基于Davicn的嵌入式網絡智能視頻監控系統設計

0 引言

視頻監控技術經歷了3個主要的發展階段：第1代是以磁帶存儲為主要特征的本地模擬視頻監控系統(VTR時代)；第2代是以ISDN網絡為基礎、并綜合應用數字壓縮、時隙交換和數字硬盤錄像機的數字視頻監控系統(DVR時代)；第3代是基于IP網絡的視頻監控系統。伴隨網絡技術數字視頻技術和圖像技術的飛速發展，視頻監控正向智能化的方向發展，即智能視頻監控。與非智能化得視頻監控相比，智能視覺監控能實現主動監控，采用智能算法對監控到的畫面進行智能分析，進而進行相應的動作。

智能視頻監控有基于PC機的智能視頻監控系統和嵌入式的智能視頻監控系統。兩者相比，嵌入式的智能視頻監控系統具有便攜、低功耗、應用領域廣泛等優勢，隨著嵌入式智能視頻監控系統的大量應用、批量生產，其成本優勢也將得到體現。嵌入式智能監控產品已是監控市場發展趨勢。

本文設計并實現了一種基于達芬奇DM6446平臺的嵌入式網絡智能視頻監控系統，提出了一種新型的嵌入式網絡智能視頻監控系統構架方案，該方案由視頻分析單元、視頻服務器、一級客戶端、二級客戶端組成的，文中系統地分析了各個部分的關鍵技術并給出了具體的設計、實現方案。多級客戶端的結構可以提供對多個嵌入式智能視頻監控器的系統管理，并可以實現對多個監控場景的全面、無縫監控。本系統基于davicnTMS320DM6446芯片實現，實驗表明該系統安全可靠，可擴充性強，應用靈活。

1 系統體系結構

如圖1所示，整個系統由視頻采集、視頻服務、智能視頻分析、智能客戶端、網絡存儲、電視墻等組成。視頻服務器負責整個系統的控制與協調；智能視頻分析單元負責實現視頻數據的智能分析；智能客戶端作為一級客戶端主要是實現流媒體的實時播放，與監控管理相關的各種控制操作，與智能視頻分析相關的規則設置、分析軟件的更新等；網絡存儲和電視墻作為二級客戶端分別用于視頻回放，實時視頻監視。


2 軟硬件實現

本系統基于TMS320DM6446的實現。TMS320DM6446是TIC6000系列中速度達到4 800 MIPS的雙核處理器，集成了高速C64x+DSP處理器和ARM926EJ2S處理器。針對DSP核具有高速的數據處理能力和ARM核優于對外設進行控制的特點，該系統中ARM主要負責內部數據傳輸控制、外設控制，即ARM作為視頻服務器，DSP作為智能視頻分析單元。
本系統的軟件分為3個部分：視頻服務器部分采用monta vista linux嵌入式操作系統；智能視頻分析單元運行匯編語言編寫的視頻分析算法，無單獨操作系統，由視頻服務器Linux來調度執行；智能客戶端在PC上VC++實現，智能客戶端和視頻服務器間的通信通過Socket實現。

3 功能模塊實現方案

3．1 視頻采集

系統采用TI公司的視頻解碼芯片TVP5146實現A／D轉換，由DM6446的I2C對其控制，數字信號經過電平轉換后送至DM6446的VPFE模塊。

3．2 視頻服務器

視頻服務器由ARM子系統、控制子系統、VPSS、視頻自動環出、外圍設置及控制電路組成，負責系統的控制與協調，視頻處理等。

視頻處理模塊VPSS(VPEE和VPBE)包括視頻的編解碼、視頻輸入輸出、視頻放大。DM6446中集成了VPSS。視頻信號輸入到視頻處理前端(VPEE)后直接通過EDMA方式送至DDR中指定的空間存儲。當VP5146轉換完一幀圖像，產生EDMA中斷信號，并在EDMA中斷服務程序中由DSP子系統完成智能視頻分析的任務。視頻數字信號經處理后通過視頻后端(VPBE)放大經網絡傳出，或者轉換成NTSL／PAL制式的電視信號傳輸到電視墻。
為了保證系統的魯棒性，本系統設計了視頻自動環出功能。在視頻服務器或智能視頻分析單元出現故障的情況下，視頻自動環出能控制視頻雙通道切換，直接輸出前端的復合視頻信號。在故障的情況下不影響視頻信號的傳輸，保證信號的連續性，保證系統的魯棒性。
另外視頻服務器中還包含網絡接口模塊、存儲模塊、電源管理與復位模塊、串口模塊等。

