篇一：新型网络数字摄像系统的设计
新型网络数字摄像系统的设计
摘 要: 介绍一种新型嵌入式网络数字网络数字摄像系统的设计方案。该系统能够采集高质量的视频信号,经过DSP芯片实时压缩后通过嵌入式微控制器传送到互联网,并能根据网络状况和计算机用户的需求实时改变摄像系统的工作参数。详细介绍了其硬件结构以及软件设计方法。该系统具有硬件集成度高、图像传输实时性好、操作简单及控制灵活等优点。关键词: 图像压缩 DSP 嵌入式系统 网络传输
目前将摄像机拍摄的图像传送到计算机中进行播放、处理主要有两种方式:一是通过图像采集卡;二是利用摄像机自带的USB接口。第一种方式虽然可以保证图像采集的实时性,但不能脱离计算机单独工作,应用领域有局限性;后一种方式在图像传输实时性和图像播放质量上又不尽人意。随着网络技术的发展,使网络接入技术直接嵌入到摄像机中成为可能。本文介绍一种基于DSP芯片和嵌入式微控制器的网络数字摄像系统。该系统内部集成了图像传感芯片和数字图像处理芯片,不需要借助计算机,直接连接到互联网上(见图1),向互联网上的计算机传输高质量的实时视频图像,根据网络通信状况和计算机的命令改变传输图像的分辨率和帧率等指标。该系统硬件集成度高、图像传输实时性好、操作简单、控制灵活。
该系统包括两大部分:图像处理模块和NetMCU模块。系统框图见图2。由图像处理模块负责对图像进行采集和压缩,先将模拟图像信号转变成YUV格式的数字信号,然后由DSP芯片按照JPEG标准进行图像压缩编码。NetMCU模块将接收到的压缩图像数据图像数据按TCP/IP协议打包,发送至互联网的计算机上,并接收计算机传来的控制命令,对系统进行配置。以下分别介绍各个模块的工作原理和软件设计方法。
1 图像处理模块
1.1 芯片介绍
图像采集芯片采用OmniVision公司的CMOS彩色图像传感器OV6620[1]。在它内部集成了一个356×292的彩色图像阵列。该图像传感器能对所拍摄的图像进行预处理,包括自动曝光控制、自动白平衡调节、gamma校正、自动图像增强;并可通过与DSP芯片相连的串行通信接口,对传感器内部的92个寄存器的参数进行设置。
图像压缩芯片采用TI公司的TMS320VC5416[2]定点运算数字信号处理器(DSP),其内部采用一种改进型的哈佛总线结构(一条程序总线,三条数据总线),数据总线宽度为16bit。分开的数据和指令空间使该芯片具有高度的并行操作能力,在单周期内允许指令和数据同时存取,再加上其高度优化的指令集指令集,使得该芯片具有很高的运算速度,最高可达160MIPS。VC5416芯片的外部程序存储空间为8M×16bits,外部数据存储数据存储空间为64K×16bits。在芯片内部还集成了128K×16bits片上存储器。该芯片具有多种片上外部设备单元,包括一个16位计时器,一个6通道DMA传输控制器,三个带缓冲器的串行通信接口(McBSP)和一个8/16位的主机通信接口(HPI8/16)。
1.2 功能介绍
图像处理模块主要负责模拟图像的采集、数字化、压缩等工作。首先,在系统加电运行后,由NetMCU模块对VC5416芯片复位,然后VC5416芯片运行固化在芯片内的BootLoader程序,将存储在外部程序存储器上的应用程序复制到内部存储器中,并开始运行应用程序。应用程序的任务主要有以下三个方面:
(1)通过VC5416芯片的1号串行通信接口(McBSP1)对OV6620的内部寄存器进行参数配置。主要参数包括:将输出图像分辨率设置为352×288,将输出图像帧的速率设置为25帧/秒,将
数字图像的输出格式设置为YUV分量4:2:2格式。
(2)将OV6620芯片输出的图像数据利用JPEG算法进行数字图像压缩。在本设计中采用一种改进的JPEG算法[4]。将二维DCT变换分解成两次一维快速DCT变换。对8×8象素块的DCT变换,共需176次乘法和464次加法,比标准DCT算法的1024次乘法和896次加法在运算速度上有极大提高。
(3)VC5416芯片通过与NetMCU模块相连的0号串行通信接口(McBSP0),接收改变传输图像的分辨率、帧速、曝光时间等参数的命令,并及时调整OV6620芯片的内部寄存器参数。OV6620芯片和VC5416芯片之间存在大量的数据传输,因此在系统中采用一片ALTERA公司的FPGA(FLEX10K20)芯片作为数据传输接口,代替VC5416芯片管理外部数据存储区。在FPGA芯片中集成了一个512×16bits的FIFO和一个存储控制器存储控制器。通过OV6620芯片输出的图像象素移位脉冲和图像的行、场同步脉冲的控制,将原始图像数据存入FIFO中。由于JPEG图像压缩以8×8象素块基本运算单位,需要存储控制器将FIFO中以行顺序输入的原始图像数据进行存储地址调整,变换成按8×8像素块顺序存入外部数据存储区。同时,由于受VC5416芯片的外部数据存储区容量的限制,存储控制器将一帧原始图像数据分成上下两个半区,各占用一个64KB地址空间。当VC5416芯片读数据时,存储控制器会自动在这两个半区之间切换,使得DSP芯片能够处理一帧图像。
2 NetMCU模块
2.1 芯片介绍
