基于3G的无线实时视频监控系统设计

计算机工程与设计ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄＤｅｓｉｇｎ　２０１１，Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．１２　４０１５　基于３　Ｇ的无线实时视频监控系统设计　胡　平，　韩　兴　（南京工业大学电子信息与工程学院，江苏南京２ｌ１８１６）　摘　要：设计并实现了一种基于３ＧＷＣＤＭＡ无线网络的远程视频实时监控系统，该系统以Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＣＹ８Ｃ５２芯片、ＴＩ公　司的ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２芯片以及华为公司的ＥＭ７７０Ｗ通信模块为核心，融合了嵌入式、视频压缩、无线通信等技术，实现了视频　的采集、压缩、传输、解码、显示等功能。该系统还对压缩模块中ＤＳＰ编码选项和ＭＰＥＧ一４算法进行了优化，减少了运算量，提　高了编码效率，使系统的信号处理能力得到了很大改善。　关键词：嵌入式；赛普拉斯；视频采集；视频传输；视频监控；无线网络通信　中图法分类号：ＴＰ３７　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—７０２４（２０１１）１２—４０１５。０５　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｖｉｄｅｏ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　３Ｇ　ＨＵＰｉｎｇ，ＨＡＮＸｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１１８１６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｒｅｍｏｔｅ　ｖｉｄｅｏ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　３Ｇ　ＷＣＤＭＡ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＣＹ８Ｃ５２　ｃｈｉｐ　ｆｒｏｍ　ｃｙｐｒｅｓｓ　ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２　ｃｈｉｐ　ｆｒｏｍ　ＴＩ　ａｎｄ　ＥＭ７７０Ｗ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ　ｆｒｏｍ　Ｈｕａｗｅｉ；Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｖｉｄｅｏ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ；Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｖｉｄｅｏ　ｃａｐｔｕｒｅ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｄｅｃｏｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｙ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｌｓｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｏｆＤＳＰ　ｃｈｉｐ　ａｎｄ　ＭＰＥＧ－４　ｗｉｔｈｉｎ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ，ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｄｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｉｓ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ；ｃｙｐｒｅｓｓ；ｖｉｄｅｏ　ｃａｐｔｕｒｅ；ｖｉｄｅｏ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｖｉｄｅｏ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　

０　引　言　近年来，网络带宽、图像处理技术和微处理器能力的迅速　提高使实时视频监控技术得到了飞速发展，视频监控向着智　能化、多性能、高功能的方向不断发展，强大的系统控制管理　功能和智能化监控是目前视频监控研究开发的热点。本文利　用ＷＣＤＭＡ　３Ｇ无线网络，设计了一款基于ＰＳｏＣ和ＤＳＰ的双　处理器无线视频监控平台，融合了嵌入式、图像处理、无线通　信等技术。系统采用了Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＣＹ８Ｃ５２处理器，ＴＩ公　司的ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２数字信号处理器以及华为公司的　ＥＭ７７０Ｗ３Ｇ通信模块。ＣＹ８Ｃ５２负责外围电路及整个系统的　控制，ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２负责视频数据的压缩，ＥＭ７７０Ｗ负责视　频数据的封装与传输。系统还对图像压缩和网络传输进行了　优化，既实现了图像的高效压缩，又充分利用了网络带宽。　

１视频监控系统的总体结构　整个监控系统主要由监控终端和监控中心两大部分组　成。监控终端包括视频采集模块、视频压缩模块、网络传输模　

块。在视频监控终端，首先将摄像头采集到的模拟信号转换　成数字信号，数字信号直接送入ＤＳＰ进行ＭＰＥＧ．４格式标准　的压缩处理，生成的码流放入缓冲区。３Ｇ通信模块ＥＭ７７０Ｗ　读取由控制器ＰＳｏＣ传入的视频数据信息，将数据封装成ＵＤＰ　包，最后通过ＷＣＤＭＡ网络发送ＵＤＰ包。ＣＹ８Ｃ５２是Ｃｙｐｒｅｓｓ　公司的ＰＳｏＣ５系列的高性能处理器，它以基于ＡＲＭ７ｖ架构的　ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３为内核，ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３采用哈佛结构，使用　分离的指令和数据总线，它还采用ＴＨＵＭＢ．２指令集，最大限　度降低了汇编器使用率。ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２是ＴＩ公司Ｃ６０００系　列的ＤＳＰ，其核心是Ｃ６４１６型高性能数字信号处理器，具有极　强的处理性能，高度的灵活性和可编程性，同时外围集成了非　常完整的音频、视频和网络通信等设备及接口。ＥＭ７７０Ｗ是　华为公司的３Ｇ无线模块，它支持ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，具有强大的　信息传输功能。　监控终端还可以接受监控中心的控制指令，根据指令要　求进行摄像头的镜头伸缩，以及其电源开关控制。在监控中　心，将接收到的ＵＤＰ包拆包处理后放入缓冲区进行解码，解　码后的数据信息可直接进行播放，或存入数据库，用户可根据　

收稿日期：２０１１－Ｏｌ一１０；修订日期：２０１１－０３—２１。　作者简介：胡平（１９６２一），男，江苏南京人，副教授，硕士生导师，研究方向为嵌入式系统、信号处理；　韩兴（１９８６一），男，江苏扬州人，硕　士，研究方向为嵌入式系统、信号处理。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｎｇｘｉｎｇｈａｎ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ　４０１６　２０１１，Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．１２　计算机工程与设计Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　自己的要求进对历史监控数据调用播放。本系统具有系统稳　定、移动方便、传输速度快等优点。整个系统结构框图如图　１所示。　

