基于DM365的視頻圖像處理系統(tǒng)

梁 楠

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

從20 世紀(jì)末開始，通信行業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)開始了飛快迅猛的發(fā)展，在短時(shí)間內(nèi)迅速成為當(dāng)前最熱門的產(chǎn)業(yè)之一。通信行業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)這兩個(gè)高科領(lǐng)域相互碰撞，互相合作。于是產(chǎn)生了大量的高科學(xué)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品讓人們的生活方式發(fā)生了巨大的改變。而伴隨著嵌入式技術(shù)的開發(fā)。基于嵌入式開發(fā)的視頻通信系統(tǒng)成為了市場的新寵兒。而在眾多的開發(fā)者和技術(shù)公司中，以DSP 開發(fā)技術(shù)文明世界的德州儀器公司脫穎而出。因?yàn)樵摴就瞥雠c數(shù)字芯片相配套的軟件技術(shù)開發(fā)包。該開發(fā)包包括了對應(yīng)硬件平臺(tái)的底層驅(qū)動(dòng)，DVSDK（數(shù)字視頻開發(fā)包）以及對應(yīng)API 等等。正是由于這套完整的軟件開發(fā)平臺(tái)的誕生，使得業(yè)內(nèi)對視頻通信技術(shù)的開發(fā)進(jìn)入的新的高度，這種平臺(tái)極大的縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，而且極大的方便了開發(fā)人員的二次開發(fā)。伴隨著技術(shù)不斷跟新和市場的快速發(fā)展，達(dá)芬奇技術(shù)應(yīng)用了在更多的行業(yè)和領(lǐng)域，例如：道路安全交通監(jiān)控，銀行無人自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，智能門控系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)原理及總體設(shè)計(jì)

TMS320DM365 作為達(dá)芬奇公司推出一款視頻處理的芯片，有著其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)和特性。TMS320DM365 處理器高度集成的各種編解碼器的組件，包括最新的H.264，MPEG-4 編解碼器，能滿足智能集成圖像信號(hào)處理（ISP）的解決方案。由于其集成了ISP 和非常豐富的外設(shè)，可以使系統(tǒng)降低25%的成本。而且處理器可以根據(jù)不同的需求來制定同應(yīng)用的高清視頻產(chǎn)品，除了普通標(biāo)清的視頻外還包括實(shí)時(shí)1080P 的MPEG-4 的高清視頻。不僅如此還可實(shí)現(xiàn)多種視頻格式的編解碼[2]。

本文的硬件系統(tǒng)以TMS320DM365 芯片為主CPU，配上豐富的外圍設(shè)備。其中DM365 芯片內(nèi)部集成了包括300MHz 的ARM926EJ-S內(nèi)核以及2 組視頻圖像協(xié)處理器（HDVICP，MJCP）。而系統(tǒng)的其他外設(shè)有：存儲(chǔ)；DDR2：128MB；NAND FLASH：128MB；JTAG 仿真器接口；RS485 接口；USB2.0，支持USB 主從模式；10/100Mbps 以太網(wǎng)接口；SD卡模塊；1 路RS-232UART 串口；而在軟件方面，我們采用達(dá)芬奇的軟件技術(shù)平臺(tái)，在ARM 內(nèi)核上進(jìn)行了Linux 操作系統(tǒng)的內(nèi)核移植，這樣使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的控制能力，并且具有實(shí)時(shí)高、通訊速率快、圖像清晰、系統(tǒng)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

系統(tǒng)的硬件框架圖如圖1 所示。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 視頻輸入模塊

