高速公路上视频监控系统的设计与实现

    一、 前言 

    图像、视频信息是人类认识物质世界最直观的方式, 并且人类从外界获取的信息有70%来自于图像或者视频信息。而视频监控是以计算机、多媒体、网络等技术综合运用形成的一项技术,主要用于进行监视、录像, 达到远程实时监视现场情况、检测异常报警以及历史录像查询的安防系统。通过近年来市场应用情况来,已经在银行、商场、工厂等重要现场都有应用,并有逐步拓展和完善的趋势,甚至在很多居民小区都有应用。但科技的发展也使得人们对视频监视系统提出了更高的要求。主要体现在监控的图像要求清晰度足够高;图像压缩比足够大, 以便节约存储空间;系统具有可扩展性, 能够适应特殊场合的监控。

    高速公路上的视频监控系统是一种监视高速公路运转情况的工具。随着近年来高速公路的迅速发展, 高速公路的管理也越来越趋向无人化和智能化。采用视频监控系统可以实时地了解到高速公路各种情况, 比如车辆超速、违章行驶、交通事故或者其他一些对高速公路损坏的行为。尤其是在一些重要路段, 通过安装视频监控系统, 可以及时地了解到公路上发生的各种情况, 对一些突发事件的处理和日常的维护都有着重要的作用, 因此目前高速公路管理部门对该系统的需求非常迫切。但该系统的设计和一般的视频监控系统还是有区别的。主要体现在两个方面:监控的对象以动态变化的图像为主, 而动态图像的压缩比静态图像要高, 因此要获得较高的数据压缩率, 必须采用更好的视频压缩算法;其二, 高速公路上被监控的车辆大部分是高速行驶中的, 因此要求用于监控的摄像头必须是高速摄像头, 同时用于视频处理的核心芯片也必须要有较强的处理能力和处理速度。

    二、系统总体框架

    视频监控系统的总体框架由三部分组成, 视频采集系统、视频处理系统以及视频传输系统, 如图一所示。本文重点介绍该系统的硬件部分实现, 因此, 将着重介绍三个子系统的具体功能和实现方法。 

图1 高速公路视频监控系统总体框图

    视频采集子系统主要负责捕获现场视频流, 通过视频电缆传输到视频处理子系统。原始视频流经过视频处理子系统进行高性能的压缩编码后, 一方面传输到各个监控室实时显示出来,另一方面将压缩后的视频文件存储到本地服务器上。其中,视频采集子系统主要由高速摄像头、摄像头控制模块、视频流混合传输控制模块、采集卡设备等几部分组成。高速摄像头是该系统的最基础的设备, 由于普通摄像头在监视高速运动物体时往往会变得模糊和难以聚集, 因此必须选择高性能的高速摄像头。摄像头控制模块是一个独立的控制电路, 主要用于对高速摄像头的调节与遥控, 包括镜头光圈和焦距的调节。视频流混合传输控制模块主要用于灵活地切换多路视频流,并将多路视频流混合进行传输。视频采集卡是一个很关键的设备, 主要实现将模拟的视频信号转换成数字信号, 以便视频处理系统进行压缩编码。

    视频编码子系统是整个系统的核心模块, 主要完成对视频采集系统送过来的视频信号进行压缩编码。为了提高系统的总体性能, 本文介绍的视频监控系统采用高性能DSPTMS320C6000 芯片, 该芯片的相关性能特征稍后分析。在视频处理时前提需解决的是视频编码标准的选择。

