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摘要：传统的视频监控系统往往采用模拟摄像头作为图像采集单元，无法满足人们对高清晰度视频图像处理的需求。本文研究了嵌入式高清网络摄像机的设计与实现方案。该方案充分利用TI公司的TMS320DM365的高性能、低功耗、高集成性的特点，可输出最大分辨率720P@30fps的H.264高清视频图像。系统具有较强的实用性。
关键词：高清；网络摄像机；TMS320DM365
中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 24-0000-02
Design and Implementation of Embedded HD Network Camera
Mu Xiaoyan,Zang Miao,Luo Can,Yang Chenyan
(North China University of Technology,Beijing100144)
Abstract:Generally,traditional video monitoring system uses analog camera as the image acquisition unit,it cannot satisfy people request for high definition video image process.This paper researches the design and implementation scheme of embedded HD network camera.This system can output the H.264 HD video stream with the definition of 720P@30fps making full use of the high performance,low power consumption and high integration of TMS320DM365 of TI company,thus the system is usable.
KeyWords:High Definition;Network Camera;TMS320DM365
一、引言
随着计算机网络和数字多媒体技术的发展，数字化网络视频监控系统已广泛应用于安防、金融、教育、城市交通等各个领域。网络摄像机作为网络视频监控系统的前端，在整个系统中起着举足轻重的地位。它能够采集视频图像，并将其处理、存储后，再利用现有网络技术，传输到远端的监控中心。
目前网络摄像机大多采用普通模拟摄像头作为图像采集单元，图像分辨率较低；视频处理器的能力也较低，不足以实现高清度视频压缩编码，也无法实现视频分析等视觉监控功能。但在实际监控应用中，经常需要高清晰图像的视频通信，本文给出了一种高清晰度网络摄像机的设计与实现方案。
所谓高清网络摄像机，其分辨率必须达到720p。根据美国电影电视工程师协会（SMPTE）制定的HDTV标准，符合高清视频的格式主要有三种：720p（1280×720分辨率，逐行扫描）、1080i（1920×1080分辨率，隔行扫描）；1080p（1920×1080分辨率，逐行扫描）。根据该标准，对应于视频监控系统，采用模拟摄像机的模数混合监控，最高分辨率只能达到D1的分辨率704×576，约4O万像素，仍然是标准清晰度图像。而采用网络摄像机的数字视频监控，如果要达到高清的标准，网络摄像机的分辨率至少要达到l280×720的标准，约90万像素，是模数混合监控的两倍多。
二、系统硬件设计
高清网络摄像机需要将大量的视频信息压缩到适合网络带宽传输的大小，因此，需要具有很高计算能力的处理器。而处理器计算能力的提高通常又伴随着处理器功耗的大幅提高。本文选择美国TI公司的TMS320DM365视频处理芯片。该芯片基于CPU+ASIC结构，有效解决了功耗与性能之间的矛盾问题。基于TMS320DM365的网络摄像机系统硬件设计方框图如图1所示。
由图1可见，TMS320DM365是系统主处理器，它能够控制图像传感器采集视频图像信号，并将采集的原始视频图像送入主处理器，经DM365完成图像预处理、压缩编码以及SD卡的存储，再通络接口将压缩的视频图像信号传输到远端监控中心。
图像传感器作为网络摄像机的视频图像采集单元，起到将光信号转变成视频图像电信号的作用。系统使用APTINA公司的MT9P031数字图像传感器。它是一款CMOS传感器，活动图像像素分辨率为2592*1944，通过两线串口即可编程。与CCD传感器相比，CMOS传感器功耗低、集成度高、响应速度快、成本低，但灵敏度稍差。不过，随着工艺技术的发展，CMOS图像传感器的灵敏度正在得到快速改善。由于高清监控系统处理数据量大，对成本又非常敏感，因此可以预见，CMOS传感器将是未来高清视频监控系统中广泛使用的图像传感器。
由于DM365内部集成了网络控制器，网络部分只要采用以太网收发器(PHY)与DM365直接相连即可。本系统采用DAVICOM公司的DM9161.B芯片作为网络收发器。支持10/100M自适应以太网传输。
三、系统软件设计
（一）系统软件开发环境
本系统采用嵌入式Linux系统作为系统软件平台。版本号为Redhat Enterprise Linux 6.0。Linux是开放源码，用户可方便的裁减内核、增加设备、修改底层软件，同时内核具备完整的TCP/IP协议栈，可方便的开发网络应用程序。
嵌入式Linux系统软件的交叉开发环境由服务器端和目标平台两部分组成。本系统服务器端为基于Intel X86和Linux的PC，目标平台即网络摄像机开发板。应用程序在服务器端编辑、交叉编译完成后下载到目标平台上运行。对应用程序的调试主要是借助于调试工具如目标平台的串口和网络实现。本系统使用的交叉编译工具为mvl_5_0_0_demo_lsp_setuplinux_02_10_00_14.bin。
（二）Bootloader引导加载程序
