②通過(guò)函數(shù)bind()實(shí)現(xiàn)IP和端口Port的綁定;③使用listen()函數(shù)對(duì)①中的套接字監(jiān)聽(tīng);④在監(jiān)聽(tīng)套接字的基礎(chǔ)上,等待客戶(hù)端的連接請(qǐng)求,通過(guò)函數(shù)accept()實(shí)現(xiàn);⑤假如監(jiān)聽(tīng)到有客戶(hù)端登入服務(wù)器,便向客戶(hù)端發(fā)送H.264碼流信息(大小和數(shù)據(jù)),通過(guò)函數(shù)send()實(shí)現(xiàn);⑥發(fā)送完成后向編碼線(xiàn)程發(fā)送消息,此時(shí)網(wǎng)絡(luò)程序再度進(jìn)入掛起狀態(tài),等待下一次H.264碼流的到來(lái)。⑦若并未監(jiān)聽(tīng)到任何的連接請(qǐng)求或是新接入的套接字無(wú)效,則直接將其關(guān)閉,并終止網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)程。
圖4 服務(wù)器端任務(wù)線(xiàn)程執(zhí)行圖示
2.3.2 客戶(hù)端設(shè)計(jì)
客戶(hù)端的功能主要有:通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收線(xiàn)程接收來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)的H.264碼流,然后由H.264解碼線(xiàn)程[10]進(jìn)行解碼處理,解碼完成后進(jìn)行LCD設(shè)備的顯示或在上位機(jī)軟件上顯示。
客戶(hù)端程序(見(jiàn)圖5):①首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)套接字的創(chuàng)建,通過(guò)調(diào)用socket()函數(shù)實(shí)現(xiàn),該函數(shù)中需要使用no-copy型的數(shù)據(jù)流式套接字類(lèi)型(SOCK_STREAMNC)及IPPROTO_TCP(TCP協(xié)議);②使用connect()函數(shù)向遠(yuǎn)端服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求(請(qǐng)求的IP:192.168.1.120,Port:8000);③假如已經(jīng)登錄到服務(wù)器中,此時(shí)便可以接受遠(yuǎn)端服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的H.264碼流信息,通過(guò)調(diào)用函數(shù)recv()[11]實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受;④網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)程接收到數(shù)據(jù)之后便處于掛起狀態(tài)并向解碼線(xiàn)程發(fā)送消息,在解碼線(xiàn)程解碼完網(wǎng)路傳輸過(guò)來(lái)的H.264碼流之后,就可以在LCD上進(jìn)行顯示,此時(shí),解碼線(xiàn)程會(huì)向網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)程發(fā)送解碼、顯示完成的消息;⑤假如網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)程受到解碼線(xiàn)程發(fā)送來(lái)的消息則會(huì)繼續(xù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收,而沒(méi)有收到解碼線(xiàn)程發(fā)送的消息的話(huà),則會(huì)一直處于掛起狀態(tài),直至接收到消息為止。
圖5 客戶(hù)端任務(wù)線(xiàn)程執(zhí)行程序
2.4 多線(xiàn)程調(diào)度模塊設(shè)計(jì)
DSP需要完成的功能包括:采集、編碼、傳輸、接收、解碼、顯示以及NDK的初始化[7]等功能。各模塊所要完成的任務(wù)是相對(duì)獨(dú)立的,所以每個(gè)模塊,對(duì)應(yīng)地建立一個(gè)線(xiàn)程負(fù)責(zé)功能的運(yùn)作。本系統(tǒng)對(duì)于線(xiàn)程之間的同步機(jī)制使用的是郵箱傳遞消息的方法。共需要設(shè)置以下8個(gè)郵箱(通過(guò)在IPNC_Server_H264.tcf文件和IPNC_Client_H264.tcf中靜態(tài)創(chuàng)建郵箱對(duì)象)。
服務(wù)器端:
bios.MBX.create ("VIDEO2ENC"); bios.MBX.create ("ENC2VIDEO");
bios.MBX.create ("ENC2NET"); bios.MBX.create ("NET2ENC");
客戶(hù)端:
bios.MBX.create ("VIDEO2DEC"); bios.MBX.create ("DEC2VIDEO");
bios.MBX.create ("DEC2NET"); bios.MBX.create ("NET2DEC");
Msg結(jié)構(gòu)體(全局?jǐn)?shù)據(jù)[12])中包含數(shù)據(jù)幀緩沖、數(shù)據(jù)量大小兩部分。對(duì)于以上郵箱中消息的傳遞及接收,使用MBX_post()和MBX_pend()可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。例如:服務(wù)器端MBX_post(&VIDEO2ENC,&msg,SYS_FOREVER)代表視頻采集完成后,將采集到的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)郵箱[13],將消息傳遞給H.264編碼器。該系統(tǒng)完成了一系列的初始化之后中,H.264編碼任務(wù)線(xiàn)是處于掛起狀態(tài)的,而該功能是通過(guò)MBX_pend(&VIDEO2ENC,&msg,SYS_FOREVER)這個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)接收到來(lái)自于視頻采集任務(wù)發(fā)送過(guò)來(lái)的消息之后,便進(jìn)行編碼操作;客戶(hù)端:網(wǎng)絡(luò)接收、視頻解碼、視頻顯示部分中涉及的4個(gè)郵箱及相關(guān)Msg消息的線(xiàn)程間數(shù)據(jù)同步與服務(wù)器端的視頻采集、視頻編碼、網(wǎng)絡(luò)發(fā)送是相同的。
