摘  要： 達(dá)芬奇技術(shù)是一種專門針對數(shù)字視頻應(yīng)用和信號處理的解決方案，它把算法處理和應(yīng)用層相分離，大大簡化了程序編寫。介紹了一種基于達(dá)芬奇技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的視頻采集、H.264編碼實(shí)現(xiàn)、RTSP服務(wù)器調(diào)度和RTP發(fā)送。
關(guān)鍵詞： 達(dá)芬奇技術(shù)；H.264；RTSP服務(wù)器；RTP

    隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和視頻會(huì)議領(lǐng)域中。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的發(fā)展趨勢集視頻采集、視頻壓縮、視頻發(fā)送為一體，并且按照需求添加相應(yīng)圖像識別、圖像疊加、運(yùn)動(dòng)偵測、云臺(tái)控制和報(bào)警等功能。因此要求處理芯片具有強(qiáng)大的控制能力和數(shù)據(jù)處理能力。TI公司推出了達(dá)芬奇技術(shù)，專門應(yīng)用于多媒體系統(tǒng)，它把圖像處理的編碼算法封裝成標(biāo)準(zhǔn)API，應(yīng)用程序調(diào)用這些API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)圖像的編碼處理。
    TMS320DM368芯片是基于達(dá)芬奇技術(shù)的音視頻數(shù)字媒體片上系統(tǒng)(DMSoC)[1]，它以ARM926EJ-STM為內(nèi)核，擁有兩個(gè)視頻圖像協(xié)處理器（HDVICP和MJCP），廣泛運(yùn)用于中低端音視頻處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用DM368來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻服務(wù)器，通過訪問服務(wù)器可實(shí)時(shí)查看監(jiān)控視頻。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    TMS320DM368只有一個(gè)ARM內(nèi)核，通過嵌入Linux系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)圖像的采集處理和網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，CMOS圖像采集模塊把采集的數(shù)字圖像發(fā)送給TMS320DM368主芯片，然后調(diào)用算法API函數(shù)實(shí)現(xiàn)H.264編碼。UDP接收負(fù)責(zé)接收參數(shù)控制命令，經(jīng)過命令解析把參數(shù)傳遞給對應(yīng)模塊。RTSP負(fù)責(zé)等待客戶端訪問，然后創(chuàng)建用于RTP數(shù)據(jù)包發(fā)送的套接字。

    為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，應(yīng)用程序主要分為以下幾個(gè)線程：CMOS視頻采集線程、視頻編碼線程、RTSP任務(wù)調(diào)度線程、RTP視頻數(shù)據(jù)發(fā)送線程、UDP命令接收線程和命令解析線程。CMOS視頻采集線程負(fù)責(zé)按要求初始化CMOS芯片，采集視頻圖像；視頻編碼線程調(diào)用算法API接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖像的編碼壓縮；RTSP任務(wù)調(diào)度線程創(chuàng)建TCP套接字，等待客戶端的訪問連接，然后把所訪問客戶端的地址信息存放在調(diào)度任務(wù)中；RTP視頻數(shù)據(jù)發(fā)送線程把視頻數(shù)據(jù)通過RTP協(xié)議發(fā)送給指定客戶端；UDP命令接收線程負(fù)責(zé)接收客戶端發(fā)送的控制命令，然后發(fā)送給命令解析線程；命令解析線程把接收到的命令解析處理，把參數(shù)傳遞給對應(yīng)模塊。
2 視頻采集和編碼
2.1 視頻采集模塊
    視頻采集選用MT9P031型CMOS數(shù)字圖像傳感器芯片，感光面為1/2.5英寸，最大像素為2592×1944。該芯片利用像素跳躍和像素混合技術(shù)，在不改變視場的情況下減少輸出圖像分辨率。它還提供I2C接口，主控器可以通過I2C接口設(shè)置CMOS輸出圖像的屬性，并且還集成了ADC轉(zhuǎn)換器，直接輸出12 bit數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘和行場同步信號作用下輸出每一幀圖像，如圖2所示。每一個(gè)場同步信號FV有效（高）表示一幀圖像，每一個(gè)場同步信號LV有效（高）表示該幀的一行，在行場同步都有效時(shí)每一個(gè)像素時(shí)鐘脈沖的Dout輸出就是對應(yīng)像素的RGB值。若輸出一幀720 p的圖像，像素大小為1280×720，每一個(gè)FV高電平區(qū)間就有720個(gè)LV高電平，在每一個(gè)LV高電平區(qū)間又有1 280個(gè)PCLK時(shí)鐘脈沖。