    对视频的压缩编码, 国际标准化组织(ISO)动态图像专家组(MPEG)陆续制订了MPEG-1、MPEG-2 和MPEG- 4 标准, 现在正在完善MPEG- 4 和制订新的MPEG- 7 和MPEG- 21 标准;国际电信联盟(ITU) 电信标准组织也陆续制订的H261、H263、H263+和H263++标准;Real Networks 公司也推出了Real 流媒体编码标准。其中MPEG- 4 标准是最新的开发性国际标准, 它引入视频对象(VO)概念, 实现了基于对象的视频编码, 提供了面向内容的交互性操作能力。应用了对象模型、Sprite 编码等新技术、新理论, 获得了很好的压缩效果。此外, MPEG- 4 标准最重要的一个特点是增强了视频在时域和空域的扩展性, 通过进行可扩展编码技术的应用, 使得编码系统具有良好的可伸缩性, 从而可以自适应不同带宽的异构网络。正是基于这些原因,该系统采用的视频编码标准是MPEG- 4 标准。

    视频传输子系统主要依托现有的网络传输技术, 采用TCP/IP 协议进行传输, 并在视频编码的过程中采用精细可扩展编码技术, 该技术分时域精细可扩展编码技术和空域精细可扩展编码技术。时域精细可扩展编码技术主要通过调整图像帧率以达到调节码流速率的效果, 当监控的视频对象前后图像帧变化比较小时, 可降低图像帧率。当监控视频对象前后图像帧部分变化比较大时, 比如前后图像中只有运动的汽车有差别, 此时可将视频图像分成若干个视频编码对象, 汽车可作为单独的一个编码对象, 而背景作为另一个编码对象, 编码时, 运动速度快的汽车不改变图像帧率, 以保证视频图像的连续性, 而基本不动的背景图像则大幅度降低帧率, 以此达到降低总码率的效果。空域精细可扩展编码技术采用的是将经过DCT 变换后的视频数据进行分层, 图像数据随之也被分成多个部分, 其中有一个是基本层数据, 其它层的数据累加到基本层数据上之后可以使得图像变的更清晰, 因此当需要降低码率是, 适当丢弃部分扩展层的数据即可达到此效果。

    三、 核心芯片TMS320C6201

    视频处理系统中最核心的是DSP 芯片的选取, 之所以选择DSP芯片, 因为相对于其他微处理器, DSP 处理器的运算功能强大、处理速度快, 更适合于实现各种算法处理。选择DSP 处理器应根据实际应用系统的数据处理量, 在本视频监控系统设计中, DSP 最终要完成ADC 转换数据的实时处理, 实现多点数字式平均算法, 并最终将处理后数据上传给主DSP。DSP 利用硬件中断实现MPEG- 4 视频编码算法。

    由于本系统选择的A/D 转换器的采样速率为1MHz, 即相邻样点之间的时间间隔为1μs, 因此每次采样数据都必须在1μs 的间隔内读取数据并完成实时处理。如果DSP 对取样值的处理时间超过了1μs, 则下一中断请求响应时, 前次中断的数据还没有处理完成, 不能立即响应此中断请求, 最终导致采样数据丢失。在本系统中, 必须选用速度较快的DSP 处理器, 保证数据处理的实时性。此外所选DSP 必须具有功能强大的控制能力、丰富的外围电路、可方便的与各种存储器接口, 通过外部硬件中断完成数据的采集、算法实现、存储,最后将处理数据上传给视频传输子系统, DSP 通过其丰富的外部引脚控制外围电路, 包括AD 芯片、FLASH、SRAM等。

    综合以上考虑, 本信号检测平台和主控制模块的DSP 都选用TI 公司TMS320C6000 系列中的TMS320C6201 作为核心处理器, 它不但具有通用DSP 的特点, 包括程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集等, 更重要的是其工作温度最高可达125℃, 最低可达- 40℃, 适合高速公路这一特殊的工作环境。TMS320C6000 系列的指令周期为1/6ns, 相邻的取样时间间隔为1μs, 则在此时间间隔内DSP 可执行6000 条算术指令。利用DSP 特殊的指令, 在6000 条指令内完全可以实现MPEG-4 视频压缩编码算法。