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖來看。整個(gè)系統(tǒng)的采集模塊有2 個(gè)部分，一個(gè)是攝像頭，一個(gè)是A/D 轉(zhuǎn)碼芯片，用來將攝像頭采集來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以方便DM365 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文選用的A/D 轉(zhuǎn)碼芯片的信號(hào)為TVP5146，只是一款可以轉(zhuǎn)換PAL 和NTSC 制式的芯片。這兩種制式都是普通標(biāo)清圖像。TVP5416 是可以將模擬信號(hào)視頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)視頻。最多能支持10 個(gè)分量的視頻輸入[3]。其中包括多種混合輸入視頻信號(hào)（NTSC，PAL 和SECAM）和分量視頻信號(hào)。當(dāng)然本系統(tǒng)也可采集高清圖像，并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如要達(dá)到這種要求的話，可以將TVP5416 換為TVP7002，這款芯片可以采集高清圖像，并且進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。而在這里根據(jù)實(shí)際應(yīng)用而言，標(biāo)清圖像就異能夠達(dá)到要求。故采用TVP5416 芯片。DM365 的內(nèi)部包含了視頻子處理模塊VPFE。將一般傳統(tǒng)模式下視頻采集所需的部件都集成在內(nèi)。不僅大大降低了功耗，而且提高了工作效率。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 視頻處理模塊

視頻的處理主要是在DM365 內(nèi)部進(jìn)行，通過TVP5416 芯片進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，模擬信號(hào)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后。DM365 內(nèi)部通過調(diào)用相關(guān)的編碼器，對視頻信號(hào)進(jìn)行編碼，DM365 內(nèi)部的視頻編解碼器支持多種編解碼標(biāo)準(zhǔn)。如H.264，MPEG-4 等等。通過達(dá)芬奇公司提供的軟件技術(shù)支持，我們可以直接通過調(diào)用DMAI 內(nèi)部的編碼引擎直接對其進(jìn)行編碼壓縮。加快了開發(fā)者而從開發(fā)的速度。提高產(chǎn)品性能。DM365的內(nèi)部架構(gòu)包含了一個(gè)ARM9 內(nèi)核，一個(gè)圖形處理子系統(tǒng)（VPSS）和多個(gè)高清編碼協(xié)處理器[4]。支持多種格式的編解碼器，具有極高的靈活性。DM365 不僅可以同時(shí)輸出多種制式的碼流，還可自行調(diào)節(jié)編碼的速率，以配合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蟆M365 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

2.3 視頻傳輸與存儲(chǔ)模塊

本系統(tǒng)采用的是10/100Mbps 以太網(wǎng)接口，芯片為DM9000 為傳輸模塊。可采用TCP 或UDP 等網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。DM365 外圍接DDR2 SDRAM 和NAND Flash 作為片外存儲(chǔ)模塊。SDRAM 為程序運(yùn)行提供空間，相當(dāng)于電腦內(nèi)存。而NAND Flash 則作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件和用戶數(shù)據(jù)。相對于Nor Flash 而言，NAND Flash 存儲(chǔ)容量更大，價(jià)格也更便宜。故本系統(tǒng)選用NAND Flash 作為存儲(chǔ)模塊。

圖2 DM365 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的軟件部分

因?yàn)镈M365 的內(nèi)部集成了一個(gè)ARM9 的內(nèi)核。所以我們可以對系統(tǒng)進(jìn)行Linux 操作系統(tǒng)的移植。使這個(gè)系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)嵌入式視頻通信系統(tǒng)。這樣不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的可控性，還增加了系統(tǒng)的可靠性。下面簡要介紹下達(dá)芬奇的軟件技術(shù)。

德州儀器公司開發(fā)出來的達(dá)芬奇系列芯片，除卻其芯片本身的高性能以外，更為開發(fā)者贊不絕口的就是它的軟件技術(shù)支持了。它提供了一系列的軟件開發(fā)工具和最為著名的開發(fā)套件DVSDK（數(shù)字視頻軟件開發(fā)套件）該套件內(nèi)包含了視頻通信系統(tǒng)開發(fā)所需要的所有軟件，如圖像的處理，編碼壓縮等等[5]。開發(fā)者只需要進(jìn)行API 的函數(shù)調(diào)用就能直接完成對采集來的視頻圖像進(jìn)行處理。大大縮短了二次開發(fā)的時(shí)間，節(jié)約開發(fā)資源。軟件開發(fā)的流程有以下幾步：