本系统采用三星公司的S3C4510B[3]芯片作为主控制器。芯片内部结构见图3。S3C4510B芯片集成了ARM公司的32位精简指令集处理器ARM7TDMI核。ARM7TDMI核采用冯·诺依曼体系结构,使用单一32位总线传送指令和数据,使用三级流水线操作以提高处理器执行速度。ARM7TDMI核可以使用两种指令集:一种是32位ARM指令集;一种是16位Thumb指令集。Thumb指令集是ARM指令集的子集,但它能提供比16位体系结构更高的性能、比32位体系结构更高的代码密度。因此,Thumb指令集使ARM7TDMI核非常适合有存储器宽度和代码密度限制的嵌入式场合。
S3C4510B芯片的存储空间最大可达16M×32bits(包括程序存储区、数据存储区和I/O设备区),它内部集成了一个存储控制器,具有自动刷新存储区数据和自动插入可编程等待周期的功能,可以支持多种类型的存储芯片(包括ROM、SRAM、FLASH和DRAM)。在芯片内部还集成有8K×8bits的指令/数据Cache,采用pseudo-LRU(Least Recently Used)算法,大大提高了芯片的性能。
由于S3C4510B芯片面向网络应用,因此在芯片内部集成了一个以太网控制器。该控制器工作于MAC层,完全兼容IEEE802.3协议标准。它能运行于10Mbps/100Mbps模式。该控制器包括一个接收/发送单元、一个流控制器、一个用于存放网络地址的内容可寻址存储单元和一系列命令/状态寄存器。
2.2 功能介绍
S3C4510B芯片作为系统的主控制芯片,负责控制嵌入式网络数字摄像系统的正常工作,包括将压缩后的图像数据按照TCPIP协议发送到互联网中的计算机上并接收计算机的命令修改系统工作参数等。
系统加电后,S3C4510B芯片自动从地址0x00处运行系统程序。系统程序首先初始化异常向量表,之后初始化1K×32bits的系统堆栈区,用于存放出现异常情况(中断)时的寄存器值。然后,系统程序设置系统正常工作时的各个存储区起始地址及存储区容量,将地址0x00000～0x7FFFF共512K×32bits范围作为程序存储区(ROM),用于存放系统程序和用户程序;将地址0x1000000～0x10FFFFF共1M×32bits作为程序/数据存储区(RAM),又将该段存储区分为用户
程序段、用户堆栈段和用户数据段;将片内存储区地址映射到0x3FE0000～0x3FEFFFF;将特殊寄存器区地址映射到0x3FF0000～0x3FFFFFF。最后系统程序设置片内寄存器的值,初始化S3C4510B芯片的各个外部接口,包括异步串行通信接口(UART)、计时器、可编程I/O口、以太网控制器等。在系统初始化结束后,自动进入用户模式,执行用户程序。
在用户模式下,摄像系统作为网络视频服务器。根据用户程序设置的MAC地址和IP地址,接收来自互联网中计算机发出的请求信号。当系统收到请求信号后,用户程序立即在本地与计算机建立TCP连接。将待传输的一帧压缩图像数据首先按TCP协议封装成TCP数据报,然后交付给IP层子程序封装成IP数据报,最后由S3C4510B芯片内的MAC控制器将其拆分封装成帧并发送到目的计算机上。当有多个计算机用户发出请求信号时,用户程序会在数据存储区中设置一个用户列表,自动根据各个计算机的IP地址和建立连接时的端口号分别发送图像数据。图4显示了用户程序与一台计算机发送和接收TCP/IP数据报的流程图。目的计算机将接收到的TCP/IP数据报解封,恢复成JPEG压缩图像帧,再解压缩,完成视频图像流的接收和播放。
用户程序在发送数据帧的同时,会根据图像数据发送的速度及网络的拥塞情况,自动通过异步串行通信接口(UART0)向VC5416芯片发送控制信号,及时改变图像采集和压缩的速率。本系统在发送视频数据的同时,还能够接收来自计算机的控制命令。根据不同的控制命令,系统也可以完成对图像分辨率、图像帧速率等指标的调节。
本文介绍的网络数字摄像系统目前运行于评估板平台上,下一步将继续进行系统的集成和优化并最终实现产品化。由于该设计方案采用高性能的32位微控制器和多个通用可编程器件(FPGA和DSP),因此该系统能够支持VxWorks嵌入式实时操作系统和更为复杂的应用程序。而且软件和硬件设计只需稍加改进就能实现无线联网,使得数字摄像系统能在移动中传输实时图像。该网络数字摄像系统具有硬件集成度高、图像传输实时性好、操作简单、维护方便等优点。可以用于电视会议、电讯基站、智能楼宇、银行的保安监控以及交通违章和流量管理等。
篇二：网络视频服务器和矩阵系统的结合应用
随着网络技术和视频压缩技术的发展，在城市治安监控为代表的视频监控项目建设热潮中，已经越来越多的采用基于网络视频的方式来实现。但是在网络视频监控系统的实施过程中，普遍存在两个比较典型的问题：其一是网络资源不足的情况下，如何利用有限的带宽保证重要数据的传输;其二是老、旧的模拟矩阵监控系统如何合理再利用。在这种形势下，采用何种建设模式来有效解决这些问题，是广大厂商和用户都关切的焦点所在。 作为业内知名的整体解决方案提供商，结合大量实际工程项目的建设经验，天地伟业认为，采用网络视频监控系统和矩阵系统相结合的多模式综合视频监控系统能有效解决上述的两大矛盾。通过对现有成功案例的分析和总结，我们可以将矩阵系统和网络视频监控系统的结合应用归结为四种典型的模式：DVS模式、矩阵切换器模式、D+M模式和网络矩阵模式，在同一个工程项目的建设中，这四种模式可以相互并存，并可接入同一个平台进行管理。为帮助读者朋友们更深刻理解系统的架构，请参考以下拓扑图：