    TMS320DM368有一個(gè)ISIF接口，專門用于接收數(shù)字的視頻數(shù)據(jù)，芯片內(nèi)部集成了ISIF圖像接收模塊，每接收到一幀完整的數(shù)據(jù)，芯片就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)ISIF_INT中斷信號，在中斷響應(yīng)程序里面可以把數(shù)據(jù)存放到指定地址。MT9P031和TMS320DM368的連接如圖3所示。MT9P031芯片的時(shí)鐘源由DM368GIO37引腳輸出提供，頻率為24 MHz，GIO91和GIO93引腳分別接復(fù)位和使能端。

2.2 H.264編碼模塊
    對所采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼是通過調(diào)用Codec Engine算法包來實(shí)現(xiàn)的[2]。Codecs Engine是一組用來調(diào)用xDAIS算法的API，不管是在ARM端還是在DSP端，不管操作系統(tǒng)的差異，調(diào)用的API函數(shù)都是一致的。用戶只需要配置相應(yīng)的*.cfg文件即可指定需要調(diào)用的算法，然后在應(yīng)用程序中即可調(diào)用API函數(shù)進(jìn)行算法編解碼。
    H.264是一種高性能的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，繼承了H.263和MPEG1/2/4視頻編碼器的優(yōu)點(diǎn)。H.264標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩個(gè)層次：視頻編碼層（VCL）和網(wǎng)絡(luò)抽象層（NAL），VCL負(fù)責(zé)高效的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)壓縮，NAL提供適當(dāng)?shù)慕涌趯?shù)據(jù)進(jìn)行打包和傳送。
    為了得到H.264格式的視頻流，本系統(tǒng)采用的H.264算法為TI發(fā)布的Codec Engine，配置alg_server.cfg文件來實(shí)現(xiàn)對已經(jīng)編譯算法的接口聲明，文件配置如下：
    var H264ENC=xdc.useModule
('ti.sdo.codecs.h264enc.ce.H264ENC'); //指定調(diào)用的算法
    var myEngine=Engine.create("alg_server", [{name: "h264enc",
mod: H264ENC, local: true, groupId: 1}]);
    其中，name為調(diào)用算法的名字；mod用來標(biāo)識實(shí)際的算法實(shí)現(xiàn)模塊；loacl指定算法運(yùn)行在ARM端(true)或者DSP端(false)。
    在應(yīng)用程序中調(diào)用的接口函數(shù)有：VIDENC1_create、VIDENC1_control、VIDENC1_process和VIDENC1_delete。
3 視頻服務(wù)器的建立
3.1 搭建RTSP服務(wù)器
    RTSP(Real Time Streaming Protocol)實(shí)時(shí)流協(xié)議是為了建立并控制一個(gè)或幾個(gè)時(shí)間同步的連續(xù)流媒體[3]，它本身不發(fā)送連續(xù)媒體流，只充當(dāng)多媒體服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。
    RTSP服務(wù)器需要預(yù)定義的方法有OPTION、DESCRIBE、SETUP、PLAY和TEARDOWN，在OPTION響應(yīng)中需要實(shí)現(xiàn)服務(wù)器基本信息描述，DESCRIBE響應(yīng)中需要向客戶端發(fā)送視頻的SDP信息，SETUP響應(yīng)需要根據(jù)客戶端端口信息建立RTP（實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）視頻發(fā)送套接字，PLAY響應(yīng)實(shí)現(xiàn)由RTP向客戶端發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，TEAREOWN響應(yīng)關(guān)閉對應(yīng)RTP套接字，并且釋放對應(yīng)的系統(tǒng)資源，流程如圖4所示。

