王 東 張為公 孫 偉 程 寅

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院1) 南京 210096)(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院2) 南京 210096)

1 引言

由于視頻圖像包含的信息直觀、豐富,車載視頻記錄儀在約束駕駛?cè)藛T的不良駕駛行為、保障車輛行駛安全以及道路交通事故的分析鑒定方面,相對(duì)于傳統(tǒng)的人工監(jiān)督、抽樣檢查、事后取證等方法,具有積極、重要的作用。近幾年來(lái)的統(tǒng)計(jì)資料表明:使用車載視頻記錄儀,交通事故發(fā)生率降低了52%,大大減少了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,產(chǎn)生了明顯的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。歐盟、日本等國(guó)家早已開(kāi)始以立法的形式在部分客運(yùn)車輛及貨車上強(qiáng)制安裝使用,我國(guó)目前市場(chǎng)上也有類似產(chǎn)品,但視頻存儲(chǔ)的可靠性和圖像畫質(zhì)不盡如人意,產(chǎn)品的成本也過(guò)高。本文采用嵌入式方案,設(shè)計(jì)了一種低成本的、基于TMS320DM642的車載視頻記錄儀,有效解決了圖像存儲(chǔ)質(zhì)量低和車載環(huán)境下電源穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

車載視頻記錄儀主要分為視頻處理和視頻存儲(chǔ)兩大部分,總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。攝像頭采集的視頻信號(hào),經(jīng)過(guò)前向通道(選用SAA7115)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)送入視頻處理芯片(選用TMS320DM642)。視頻處理芯片將沒(méi)有壓縮的視頻信號(hào)讀入后通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)OSD(On Screen Display),送去視頻后向通道(選用SAA7105)經(jīng)顯示器顯示;同時(shí)用優(yōu)化的H.264壓縮算法對(duì)視頻流進(jìn)行壓縮,將壓縮后的視頻信號(hào)通過(guò)網(wǎng)口傳遞給以ARM為核心的存儲(chǔ)模塊,ARM接收數(shù)據(jù)后將其存為通用的視頻格式(AVI等)并將其存入SD卡。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 視頻處理器的選擇及TMS320DM642

視頻處理,特別是視頻壓縮算法對(duì)處理器的運(yùn)算能力有較高的要求。一些高品質(zhì)的處理器,比如PC機(jī)、PC104等都能滿足這樣的要求,但是它們成本較高,不利于產(chǎn)品的推廣,而且這些處理器不能夠適應(yīng)車載的顛簸環(huán)境。通過(guò)比較,選擇了TI公司C6000系列的一款芯片—TMS320DM642。該款芯片采用C64x內(nèi)核,可工作在600MHz的時(shí)鐘速率下,巔峰達(dá)到4800MPIS的計(jì)算速度,足以能夠?qū)崿F(xiàn)H.264圖像壓縮算法。另外,其兩級(jí)緩存結(jié)構(gòu)能提供1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)2個(gè)64bit的讀取或存儲(chǔ),可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量圖像的采集和存儲(chǔ)。同時(shí),TMS320DM642還提供3個(gè)可配置的視頻端口(用于視頻采集和回顯);10/100兆字節(jié)每秒的以太網(wǎng)測(cè)量與控制模塊(傳輸壓縮視頻信號(hào));內(nèi)嵌完備的I2C總線模塊(控制視頻編解碼芯片);66兆赫茲的32位外圍設(shè)備擴(kuò)展接口(通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)OSD)等[1]。因此,選擇 TMS320DM642做為視頻處理的核心芯片是合理并且可行的。

