基于DSP的嵌入式视频监测系统的设计与实现

0 引言
    随着经济的飞速发展，人们的安防意识不断增强，视频检测系统越来越广泛地被应用于各行各业。如今，许多商场、银行和智能小区中都安装了红外探头或基于PC机的视频监测系统，由于其价格高昂，可靠性不高，传输距离短、需要有人值守等。针对这种情况，寻求一种方法来改进这一状况，具有很大的实际意义。
    近几年，随着DSP及嵌入式技术的快速发展，采用DSP嵌入式系统的视频设备已在各领域中被广泛应用。本文利用ADSP Blackfin533(BF533)为核心处理器，设计了视频检测系统，实现了视频图像的采集、处理和网络传输，该系统具有体积小、功耗低、性能高、可便携等优点。

1 系统硬件平台设计
    系统工作原理：由图像传感器采集到的图像信号以YUV(4：2：2)的格式输出，通过BF533的PPI接口以DMA方式存入SDRAM。当采集完一帧数据后，BF533从SDRAM中读入数据进行位图数据格式转化，将位图图像数据通过以太网接口传输到远程PC机上，然后系统继续采集下一帧图像。
1．1 处理器
    Blackfin处理器是ADI公司与Intel公司2003年4月联合开发的体现高性能体系结构的首款第四代DSP产品，主要面向嵌入式音频、视频和通信等领域。ADSP-BF533是目前Blackfin系列数字信号处理器中性能较高的一款，具有600MHz的主频、双16位的MAC(乘加器)和两个40位的ALU(算术逻辑单元)、四个8位的视频处理单元、八个算术寄存器、10个地址寻址单元，并且集成了大量的外围设备和存储器接口，每秒运算速度最高达到1200MMAC(兆次乘法加法运算)，并且ADSP-BF533在达到600MHz性能水平时的功耗仅为280mW，能耗很小。在图像处理上的优点更为突出，可针对图像特点运用二维DMA传输数据，大大加快和方便图像数据的传送和处理。ADSP-BF533系列DSP具有接口丰富，性能优良，更具有视频处理接口及独立的视频指令，特别适用于各种音视频、网络设备领域，充分满足了系统技术指标的要求，在实际中获得了广泛的应用。
1．2 图像传感器
    美国Omnivision公司的彩色图像传感器OV7660具有30万像素，芯片的像素阵列达到1300x1280，具有高灵敏度采光、低功耗电源供电等特点且功耗低、体积小，在摄像手机、网络视频等方面应用比较广泛。通过先进的传感器技术，还可以通过减少或者消除图像瑕玷中的普通光／电资源(如固定样式噪音(FPN)、拖尾效应、闪光等)来产生比较清晰、完全、稳定的彩色图像。对于本系统来说，是一种很好的选择。
    0V7660图像传感器，内置自动曝光控制(AEC)、自动增益控制(AGC)、自动白平衡(AWB)等功能，支持SXGA、VGA、QVGA、QQVGA、CIF、QCIF和QQCIF，可输出RGB、YUV和YCbCr等多种视频数据格式。0V7660通过一个专用的Camera Interface接口与核心处理芯片BF533的PPI接口连接，接口电路如图1所示。