BootLoader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序，DM365在芯片内部硬件实现。上电后DM365执行Bootloader，将固化在Flash中的软件代码自动装载到RAM和DM365片上内存的指定地址。然后运行软件，完成对各硬件单元的初始化。
系统使用UBOOT 1.3.4，根据目标板硬件配置，对其进行必要的修改配置编译通过后，使用仿真器烧写至SPI Flash。重新上电后，UBOOT从SPI启动，在UBOOT命令行下通过配置启动参数可以完成从SPI Flash或通过NFS方式启动Kernel和文件系统。
（三）UBOOT添加新设备
在第三方开发包dvsdk_dm365_setuplinux_2_10_01_18.bin的基础上，添加图像传感器驱动程序。包括I2C对图像传感器的配置和外部对图像传感器的触发，如曝光开始、自动曝光设置等两部分。
（四）用户应用程序
本系统用户应用软件架构如图2所示。
由图2可见，系统用户应用程序包括视频采集、嵌入式Web服务器和流媒体服务器。三部分协同工作保证客户端浏览器上能够显示出所请求的页面。
系统的视频采集模块负责从摄像头中读取视频流数据。读出的图像数据交由压缩模块处理。摄像头驱动程序加载完成后为了需加入Video4Linux模块才能进行视频采集。它是Linux Kernel中提供的一组支持音视频的APIs，可以通过模块提供的编程接口从摄像头设备中获取图像帧。
嵌入式Web服务器主要功能是监听客户端的服务请求，根据用户请求完成网页传输、IP网络参数或视频参数等的修改与配置。本系统采用boa Web服务器作为嵌入式Web服务器，通过交叉编译boa原程序，然后通过修改配置文件boa.conf实现对web服务器的控制。
流媒体服务器采用RTP协议传输H.264视频流，采用TCP协议发送系统控制指令。TCP协议是面向连接的可靠传输协议，使用该协议传输信息包很小的操作控制命令，如图像分辨率、亮度等，可保证控制命令传输的准确性。RTP是用于Internet上针对多媒体数据流的一种传输协议。RTP通常使用UDP来传送数据。UDP协议是面向非连接的不可靠传输协议，用来传输压缩编码后的视频数据流，保证传输效率。系统采用开源的流媒体库Live555，支持标准的RTP/RTCP、RTSP协议，便于移植和集成。
四、总结
本文研究了一种基于TMS320DM365的高清网络摄像机的设计与实现方法。经浏览器访问网络摄像机IP地址，得到页面结果如图3所示。系统画面播放流畅、图像质量清晰，满足设计要求。输出图像最大分辨率可达720p@30fps。由于系统体积较小，安装简单，因此可广泛应用于各种视频监控场所。本课题受到2011年北京市大学生科研与创业项目资助。在此表示感谢！
图3 浏览器显示结果
参考文献：
[1]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM365 Digital Media System-on-Chip,2009,12
[2]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM36X Digital Media System-on-Chip(DMSoC)Video Processing Front End(VPFE)User’s Guide,2010,11
[3]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM36X Digital Media System-on-Chip(DMSoC)Video Processing Back End(VPBE)User’s Guide,2010,7
[4]www.aptina.com.MT9p031 data sheet
[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM36X Digital Media System-on-Chip(DMSoC)Ethernet Media Access Controller(EMAC)User’s Guide,2010,12
[6]曹少坤,刘国繁,李云松.一种嵌入式网络摄像机的设计[J].微计算机应用,2008,10:69-73
[7]刘志强.澄清高清网络摄像机的几大基本问题[J].中国安防,2010,3:40-42
[8]蔡荣,唐慧明,高国鲁.一种高清晰度网络摄像机的硬件设计[J].安防科技,2007,6:63-65
关键词：高清；网络摄像机；TMS320DM365
中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 24-0000-02
Design and Implementation of Embedded HD Network Camera
Mu Xiaoyan,Zang Miao,Luo Can,Yang Chenyan
(North China University of Technology,Beijing100144)
Abstract:Generally,traditional video monitoring system uses analog camera as the image acquisition unit,it cannot satisfy people request for high definition video image process.This paper researches the design and implementation scheme of embedded HD network camera.This system can output the H.264 HD video stream with the definition of 720P@30fps making full use of the high performance,low power consumption and high integration of TMS320DM365 of TI company,thus the system is usable.