3．3 智能視頻分析單元

智能視頻分析單元負責對視頻圖像進行編解碼、分析，得到對監控場景的理解，智能視頻分析系統的性能很大程度上依賴于其中智能視頻分析算法的精度和效率，所以算法的合理設計至關重要。目前智能視頻分析算法有很多種，但各自有其局限性，為某一應用選擇合適的算法，往往從速度、精度還有應用范圍等方面做綜合權衡。本系統主要針對禁區入侵智能監控的應用，為該應用設計了一套快速實用的智能視頻分析算法，其視頻分析過程如圖2所示。

本系統中的智能視頻分析單元由DM6446的DSP內核運行智能視頻分析算法來實現。

3．4 智能客戶端

智能客戶端作為監控者與視頻服務器的人機交互在智能監控系統中扮演著重要作用，本系統在PC機Windows VC++6．0環境下實現，智能客戶端與視頻服務器之間采用C-S的模式構建，客戶端程序采用了2個類對象分別來實現人機界面功能、網絡通信功能，其與視頻服務器之間的數據流圖如圖3所示。

智能客戶端能自動搜索局域網中所有的設備(嵌入式智能視頻監控器)，并對搜索到的設備提供身份驗證、實時視頻場景監控，用戶權限管理、日期時間管理、設備信息管理、報警規則設置、報警任務設置，報警信息查詢、固件升級等服務。

智能客戶端本身不存在有數據的存取，其每一個操作都必須與視頻服務器通信，多個操作可能會同時發生(例如：固件升級和報警產生同時發生)，本系統中采用多線程的方式來實現多個任務的并行或串行，分別為自動搜索設備線程、配置數據通信線程、視頻場景監控線程、固件升級線程，其流程圖如圖4所示。

客戶端系統啟動后，進入到自動搜索界面，創建自動搜索設備線程，在該線程中與視頻服務器通信，采用TCP／IP協議，確認對方設備在工作狀態后，顯示所有正常工作的設備，創建配置數據通信線程、視頻場景監控線程，并銷毀自動搜索設備線程。

配置數據通信線程負責顯示視頻服務器端發送過來的數據，發送用戶的配置數據給視頻服務器，網絡通信采用TCP／IP協議。

視頻場景監控線程實現解碼視頻圖像并顯示，網絡通信采用UDP協議，在該線程中使用了CXIMAGE類對象來解碼和顯示視頻圖像。配置數據通訊線程和視頻場景監控線程在客戶端程序運行時一直存在。

固件升級線程只有在用戶進行了“版本升級”操作時才啟用，其中的網絡通信采用FTP協議，當固件升級完畢，銷毀該線程。

3．5 二級容尸端

二級客戶端包括網絡存儲單元和電視墻。

網絡監控存儲單元通過DM6446的ATA接口，存儲經過智能視頻分析后的視頻數據，以供監控視頻回放。由于存放的是處理后的視頻數據，可以實現智能搜索，從海量的視頻數據中迅速定位，大大提高系統的使用效率。智能客戶端(一級客戶端)本身沒有存儲功能，只提供實時監控功能，網絡監控存儲單元作為智能記憶單元，為一級客戶端提供時間上的補充。
智能客戶端主要的功能在于配置管理視頻服務器，在監控功能上只能提供一個場景點的監控。電視墻可同時監控多個場景，給系統提供更加全面完善的監控，為一級客戶端提供空間上的補充。

4 系統測試

本文提出的構架方案和實現方案已通過測試。圖5～圖7為某場景禁區入侵測試報警效果截圖。其中圖5為某室內場景圖，圖6中為該場景設置了禁區規則，圖中的黑色粗實線就是通過客戶端設置的禁區絆線，從線上通過則會觸發報警，圖7為規則觸犯后報警圖，線框部分為檢測到的入侵目標。


5 結語

提出了一種新型的嵌入式網絡智能視頻監控的構架方案，并給出了具體的實現方案，該方案實現的系統采用集中式統一管理，多點分布式布控，可以應用于多場景、多點監控。系統采用多級客戶端結構，一級客戶端提供集中式統一管理，二級客戶端提供對多個監控場景的全面、無縫監控。可擴展性強，系統中可以隨時加入新的布控點，智能客戶端通過重新搜索功能就可實現對新布控點的控制和管理。智能視頻分析算法可以通過網絡更新；針對不同的場景、監控的不同要求，可以采用不同的智能視頻分析算法，提供個性化的視頻智能分析服務，這些都給系統的應用帶來極大的靈活性。