建立交叉編譯環(huán)境。在虛擬機(jī)中安裝一版Linux 操作系統(tǒng)如紅帽系統(tǒng)，并準(zhǔn)備以下軟件包

dvsdk_setuplinux_#_#_#_#.bin（數(shù)字視頻開發(fā)套件）

mvl_4_0_1_demo_lsp_setuplinux_#_#_#_#.bin（交叉編譯工具）

xdc_setuplinux_#_#_#_#.bin

bios_setuplinux_#_#_#_#.bin

TI-C6x-CGT-v#.#.#.#.bin

data.tar.gz

SoCAnalyzer_#.#.#.#.exe

使用“./”命令運(yùn)行上面的二進(jìn)制文件。就可以得到交叉編譯工具的壓縮包以及自動(dòng)安裝好DVSDK 包到/opt 目錄下。對交叉工具進(jìn)行解壓安裝后設(shè)置路徑

在/root 下，以root 身份打開.bashrc，設(shè)置以下路徑：

PATH="/opt/mv_pro_4.0.1/montavista/pro/devkit/arm/v5t_le/bin：/opt/mv_pro_4.0.1 montavista/pro/bin：/opt/mv_pro_4.0.1/montavista/common/bin：$PATH"

設(shè)置好路徑后，重新啟動(dòng)LINUX，開發(fā)環(huán)境安裝完成。

（2）編譯內(nèi)核和u-boot

正確建立系統(tǒng)平臺(tái)后，在/root 下建立kernel 目錄，將uboot.tar.gz和kernel.tar.gz 解壓在該目錄。進(jìn)入uboot 目錄，鍵入make 后執(zhí)行即可以編譯成功。進(jìn)入ti-davinci 目錄，如果不修改config 文件，則可以直接sh build.sh 即可以編譯，編譯好的文件在arch/arm/boot 下，uImage文件。如果修改了config 文件，則執(zhí)行host＄make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm_v5t_le-checksetconfig。

編譯好內(nèi)核和u-boot 后就可以進(jìn)行燒寫。先使用CCS 在板子上進(jìn)行u-boot 的燒寫。待u-boot 燒寫完成好，用TFTP 工具進(jìn)行內(nèi)核的燒寫，具體的燒寫過程不再介紹。

至此，整個(gè)系統(tǒng)的軟件平臺(tái)已經(jīng)完全搭建好了。

應(yīng)用的程序的開發(fā)可以直接依賴DVSDK 包中DMAI 模塊，它里面包含了視頻采集模塊的程序調(diào)用，各種編碼標(biāo)準(zhǔn)的編碼算法調(diào)用等等。十分方便。我們只需要簡單的對DMAI 模塊里的程序進(jìn)行小小的修改就能得到自己需要的實(shí)際應(yīng)用程序。再這里就不進(jìn)行介紹了。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用了以DM365 為主CPU 的視頻處理系統(tǒng)。構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件框圖，并簡要的介紹了視頻采集，處理，傳輸三大模塊。介紹了達(dá)芬奇技術(shù)的軟件開發(fā)。給出了構(gòu)建開發(fā)環(huán)境的步驟。如交叉編譯環(huán)境的建立，內(nèi)核的燒寫等等。

［1］張琦.蘇宛新基于達(dá)芬奇技術(shù)的數(shù)字視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（23）.

［2］劉富強(qiáng).數(shù)字視頻圖像處理與通信[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］Texas Instruments Incorporated.TMS320DM365 digital media system—on—chip[EB/OL].2009.

［4］Texas Instruments Incorporated.TMS320DM365 digital media system—on—chip video processing front end (VPFE) reference Guide[EB/OL].2009.

［5］TMS320DM365：基于達(dá)芬奇技術(shù)的新型數(shù)字媒體處理器[J].世界電子元器件，2009（4）.