KeyWords:High Definition;Network Camera;TMS320DM365
一、引言
随着计算机网络和数字多媒体技术的发展，数字化网络视频监控系统已广泛应用于安防、金融、教育、城市交通等各个领域。网络摄像机作为网络视频监控系统的前端，在整个系统中起着举足轻重的地位。它能够采集视频图像，并将其处理、存储后，再利用现有网络技术，传输到远端的监控中心。
目前网络摄像机大多采用普通模拟摄像头作为图像采集单元，图像分辨率较低；视频处理器的能力也较低，不足以实现高清度视频压缩编码，也无法实现视频分析等视觉监控功能。但在实际监控应用中，经常需要高清晰图像的视频通信，本文给出了一种高清晰度网络摄像机的设计与实现方案。
所谓高清网络摄像机，其分辨率必须达到720p。根据美国电影电视工程师协会（SMPTE）制定的HDTV标准，符合高清视频的格式主要有三种：720p（1280×720分辨率，逐行扫描）、1080i（1920×1080分辨率，隔行扫描）；1080p（1920×1080分辨率，逐行扫描）。根据该标准，对应于视频监控系统，采用模拟摄像机的模数混合监控，最高分辨率只能达到D1的分辨率704×576，约4O万像素，仍然是标准清晰度图像。而采用网络摄像机的数字视频监控，如果要达到高清的标准，网络摄像机的分辨率至少要达到l280×720的标准，约90万像素，是模数混合监控的两倍多。
二、系统硬件设计
高清网络摄像机需要将大量的视频信息压缩到适合网络带宽传输的大小，因此，需要具有很高计算能力的处理器。而处理器计算能力的提高通常又伴随着处理器功耗的大幅提高。本文选择美国TI公司的TMS320DM365视频处理芯片。该芯片基于CPU+ASIC结构，有效解决了功耗与性能之间的矛盾问题。基于TMS320DM365的网络摄像机系统硬件设计方框图如图1所示。
由图1可见，TMS320DM365是系统主处理器，它能够控制图像传感器采集视频图像信号，并将采集的原始视频图像送入主处理器，经DM365完成图像预处理、压缩编码以及SD卡的存储，再通络接口将压缩的视频图像信号传输到远端监控中心。
图像传感器作为网络摄像机的视频图像采集单元，起到将光信号转变成视频图像电信号的作用。系统使用APTINA公司的MT9P031数字图像传感器。它是一款CMOS传感器，活动图像像素分辨率为2592*1944，通过两线串口即可编程。与CCD传感器相比，CMOS传感器功耗低、集成度高、响应速度快、成本低，但灵敏度稍差。不过，随着工艺技术的发展，CMOS图像传感器的灵敏度正在得到快速改善。由于高清监控系统处理数据量大，对成本又非常敏感，因此可以预见，CMOS传感器将是未来高清视频监控系统中广泛使用的图像传感器。
由于DM365内部集成了网络控制器，网络部分只要采用以太网收发器(PHY)与DM365直接相连即可。本系统采用DAVICOM公司的DM9161.B芯片作为网络收发器。支持10/100M自适应以太网传输。
三、系统软件设计
（一）系统软件开发环境
本系统采用嵌入式Linux系统作为系统软件平台。版本号为Redhat Enterprise Linux 6.0。Linux是开放源码，用户可方便的裁减内核、增加设备、修改底层软件，同时内核具备完整的TCP/IP协议栈，可方便的开发网络应用程序。
嵌入式Linux系统软件的交叉开发环境由服务器端和目标平台两部分组成。本系统服务器端为基于Intel X86和Linux的PC，目标平台即网络摄像机开发板。应用程序在服务器端编辑、交叉编译完成后下载到目标平台上运行。对应用程序的调试主要是借助于调试工具如目标平台的串口和网络实现。本系统使用的交叉编译工具为mvl_5_0_0_demo_lsp_setuplinux_02_10_00_14.bin。
（二）Bootloader引导加载程序
BootLoader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序，DM365在芯片内部硬件实现。上电后DM365执行Bootloader，将固化在Flash中的软件代码自动装载到RAM和DM365片上内存的指定地址。然后运行软件，完成对各硬件单元的初始化。