在采集模塊程序中添加視頻文件寫(xiě)入本地硬盤(pán)操作,將每次采集的視頻數(shù)據(jù)寫(xiě)入*.yuv格式的文件中,然后使用Raw player軟件對(duì)文件進(jìn)行查看。測(cè)試參數(shù)如表1所示,測(cè)試實(shí)例如圖6所示。
表1 512 Kb/s碼率下視頻數(shù)據(jù)編、解碼的測(cè)試參數(shù)
(a) CCD攝像頭采集的(Raw)圖像
(b) H.264解碼后的視頻數(shù)據(jù)512 Kbps碼率
以上為視頻處理及傳輸系統(tǒng)的綜合演示實(shí)例,連接點(diǎn)有:①服務(wù)器;②客戶(hù)端;③PC機(jī)。三者處于同一網(wǎng)段,并通過(guò)D-Link交換機(jī)進(jìn)行連接,其中服務(wù)器端IP地址為:192.168.1.120,客戶(hù)端IP地址為:192.168.1.226,PC機(jī)端IP地址為:192.168.1.110。
通過(guò)實(shí)際測(cè)試,攝像頭采集數(shù)據(jù)后通過(guò)H.264編碼器進(jìn)行處理,待處理完成后,將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給客戶(hù)端,其中客戶(hù)端文中使用上位機(jī)或開(kāi)發(fā)板客戶(hù)端均可接受H.264碼流,接收到數(shù)據(jù)之后開(kāi)始進(jìn)行H.264解碼,解碼完成后便可以進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)在H.264 Baseline Profile編碼下30幀/s、512 Kb/s碼率下,DSP的負(fù)載在43%左右,視頻效果非常好。
本文在達(dá)芬奇技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行視頻處理及傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),以DM6437為硬件設(shè)計(jì)平臺(tái),嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS[14]為基礎(chǔ),以及在網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)工具包NDK的協(xié)同配合下,設(shè)計(jì)出具備H.264編/解碼功能的視頻傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低碼率、高清晰度的視頻處理與傳輸??蓮V泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求高,帶寬限制的視頻監(jiān)控與傳輸?shù)阮I(lǐng)域。
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堅(jiān)持傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展,注重對(duì)學(xué)生探索精神、科學(xué)思維、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
——摘自《教高[2005]8號(hào)文件》
Design of Video Processing and Transmission System Based on DSP
BAIJie,MENGLingjun,ZHANGHuihui
(Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory; Key Lab of Instrumentation Science & Dynamic Measurement, North University of China, Taiyuan 030051, China)
Using DSP as the hardware platform, software design and implementation of embedded video system were studied. The scheme of DSP core+DSP/BIOS program was proposed. Based on embedded real-time operating system DSP/BIOS, the DaVinci technology was used to design respectively video capture, H.264 encoding/decoding devices, network transmission, display and other software modules. The design solved the problem of video processing and real-time transmission with low bit rate and high-definition. After testing, all functions were realized. The system has high-performance and low-cost, can be widely applied in monitoring and real-time video transmission.
digital signal processing (DSP); video processing; transmission system
2016-07-20
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61274103)
白 杰(1990-),男,山西呂梁人,碩士生,主要從事測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器方向的研究。
Tel.:18734920678;E-mail:18734920678@qq.com
孟令軍(1969-),男,山東青島人,博士,副教授,主要研究方向:動(dòng)態(tài)測(cè)試,圖像處理。
TP 393.09
A
1006-7167(2017)03-0111-05