作者：李小貝，陳東進，沈小豐

1 數字視頻監控系統簡介

視頻監控近年來得到了迅速的發展，應用范圍不斷地擴展。以往國內使用的視頻監控系統主要是模擬系統，到了20世紀90年代末，隨著網絡寬帶、計算機處理能力和存儲容量的迅速提高，以及各種實用視頻信息處理技術的出現，視頻監控從模擬視頻監控進入了數字化的網絡時代，即數字視頻監控系統。數字視頻監控系統將攝像機獲得的模擬信號轉變成數字信號，便于計算機處理，或者由數字攝像機直接輸出數字視頻信號。在計算機顯示器上顯示或者在監視器上顯示多路實時活動圖像的同時，還可以將各路信號分別存儲于計算機的硬盤內，或者在網絡上進行傳輸。

數字視頻監控系統是以計算機或嵌入式系統為中心，視頻處理技術為基礎，利用圖像數據 壓縮的國際標準（JPEG、MPEG1或MPEG4），綜合利用圖像傳感器、計算機網絡、自動控制和人工智能等技術的一種新型監控系統。

數字視頻監控系統除了具有傳統閉路電視監視系統的所有功能外，還具有遠程視頻傳輸與回放、

自動異常檢測與報警、結構化的視頻數據存儲等功能。

數字視頻監控系統輸入模擬視頻信號，數字化后進行圖像壓縮，然后進行存儲、傳輸及相關控制。他主要包括3個部分：

數字視頻錄像（Digital Video Recorder，DVR）將視頻圖像采集并保存在硬盤里面，這種設備稱為數字視頻錄像機，或硬盤錄像機。

數字視頻服務器（Digital Video Recorder，DVS）將圖像通過網絡傳輸到遠方的其他計算機終端。

數字視頻控制（Digital Video Control，DVC）數字視頻控制系統將控制指令送往受控設備，如控制云臺的上下左右、攝像機的聚焦、遠近和變焦等。

與數字視頻監控系統相關的主要技術：視頻數據的壓縮、視頻的分析與理解、視頻流的傳 輸與質量控制。

2 數字視頻監控系統中的DVR技術

目前大多數的數字視頻監控系統是通過圖像采集卡將模擬攝像機傳輸過來的模擬視頻圖像轉換成數字視頻圖像的，因此數字視頻采集卡是數字視頻監控系統中的關鍵技術。但是大多數的數字視頻采集卡都是基于PC機技術的，這樣就限制了視頻采集的局限性和移動性。隨著DSP技術和嵌入式技術的發展，可以用性價比高的DSP芯片代替傳統的PC機，來控制整個DV R的工作和完成圖像探測功能。整套DVR系統的組成如圖1所示。

2.1 DVR系統控制

該系統中采用了TI公司推出的高性能數字信號處理器TMS320VC5402。其采用程序空間與數據空間完全獨立的哈佛總線結構，指令的執行采用流水線結構，內部有一到多個處理內核，帶有片上硬件乘法器，其指令執行速度最快為幾十納秒，處理能力為100 MIPS。這些為DSP在高速大數據量的數據采集處理系統中提供了廣闊的應用空間。片內共有8條總線（4條程序存儲器總線、1條數據存儲器總線和3條地址總線）、片上存儲器和片上外圍電路等硬件，有高度專業化的指令系統，具有功耗低、高度并行等優點。系統設計中在DSP的外部擴展了64 k*16 b的程序存儲器和256 k*16 b的數據存儲器，DSP的運行程序由4 Mb的FLAS H ROM來加載程序。整套DVR系統的工作過程由DSP來控制完成，其流程圖如圖2所示。

2.2 視頻采集技術

可編程視頻解碼芯片采用SAA7113；該芯片是可編程視頻處理芯片，采用CMOS工藝。通過簡單的I2C總線可以對其實現編程控制；內部包含兩路模擬處理通道，能實現視頻源的選擇、抗混疊（去假頻）濾波、模／數變換、自動增益控制、時鐘產生、多制式解碼及亮度、對比度和飽和度控制。他將不同制式的模擬信號統一成為相同的數字標準，采用ITUR B T601格式，采樣時對亮度信號和兩個色差信號分別編碼，對不同制式信號采用單一的取樣頻率，而且和任何模擬系統的彩色副載波頻率無關，因此在分量系統中不再包含任何副載波。取樣頻率定為13.5 MHz，他也是對亮度信號Y的取樣頻率，由于色度信號的帶寬遠比亮度信號的帶寬窄，因而對色度信號U和V的取樣率較Y減半，為6.75 MHz。每個數字有效行分別有720個亮度取樣點和360*2個色差信號取樣點。對每個分量的取樣點進行均勻量化，對每個取樣進行8 b的PCM編碼。