    TMS320C6201 片内存储器包括程序存储区和数据存储区,其中部分存储区也可作为高速缓存区。内部寻址空间可达4GB, 备有两个高速串行口, 一个是BSP 自动缓冲全双工串行口, 发送和接收都有缓冲, 通过串口控制寄存器控制数据传送方式。传送数据可按字节或字传输, 也可连续传送一段数据(一次最多可传送2K 个字);另一个TDM(时分多路)串口, 可设置为标准同步串口方式传输数据, 两个串口的最高串行数据传输速率可达10Mbps, 有利于减少数据传输时间, 提高监控系统的实时性。

    本系统设计时, 利用外部FLASH 存储DSP 的应用执行程序。FLASH 芯片选用AMD 公司的AM29F010B- 45, 8 位数据线, 17 位地址线(C542 只有16 位地址线, 则AM29F010B 的最高位地址线A16 固定接地, 一直置为低电平), 其容量为1Mbit(128K x 8 bits), 读写时间为45ns。在接口设计时, C542 对FLASH 进行编程和擦写操作的时序搭配非常重要, 以写信号线作为控制线, 则DSP 写操作必须要保持至少45ns 的延迟, 才能将数据写进FLASH, 这就要求高速运行的C542 芯片必须在写操作时加入软件等待, 否则无法实现有效的时序配合。整个以DSP TMS320C6201为核心的视频处理模块连接如图二所示。 

图2 视频处理模块连接图

    四、硬件设计综合技术

    首先是A/D 采样技术的实现, 通过增加ADC 采样位数或提高其采样频率, 可以有效降低量化噪声, 但由于受工艺等限制,ADC 的位数限制在一定的范围内, 同时兼顾后续处理器实际处理数据能力, 保证采样数据实时处理, ADC 的采样频率不宜太高, 否则采集的数据将无法及时处理。对ADC 采样速率和位数的选择将直接影响着后续DSP 处理的运算量, 因此在本系统设计时, 必须考虑监一控系统的实时性要求。本系统中DSP 通过中断读取A/D 转换数据, 然后进行数字式平均算法。要在两次中断时间间隔内完成如此多的运算, 一方面要求处理器的速度要快;另一方面要求处理时间间隔尽可能长, 此可通过适当增加相邻中断的间隔时间来实现, 即降低ADC 的采样速率实现。从提高信噪比的角度考虑, 利用过采样技术, 其采样频率越高越好;但从处理器数据处理的实时性角度出发, 采样频率不宜太高。

    其次是模拟数字混合器件的地线处理, ADC 是含有模拟电路和数字电路的混合集成电路芯片, 数字地和模拟地都有独立的地线引脚。为了避免数字噪声耦合到模拟电路,AD 芯片的模拟地和数字地引脚应以最短距离连接到一起并引到模拟地上。将数字信号和模拟信号远离, 或将模拟信号输入端用地线包围起来, 以降低分布电容耦合。尽量减少回路环的面积, 降低感应噪声。模拟地和数字地分开布线, 并在一点用磁珠相连。ADC 界于模拟电路和数字电路之间, 且通常被划归为模拟电路。为减小数字电路的干扰, 应将模拟电路和数字电路分开布局;为减小信号线上的分布电阻、电容和电感, 应尽量缩短导线长度, 并增大导线之间的距离;为减小电源线和地线的阻抗, 应尽量增大电源线和地线的宽度, 或采用电源平面、地平面。《安防科技》2007年5期

    参考文献：
    [1]刘富强. 数据视频监控系统开发及应用. 北京:机械工业出版社，2003
    [2]江思敏刘畅主编. TMS320C6000 DSP 应用开发教程. 北京:机械工业出版社，2005
    [3]钟玉琢，向哲，沈洪编著. 流媒体和视频服务器. 北京:清华大学出版社，2003
    [4]杨丁一, 路红英基于网络的铁路运输安全视频监视系统的设计，北京[J] 微机算计信息，2006.No.2- 1,P166