1、DVS模式
这种模式可以理解为常规的网络视频监控模式，前端的网络视频监控设备，如网络视频服务器(视频输入由模拟摄像机提供)、网络摄像机、网络球等直接接入监控网络(LAN/WAN)。这种模式具备施工简便、分布灵活、管理方便的特点。在新的监控点建设中特别适合采用这种方式，目前在大多数的城市安防、智能小区监控、校园监控等项目中都大量采用这种方式来新建或者扩建监控系统。同时由于天地伟业在网络视频监控产品的研发设计中充分融入了矩阵和
DVR系统的多项优势要素，例如：虚拟矩阵、并发多码流、PPPoE、DDNS、RTSP、FTP等，在实际应用中，天地伟业的每一台网络视频监控设备都起到了小型综合视频监控主机的作用，不管是常规的音频、视频、报警数据还是特殊场合的其他检测数据(温湿度、电流电压等)，都可以接入网络视频监控设备，通过网络传输后再在后端直接调用或者分析处理，从而使得视频监控的设计和建设变得比以往任何时候都简单。
2、矩阵切换器模式
矩阵切换器是天地伟业推出的一款全新概念的产品，产品支持多路数(>8路)输入，具备编码功能，可以选择性的将某几路(可远程切换选择)的视频进行编码压缩并通过网络传输到远程的后端平台，还可以在设备中扩展存储介质将视频数据储存在本地。特别适合应用在网络带宽资源不足的场合：在基层监控和指挥中心采用本地存储，响应速度快，数据保存完整;在上级指挥中心通过网络调用基层的实时视频和存储数据，实现成本低，灵活方便。这种设备正是充分考虑客户现场需求，借助于强大的矩阵和网络监控技术基础开发的市场导向型新产品。
3、D+M模式
网络视频服务器加矩阵的模式，应用场合主要集中在原有老、旧系统的升级改造上。在视频联网监控项目建设中，如果系统中原有一部分老的模拟矩阵系统，采用这种模式可以最大限度的利用原有的设备，达到节省成本的目的。在这种模式下，我们只需增加若干网络视频服务器(插卡式或者独立式)，将矩阵的一部分模拟输出接入网络视频服务器的视频输入，利用两者的串口进行数据通信，即可简单实现对原有模拟系统的数字化和网络化升级改造。特别要提出的是，由于目前国内各类型的矩阵控制协议并没有实现彻底的标准化，导致很多厂家的矩阵与其他厂家的网络视频服务器无法顺畅的通信，针对这一特点，天地伟业特别在网络视频服务器中引入透明通信通道的关键技术，利用该技术，可基本实现与不同厂家矩阵系统的无缝对接。在实际的工程应用中，利用这一关键技术，天地伟业已经成功协助客户解决了多个老系统升级中的通信和兼容问题，为工程商和甲方节省了大量的产品成本和实施经费。
4、网络矩阵模式
目前我们常常听到的网络矩阵这一概念，从其所能实现的功能上可以细分为两类：第一类可以称之为网络(设置)矩阵，可以通过网络来进行设置和控制，视频仍然利用光纤来传输，这类矩阵在大规模矩阵级联系统的构建中优势明显，由于所有节点的控制、设置等信息的通讯全部通过网络完成，使得施工更简单，通讯范围也可以更大，天地伟业的TC-8800系列新型矩阵系统就是很好的代表;第二类网络矩阵则不仅可以通过网络实现控制、设置等信息的通讯，还可以远程调用若干路前端的视频，但是这类矩阵一般不会使用在纯模拟的级联系统中，大多数的应用还是集中在本文所讨论的综合应用系统中，这类矩阵的典型代表是天地伟业的TC-8700-N系列网络矩阵。本文中提及的网络矩阵一般指第二类方式。
网络矩阵一般也是用在新建的监控系统中，与矩阵切换器类似，网络矩阵普遍具有更大的输入路数，同时具有模拟视频输出，可以在本地建设大规模的模拟监控中心。根据实际需求，用户可以自由的选择刀片式网络视频模块的数量而无需额外的配置和设置。以TC-8700-N4为例，如果客户只需通过网络上传4路图像，则只需要一片网络视频模块，如需上传8路，则只需增加一片网络视频模块即可，如此类推。
前端通过这四种典型的模式将视频数据接入网络以后，客户端可以统一采用天地伟业的网络综合管理平台来实现对前端所有设备的管理，包括：DVS、矩阵切换器、网络矩阵等。而对用户而言，一旦系统配置完毕，就不再需要关心前端是采用何种方式构建的，因为所有接入模式最终唯一的接口都是IP地址。通过以上的分析，我们不难发现，利用这种综合接入模式构建的系统是完全搭建在网络骨架上的，并且是模拟和数字相结合的，既充分发挥了网络传输灵活、方便的特点，又保证了本地监控的实时性。在旧系统的升级改造中，应用这种综合接入的模式还可以节省大量的成本。
目前国内的视频监控领域正处于一个急速增长期，一方面是大量的新系统函待建设，另一方面是原有的旧系统急需升级改造，在这种形势下，天地伟业认为采用矩阵、DVR和网络视频监控相结合的多模式综合视频监控系统将是大
势所趋，也是节约成本、创建节约型社会的使命所需。