控制模块　编码模块　

无线网络　

监控终端　监控中心　图１　系统结构框架　

２系统的主要模块设计　２．１数据的采集与压缩　本系统采用的是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＳＡＡ７１１３视频采集芯片。　这是一款高性能的图像采集处理器，它内部包含四路模拟处　理通道，可以选择视频信号源并可抗混叠滤波，同时还可以进　行模数转换、自动箝位、自动增益控ＳｔＪ（ＡＯＣ）、时钟产生（ＣＧＣ）、　多制式解码，另外还可以对亮度、对比度和饱和度进行控制。　摄像头采集到的模拟信号通过ＳＡＡ７１１３进行数字化处理，　ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２将输出的数字信号通过ＥＤＭＡ传送到ＳＤＲＡＭ　中以供使用。ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２的视频接口与ＳＡＡ７１１３相连接，　通过Ｉ２Ｃ总线读出ＳＡＡ７１１３内部寄存器参数的配置和状态。　监控终端收到监控中心发出的指令后，立即启动监控端　设备并初始化采集芯片，并写入控制指令使视频采集芯片开　始工作，然后设置帧格式、帧间隔、数据帧等信息。系统从串　口读取所采集到的视频数据，并将数据存入缓存，同时搜索缓　存中是否有完整的数据帧，如果有则将其调用，进行压缩打包　后等待发送，如果没有则继续读取所采集到的数据帧。视频　数据采集流程图如图２所示。　

开始　主　启动设备　

初始化采集芯片　写入控制指令，采集　芯片开始工作　

设置帧格式、　帧间隔、数据　帧的缓存区等信息　

采集图像数据　存入缓存　桑集结　＼／　ｉ　．　关闭设备　Ｊ　结束　图２视频数据采集流程　视频数据压缩时，需要处理的信息量大，且计算较为复　杂，对硬件的要求比较高。本系统采用具有强大的算术运算　功能的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２作为视频压缩的处理器，实　现ＭＰＥＧ．４编码标准的视频数据压缩。系统还采用两片　ＭＴ４８ＬＣ４Ｍ３２Ｂ２．６　ＳＤＲＡＭ芯片，在ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２的片外扩　展了３２Ｍｂｙｔｅｓ的ＳＤＲＡＭ。ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２的ＥＭＩＦ提供了对　ＳＤＲＡＭ的直接支持，在ＣＥ０空间提供了６４ｂｉｔ宽的ＳＤＲＡＭ接　口总线，３２Ｍｂｙｔｅｓ的ＳＤＲＡＭ空间来储存程序和信息数据。　系统将所获得的图像数据由ＹＵＶ４：２：２格式进行重抽样　变为ＹＵＶ４：２：０格式，再提供给编码库程序，完成对输入帧的　ＭＰＥＧ．４标准编码。为了提高压缩比，本系统采用了帧内压缩　和帧间压缩两种技术。帧内压缩可以减少的帧内的空间冗余，　帧问压缩用来减少视频图像时间的冗余。首先对ＶＯＰ进行　形状信息编码，取得任意形状的ＶＯＰ采样。然后对每个ＶＯＰ　划分成互补相交的１６ｘ１６宏块，再将宏块分为４个８×８的块进　行运动估计，运动补偿纹理编码。已编码的帧保存在帧缓冲　区中，作为编码其它帧的预测帧，在当前ＶＯＰ帧和已编码的　预测ＶＯＰ之间计算出宏块的运动矢量和运动补偿的残差，对　进行运动补偿后的Ｉ－ＶＯＰ帧和之前计算出的残差进行８ｘ８块　的ＤＣＴ变换。最后对变换后的ＤＣＴ系数进行量化，以及游程　编码和熵编码。ＸＶＩＤ是目前世界上最常用视频编解码的实　现，而且是第一个真正开放源代码的。视频编码流程图如图　３所示。　ｌ　）　主　分配图像数据　变量空间　主　编码参数初始化　设置ｄｑｕａｎｔ，　量化因子等　’　依次读取每个　宏块帧内编码　对宏块进行ＤＣＴ　变换、量化、　Ｚｉｇｚａｇ扫描　

Ｉ　主　将一帧图像编　

码成＿－一个Ｐ帧　

将一帧填充边框后的参考　帧分成８×８的小块，对于　每个小块进行插值　

设置ｄｑｕａｎｔ，　量化因子等　

’　进行运动估计　

运动补偿　

编码流放入缓存　（堡墨）　图３　ＭＰＥＧ．４编解码数据流　

２．２数据的封装与传输　数据在发送前需进行打包和封装，以适应网络的传输。　视频传输模块的主要任务就是对ＭＰＥＧ一４码流进行封装和传　输。本系统采用ＵＤＰ和ＲＴＰ协议对视频图像进行封装，使用　ＩＰ组播放的方式对视频进行传输。首先将视频数据封装成　ＵＤＰ数据包，然后在ＵＤＰ的基础上使用ＲＴＰ协议。ＲＴＰ协议　

帅　撕　一连　

摄