系统使用UBOOT 1.3.4，根据目标板硬件配置，对其进行必要的修改配置编译通过后，使用仿真器烧写至SPI Flash。重新上电后，UBOOT从SPI启动，在UBOOT命令行下通过配置启动参数可以完成从SPI Flash或通过NFS方式启动Kernel和文件系统。
（三）UBOOT添加新设备
在第三方开发包dvsdk_dm365_setuplinux_2_10_01_18.bin的基础上，添加图像传感器驱动程序。包括I2C对图像传感器的配置和外部对图像传感器的触发，如曝光开始、自动曝光设置等两部分。
（四）用户应用程序
本系统用户应用软件架构如图2所示。
由图2可见，系统用户应用程序包括视频采集、嵌入式Web服务器和流媒体服务器。三部分协同工作保证客户端浏览器上能够显示出所请求的页面。
系统的视频采集模块负责从摄像头中读取视频流数据。读出的图像数据交由压缩模块处理。摄像头驱动程序加载完成后为了需加入Video4Linux模块才能进行视频采集。它是Linux Kernel中提供的一组支持音视频的APIs，可以通过模块提供的编程接口从摄像头设备中获取图像帧。
嵌入式Web服务器主要功能是监听客户端的服务请求，根据用户请求完成网页传输、IP网络参数或视频参数等的修改与配置。本系统采用boa Web服务器作为嵌入式Web服务器，通过交叉编译boa原程序，然后通过修改配置文件boa.conf实现对web服务器的控制。
流媒体服务器采用RTP协议传输H.264视频流，采用TCP协议发送系统控制指令。TCP协议是面向连接的可靠传输协议，使用该协议传输信息包很小的操作控制命令，如图像分辨率、亮度等，可保证控制命令传输的准确性。RTP是用于Internet上针对多媒体数据流的一种传输协议。RTP通常使用UDP来传送数据。UDP协议是面向非连接的不可靠传输协议，用来传输压缩编码后的视频数据流，保证传输效率。系统采用开源的流媒体库Live555，支持标准的RTP/RTCP、RTSP协议，便于移植和集成。
四、总结
本文研究了一种基于TMS320DM365的高清网络摄像机的设计与实现方法。经浏览器访问网络摄像机IP地址，得到页面结果如图3所示。系统画面播放流畅、图像质量清晰，满足设计要求。输出图像最大分辨率可达720p@30fps。由于系统体积较小，安装简单，因此可广泛应用于各种视频监控场所。本课题受到2011年北京市大学生科研与创业项目资助。在此表示感谢！
图3 浏览器显示结果
参考文献：
[1]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM365 Digital Media System-on-Chip,2009,12
[2]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM36X Digital Media System-on-Chip(DMSoC)Video Processing Front End(VPFE)User’s Guide,2010,11
[3]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM36X Digital Media System-on-Chip(DMSoC)Video Processing Back End(VPBE)User’s Guide,2010,7
[4]www.aptina.com.MT9p031 data sheet
[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM36X Digital Media System-on-Chip(DMSoC)Ethernet Media Access Controller(EMAC)User’s Guide,2010,12
[6]曹少坤,刘国繁,李云松.一种嵌入式网络摄像机的设计[J].微计算机应用,2008,10:69-73
[7]刘志强.澄清高清网络摄像机的几大基本问题[J].中国安防,2010,3:40-42
[8]蔡荣,唐慧明,高国鲁.一种高清晰度网络摄像机的硬件设计[J].安防科技,2007,6:63-65