篇三：机房远程监控系统方案(31页)
概述
随着视频压缩技术和网络技术的不断发展，基于IP的远程监控系统已经在各行业开始广为采用。特别是针对一些分散的目标场所的监控，基于IP的监控解决方案更显示出强大的优势，不仅可以跨越较大的地理范围，而且系统结构清晰，维护也非常方便。同时，系统也具有较强的扩展升级能力，可以很好地保护原有的投资。特别是对于一个需要建立多个分控中心或需要远程登录的监控需求，这种方案的优势就更加明显。
IPView监控系统解决方案融合了目前监控领域两项最为领先的技术：MPEG4压缩和组播（Multicast）。MPEG4为IPView解决方案提供了在低带宽占用情况下传输高品质图像的能力，根据我们的项目经验，通常在300k-400k/秒的带宽占用时即可提供30帧/秒（NTSC）的全实时动态视频图像。而组播（Multicast）则可以在一个视频流带宽占用情况下为多个用户提供视频图像，该功能不仅可以使多个用户同时监视前端摄像机的视频图像，而且可以大大降低带宽的占用。IPView监控系统可以构建在局域网或者跨越多个网关的广域网上，系统可以大范围扩展。
不仅如此，在其它方面，如录像的分布式存储、远程回放、多画面分割并自动切换等操作功能方面，IPView也做得同样出色。正是由于IPView产品的诸多优势，我们在本次方案设计中，系统核心均采用IPView系列产品。
目 录
1. 标书说明 ............................................................................................................................. 4
1.1 方案书设计依据 .......................................................................................................... 4
2. 设计原则 ............................................................................................................................. 5
2.1
2.2
2.3
2.4 标书设计原则 .............................................................................................................. 5 系统设计原则 .............................................................................................................. 5 系统配置方案概述 ...................................................................................................... 6 系统设计规范 .............................................................................................................. 7
3. 系统设计 ............................................................................................................................. 9
3.1 技术说明 ...................................................................................................................... 9
3.1.1 术语表 ................................................................................................................... 9
3.1.2 比较分析 ............................................................................................................. 10
3.2 系统概述 .................................................................................................................... 11