为使芯片正常上作，需要通过串行视频控制总线(SCCB)总线来配置OV7660的内部寄存器，使芯片输出格式正确的彩色图像数据。
1. 3 系统硬件结构
    要完成系统的功能，除了处理器和图像采集模块，通过B1ackfin533的丰富接口，在开发过程中还要用到以下模块。
    (1)SDRAM模块为系统提供内核运行、程序运行、数据缓存的空间；
    (2)FLASH模块为系统提供存储空间；
    (3)系统调试、移植、交叉编译、需要UART接口和JTAG调试接口；
    (4)图像数据的网络传输需要以太网接口。
    当然系统还应有电源模块、系统复位电路、时钟模块等，系统硬件结构如图2。
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2 系统的软件设计
    系统的软件部分包括三部分，嵌入式uClinux(操作系统，图像传感器0V7660和网络控制器CS8911A的驱动程序，系统的应用程序。
2．1 嵌入式uClinux操作系统
    本系统采用开源、可剪裁、安全性和实时性好的嵌入式uClinux操作系统作为软件开发平台，保证了系统的稳定性和数据的快速准确传输，并提供了完善的网络支持。uClinux并为应用程序的设计提供了众多API接口函数，方便了编程实现过程。
    嵌入式uClinux系统是由Boot Loader引导程序、系统内核、根文件系统组成。软件交叉编译环境为Windows系统下的coLinux，该操作环境具有模拟uClinux操作系统的功能，在拥有colinux环境的基础上，选择合适的开发工具可以加快开发速度，节省开发成本。软件编程语言为标准C语言，具有良好的可移植性。
2．2 OV7660和CS8911A驱动程序
    Blackfin533 uClinux kernel中带有一些硬件驱动模块，缩短了开发周期。系统上电后，将自动检测视频设备OV7660，视频设备被检测到后，将自动调用在配置内核时已经加载到uClinux中的OV7660的驱动程序模块PPI_ov7660。
    图像数据的网络传输在Linux的平台上采用服务器／客户端模型，网络控制器CS8911A的驱动程序因为已经很成熟了并且对外公开，直接采用了开发好并已经移植到uClinux内核中的设备驱动程序。
2．3 系统应用软件设计
    本系统的应用软件设计分为图像采集设备初始化、数据格式转化和图像的捕捉三部分。视频图像采集的程序流程图如图3。

2．3．1 图像采集设备初始化
    对于uClinux操作系统，它将设备看作文件，因此，想对设备进行读写等操作，应首先打开设备，完成操作后再关闭设备。设备文件的初始化主要针对PPI的／dev／ppifcd设备。本系统可以从4个步骤进行。
    (1)打开视频设备 利用open()函数实现打开PPI视频设备。
    fd_ppi=open(“／dev／ppifcd”，O_RDWR)
    fd_ppi为设备文件描述符。
    (2)获取设备信息 利用相应的ioctl()函数取得设备文件的相关信息，包含设备的基本信息参数(设备名称、支持的最大最小分辨率、信号源信息等)；
    ioctl(fd_ppi，CMD_PPI_GET_VIDEOIN，＆video_in)
    (3)获取影像信息 利用相应的ioctl()函数取得影像支持信息，包含设备采集图像的各种属性参数(色调、亮度、饱和度、对比度、色相等)；
    ioctl(fd_ppi，CMD_PPI_SET_0V7660，＆pictures)
    (4)关闭视频设备利用close()函数关闭PPI视频设备。
    if(fd_ppi)close(fd_ppi)；
2．3．2 数据格式的转化
    本系统开始采集摄像头数据，将数据转化为YUV420格式，在PC上显示的时候采用的是RGB565格式，因此在采集完毕之后必须进行图像数据的格式转换。
    RGB与YUV之间可以相互转化，对应关系如下：

其反变化公式如下
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根据上述关系可以通过编程实现数据格式的转化。
2．3．3 图像的捕捉
    在PPI_ov7660中采用直接读取的方法，直接读取方法比较简单，通过调用read()函数，将输入的图像数据复制到内核缓冲区中，就可以实现对每帧图像的读取。过程如下：
    (1)通过调用函数malloc()为采集的图像数据分配内存；
    in_buff=(unsigned char*)malloc(IMG_SIZE)
    (2)通过调用read()函数将前端采集的图像数据读到in_buf中；
    Fd=read(fd_ppi，in_buff，IMG_SIZE)
    (3)通过调用write()函数将内存中的图像数据写到创建的一个file里。
    fd=fopen(“pic”，“wb”)fwrite(in_buff，l，nOutputBytes，fd)

3 图像的网络传输与显示
    在uClinux平台上采用服务器／客户端模型通过建立TCP套接字来实现网络的连接，本系统通过基于TCP协议的socket编程，完成了图像数据的发送和客户端的接收程序。流程图如图4所示。

 以网络上PC机为客户端，用VC编写图像显示界面。把服务端采集的图像传送至接收端，如图5所示。实验表明，系统每秒采集15帧图像，没有停顿感，满足实时性要求。
    图5 系统采集界面显示

本系统以B1ackfin533为数据处理核心，依托数字图像处理技术和DMA技术，并通过以太网与上位机通信进行数据传输，完成了一个完整的视频监测系统。其设计特点为结构简单、体积小、功耗低、图像分辨率高、成本低廉、结合网络布线。本系统满足实时行要求，具有很大的应用前景。