3.2 RTP發(fā)送H.264視頻流
    RTP(Real-Time Transport Protocol)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議是在多點(diǎn)傳送或單點(diǎn)傳送的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)上提供端對端的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，適用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊蟍4]。RTP固定報(bào)頭格式如圖5所示。
    定義報(bào)頭的數(shù)據(jù)格式如下：
typedef  struct
{
    unsigned char  u4CSrcLen:4;//CC
    unsigned char  u1Externsion:1;//X
    unsigned char  u1Padding:1;//P
    unsigned char  u2Version:2;//V
    unsigned char  u7Payload:7;//PT
    unsigned char  u1Marker:1;//M
    unsigned short  u16SeqNum;//SN
    unsigned long  u32TimeStamp;//時(shí)間戳
    unsigned long  u32SSrc;//SSRC
}RtpHdr;
    經(jīng)編碼模塊輸出的H.264視頻流由一系列NAL單元（NALU）構(gòu)成，每個(gè)NALU由起始碼前綴(0x00000001)分隔開來[5]，所以RTP發(fā)送線程可以在輸出編碼流中提取出每個(gè)NALU，經(jīng)過RTP協(xié)議轉(zhuǎn)換發(fā)送給客戶端。從編碼流中提取NALU單元流程如圖6所示。
    經(jīng)過驗(yàn)證，對于720 p的H.264編碼輸出NALU負(fù)載長度不一，最大達(dá)到幾十字節(jié)，從網(wǎng)絡(luò)性能方面考慮，不宜發(fā)送過大的RTP數(shù)據(jù)包，為此采用RFC3984標(biāo)準(zhǔn)的FU-A方法對NALU進(jìn)行分割，設(shè)置每個(gè)RTP包最大長度為1 400 B。于是對于不同負(fù)載長度的NALU，RTP發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

    定義結(jié)構(gòu)體：
typedef  struct
{
    unsigned char  u5Type:5;
    unsigned char  u2Nri:2;
    unsigned char  u1F:1;
}NaluHdr, FuIndic;
typedef  struct
{
    unsigned char  u5Type:5;
    unsigned char  u1R:1;
    unsigned char  u1E:1;
    unsigned char  u1S:1;
}FuHdr;
    其中，參數(shù)NaluHdr和FuIndic由NALU第一個(gè)字節(jié)決定，參數(shù)FuHdr用于設(shè)置分片發(fā)送的起始和結(jié)束RTP包。
    本文研究了基于達(dá)芬奇技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)，著重介紹了視頻采集、H.264算法的調(diào)用、RTSP視頻服務(wù)器以及利用RTP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送。系統(tǒng)的應(yīng)用程序采用多線程技術(shù)，提高了資源利用率和綜合性能。搭建的服務(wù)器專門用于H.264格式的視頻流發(fā)送，執(zhí)行效率高，便于維護(hù)，對類似系統(tǒng)有很大的參考價(jià)值?；赥MS320DM368的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)投入成本低，開發(fā)周期短，可以廣泛運(yùn)用于各種監(jiān)控系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
[1] Texas Instruments Incorporated.TMS320DM368 Digital Media System-on-Chip(DMSoC)[EB/OL].[2011-06-30]. http：//www.ti.com/lit/gpn/tms320dm368.
[2] Texas Instruments Incorporated.Codec Engine Application Developer User s Guide[A].http：//www.ti.com/lit/ug/sprue67d/sprue67d.pdf.
[3] SCHULZRINNE H，RAO A，LANPHIER R.Real time streaming protocol(RTSP)[S].RFC 2326，1998.
[4] SCHULZRINNE H，CASNER S，F(xiàn)REDERICK R.RTP：A
     transport protocolfor real-time applications[S].RFC 3550，2003.
[5] 張多英.嵌入式視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31(4)：724-728.