3.3 系统特点 .................................................................................................................... 12
3.4 系统原理 .................................................................................................................... 13 系统流程 ........................................................................................................................... 13 接口说明 ........................................................................................................................... 15
4. 系统结构 ........................................................................................................................... 16
4.1 软件结构 .................................................................................................................... 16
4.2 硬件结构 .................................................................................................................... 16
5. 系统功能 ........................................................................................................................... 19
5.1 视频监视 .................................................................................................................... 19
5.2 报警与控制 ................................................................................................................ 20
5.3 系统管理 .................................................................................................................... 20
6. 系统设备 ........................................................................................................................... 21
6.1 软件系统 .................................................................................................................... 21
6.1.1 视频服务器软件（IPView Server） .................................................................. 21
6.1.2 监视工作站软件（IPView Client） ................................................................... 22
6.2 硬件设备 .................................................................................................................... 23
6.2.1 VDT150e.视频服务器 ............................................................................................ 23
6.2.2 摄像机 ................................................................................................................. 26
6.2.3 烟感探头 ............................................................................................................. 27
7. 项目实施 ........................................................................................................................... 29
7.1
7.2
7.3 方案实施步骤 ............................................................................................................ 29 培训计划 .................................................................................................................... 29 客户服务 .................................................................................................................... 30
7.4
7.5
技术培训、文档资料 ................................................................................................ 31 施工安排、工程费、培训费 .................................................................................... 31
1. 标书说明
1.1 方案书设计依据
本技术方案书是深圳市康明达科技有限公司为深圳高新区信息网有限公司制定的机房视频监控解决方案。我们在接到深圳高新区信息网有限公司（下称“信息网公司”）的邀标申请后，认真研究并分析了<<邀标书附件>>中所提出的具体要求及图像监控系统未来的网络化趋势，决定采用融合了先进的视频压缩技术（MPEG4）和网络视频流处理技术（Multicast）的IPView系列产品。本方案本着从用户需求出发、节省投资而又保持系统先进性的原则而专门为用户设计。
本技术方案书完全能满足信息网公司制定的<<邀标书附件>>中提出的所有要求，并为系统的未来扩展预留足够的扩展空间，系统在目前的基础上，可以很方便地进行二期系统建设。在目前的配置下，系统可以接入多至48个前端视频服务器，并可扩展至更多。
2. 设计原则
2.1 标书设计原则
为了能够准确全面的满足信息网公司现有的需求及远景规划，本方案书将按遵从先整体，后局部的原则，层层介绍我公司提出的解决方案。以便信息网公司有关专家和领导能够更好地评估我公司提出解决方案。同时，本方案书在设计时，按照面向对象的设计原则，先将复杂系统划分成较简单的子系统、再将子系统划分为更简单的子系统，直至子系统在工程上可以方便实现。
2.2 系统设计原则
? 可靠性原则
本系统的设计中，对各子系统的可靠性作了充分考虑，必要时采用备份，以提高系统的可靠性。采用备份的子系统，应不影响系统的性能与功能。优选具有故障自诊断和自恢复功能的设备。
? 成熟性原则
本系统设计中确保只选择成熟、稳定、运行良好、技术可靠的设备，核心的前端设备全部采用进口产品，可以确保系统运行稳定。
? 性能/价格原则
在本方案中，性能/价格是我们选择设备的最重要的指标，以期在节省造价的前提下，提供最好的系统性能。
? 数字化原则
根据国际CCITT组织提出的建议，结合实际情况，在数字/模拟均可实现的情况下我们首选数字信号。
? 系统高度集成化
传统的设计是将各监控子系统做成自封闭的系统，因此在实现集中监控时，通常会发现监控系统设备数量多，设备利用率低，很难实现集中管理等缺点。本方案充分利用现代通信技术、计算机网络技术和远程控制技术，将各分散的前端系统通过光纤网络与监控中心相连。功能强大的系统软件与先进的数字传输体系完美地结合在一起，通过完善的程序设计真正实现智能化控制管理。
? 技术先进性原则
在本方案设计中，我们均采用了国际上最为选进的MPEG4视频压缩技术和基于IP网络的视频传输技术，可以确保在5-10年保持系统的先进性；同时，由于采用了先进的VSIP的视频传输技术，不仅可以使系统无限扩展，而且可以和标准的IP网络产品实现无缝互联互通。在未来的系统联网扩展或改造进程中，本方案书设计可以实现完全保
《Ipview新型网络视频服务器的应用设计方案》出自：百味书屋
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