由于DSP沒有I2C總線接口，本系統采用CPLD輔助DSP模擬I2C總線的控制方式，在CPLD內部I2C的控制功能用Verilog語言編寫，其主要代碼如下：

在本系統中通過在CPLD內部設置I2C總線的地址和寄存器的方法來完成DSP用數據模擬I2 C總線的任務，使用起來十分方便。

2.3 JPEG壓縮技術

在實際應用中，采用ZORAN公司的單片JPEG壓縮/解壓縮芯片ZR36060，其內部結構如圖3所示。

ZR36060的特點如下：

（1）單片結構，片上集成了JPEG壓縮/解壓縮所需全部模塊。

（2）運動JPEG壓縮/解壓縮功能，能夠處理高達25 幀/s的方象素及CCIR PAL或30 幀/s的方象素及CCIR NTSC實時視頻信號。

（3）多種模式數據率控制，可以很方便地改變壓縮比。

（4）視頻數據輸入端口支持多種視頻解碼器（A/D變換器），如Philips，Brooktree，Samsung等。

（5）視頻總線寬度可以是8 b或16 b。

（6）同步發生器可工作于主或從模式。

（7）控制端口支持標準微處理器操作。

（8）提供多種片上視頻處理：視頻混合（mix）、尺度變換（scale）、剪切（crop）及背景色輸出等。

（9）壓縮數據可以主方式從壓縮數據端口或以從方式從控制端口輸出，兩種方式都有握手功能以便進行數據流控制。

ZR36060其數據端口有3個：

控制端口用來完成對ZR36060的初始化，當芯片工作于數據從方式時，還用于輸出或輸入壓縮數據。視頻端口壓縮時輸入原始視頻數據，解壓縮時輸出解壓后的視頻數據，除數據線外還有行場同步、時鐘等必要信號線，同步可工作于主方式或從方式，可直接與視頻解碼器或幀存儲器接口完成實時的運動JPEG處理。

壓縮數據端口用于數據主方式時輸出或輸入壓縮數據。

壓縮數據流壓縮時數字Y，C信號由Y，C總線進入ZR36060，經視頻接口進入條存儲器（St rip Memory）緩存，之后進入JPEG處理機進行壓縮，壓縮后的JPEG數據進入一個長度為512的先入先出寄存器（FIFO）緩存，再經數據（數據主方式）或控制端口（數據從方式）輸出。

在數據主方式下，ZR36060輸出CCS信號指示數據有效，并輸出CWR信號作為數據選通，外部設備若來不及接收數據可向ZR36060的BUSY引腳發BUSY請求，ZR36060停止向外輸出數據，暫時將數據壓入FIFO，若FIFO溢出，則JPEG處理機停止壓縮，視頻數據暫時壓入條存儲器。當外設撤消BUSY請求后，ZR36060繼續壓縮、輸出數據，如果外設速度太慢導致條存儲器也溢出，則ZR36060將給出錯誤指示并在中斷允許的情況下發出中斷請求。在數據從方式下，由外設向ZR36060讀數據，BUSY引腳改由ZR36060驅動輸出，若ZR36060內部FIFO無數據可讀，B U SY將變為有效以通知外設，此時外設應等待BUSY變為無效。若外設讀數據速度太慢也將導致出錯，數據壓滿FIFO和條存儲器，其過程與主方式相同。由于采用FIFO和條存儲器，瞬時速度很高的JPEG數據得以緩存，外設可以平均速率訪問ZR36060，可降低對外設的要求。

2.4 硬盤接口技術

IDE接口的硬盤驅動器提供了2種數據傳輸模式：PIO模式和DMA模式。由于PIO模式控制相對容易，提供了一種編程控制輸入/輸出的快速傳輸方法。該模式采用高速的數據塊I/O，以扇區為單位，用中斷請求方式與CPU進行批量數據交換。在扇區讀寫操作時，一次按16 b長度通過內部的高速PIO數據寄存器傳輸。通常情況下，數據傳輸以扇區為單位，每傳輸一扇區數據產生一個中斷。由于本系統圖像壓縮數據的最大速率只有20 kb/s，采用PIO寫盤速度可以達到192 kb/s，完全可以滿足本系統的要求。

2.5 視頻編碼技術

視頻編碼器選用Philips公司的SAA7121，在DSP的控制下將JPEG解壓縮后的數字YUV視頻數據編碼為PAL模擬視頻信號輸出。SAA7121也是由I2C總線來控制，其控制方法同SAA7113。

3 本系統的實際工作性能

（1）輸入信號格式：標準視頻信號，PAL制或NTSC制。

（2）畫面大小：352*248（也可是352*288）。

（3）每秒錄制或播放25幀，每幀2場，共50場，隔行掃描。

（4）每場圖片壓縮后大小平均為10 kB，0.5 MB/s，1.8 GB/h，可根據需 要配接10“80 G的硬盤，實現5”40 h的連續錄像。

（5）對于用于監控場合時，可以每秒錄制25幀25場，回放時每秒25幀50場，這樣可以節約一倍的硬盤空間，把碼率降為0.25 MB/s，也就是2 MB/s。用80 G硬盤能錄80多個小時。

4 結語

本系統用MJPEG的壓縮方法雖然碼率比較大，但效果確實很好，實測時錄制了一段電視節目，觀看的主觀感受比基于MPEG 1的VCD要清晰，毫無色塊現象，和原信號基本沒有差別。另外本系統能夠脫離PC機獨立運行，同時由于采用DSP控制整個系統，其成本比使用ARM控制的監控系統要低，有較大的經濟價值，特別是應用在車載視頻監控系統中有很大的發展空間。

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