2.2 存儲(chǔ)方式的選擇

視頻存儲(chǔ)要求存儲(chǔ)介質(zhì)容量大、讀寫速度快、價(jià)格低廉,SD卡能適車載環(huán)境下應(yīng)較為顛簸的路況環(huán)境,不容易損壞和故障,相比于傳統(tǒng)用硬盤為存儲(chǔ)介質(zhì)的視頻記錄儀,具有明顯的優(yōu)勢(shì),因此本文采用SD卡為存儲(chǔ)介質(zhì)。如果直接將SD卡與TMS320DM642相連將存在以下兩個(gè)問(wèn)題。一方面,TMS320DM642沒(méi)有現(xiàn)成的對(duì)SD卡的接口,必須自行編寫SD卡的驅(qū)動(dòng)程序,工作量非常大;另一方面,即使有了驅(qū)動(dòng),TMS320DM642要完成視頻處理、視頻壓縮算法等工作,以及SD卡的讀寫,系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性將下降,以至于不能夠?qū)崿F(xiàn)流暢視頻的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)。基于以上考慮,本文采用DSP+ARM的結(jié)構(gòu),因?yàn)锳RM有現(xiàn)成的對(duì)SD卡的接口,通過(guò)它可以方便的將壓縮后的視頻信號(hào)存入SD卡中。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 DM642最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DM642最小系統(tǒng)能夠保證視頻壓縮和處理的順利完成,這部分主要包括SDRAM、FLASH以及串口設(shè)計(jì),DM642最小系統(tǒng)圖如圖2所示。在本文中,SDRAM采用地址總線共用的方法將兩片M T48LC4M32B合成為一個(gè)4M×64的高速SDRAM。SDRAM 的地址被配置到CE0,尋址空間為 0x8000 0000～0x81FF FFFF,時(shí)鐘則由DM642的 ECLKOUT1引腳提供(設(shè)定為133MHz)。FLASH 選用的是AM29LV033C,數(shù)據(jù)寬度為8位,地址線22位,其中最初的1K用來(lái)存放DSP的啟動(dòng)代碼。串口芯片采用16c2554芯片,并和其他外設(shè)一起占用CE1從0x9008 0000開(kāi)始的一段地址。CPLD(選用EPM3032A芯片)則起地址譯碼器的作用。另外用網(wǎng)口將壓縮好的視頻信息傳送給ARM,JTAG則用于在線仿真調(diào)試。

3.2 視頻處理通道的設(shè)計(jì)

圖2 DM642最小系統(tǒng)圖

該部分為視頻處理的前向和后向通道,高性能、高速度的視頻編解碼芯片使得高畫質(zhì)視頻能夠?qū)崟r(shí)的送交DM642處理并回顯。DM642有三個(gè)可配置的視頻口VP0、VP1和VP2(其中VP0、VP1為多功能復(fù)用VP2為單一定義引腳),每個(gè)視頻口又可分為A、B兩個(gè)通道,可同時(shí)配置為視頻輸入或輸出。在視頻采集前向通道中,模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)Philips公司的視頻解碼芯片SAA7115以后,變成標(biāo)準(zhǔn)的 BT.656格式信號(hào),并和DM642的VP0口相連。視頻后向輸出通道中,由DM642輸出的BT.656視頻信號(hào)加上FPGA疊加上去的信息,經(jīng)過(guò)芯片SAA7105時(shí)能被分離出Y信號(hào)、Cb信號(hào)和Cr信號(hào),并由片內(nèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成各個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)輸出,實(shí)現(xiàn)視頻解碼。視頻編解碼芯片都通過(guò)I2C總線進(jìn)行配置,并采用外接晶振。視頻處理通道的原理圖如圖3所示。

圖3 視頻輸入輸出通道圖

3.3 視頻存儲(chǔ)部分硬件設(shè)計(jì)

在視頻存儲(chǔ)部分,ARM芯片選用 LPC2378,在最小系統(tǒng)完成后,由于有現(xiàn)成的SD卡驅(qū)動(dòng),讀寫操作非常方便,只需將ARM對(duì)應(yīng)的端口與SD卡相連。硬件上有9根連接線(分為電源線、地線、時(shí)鐘線、命令線和四根數(shù)據(jù)線)和若干限流電阻以及電壓保護(hù)二極管,這使得即使在顛簸的車載環(huán)境中,SD卡中的數(shù)據(jù)也不會(huì)損壞和丟失,SD卡硬件連接圖如圖4所示[2～3]。

圖4 SD卡硬件連接圖

3.4 電源調(diào)理設(shè)計(jì)

在車載環(huán)境下,電源的穩(wěn)定性對(duì)圖像的質(zhì)量影響很大,車內(nèi)所有的用電器都是并聯(lián)在一個(gè)蓄電池上的,互相之間會(huì)有干擾,傳統(tǒng)視頻記錄儀的圖像變形很大程度上是由電源不穩(wěn)定造成的。本文中采用了如圖5所示的電源調(diào)理電路。保險(xiǎn)絲F1和二極管D1分別在短路和電源反接時(shí)對(duì)電路進(jìn)行保護(hù),TVS管Z1用來(lái)抑制瞬間高電壓脈沖,共模電感能有效消除共模干擾,這樣處理后就能得到較穩(wěn)定的電壓。系統(tǒng)的部分外設(shè)需要5V電壓,DSP工作時(shí)需要3.3V的外圍I/O電壓和1.4V的核心電壓,ARM則需要有3.3V的工作電壓。本文采用了開(kāi)關(guān)電源芯片LM2576將電壓轉(zhuǎn)為5V,該芯片的輸出電流最高可達(dá)3A,能夠滿足系統(tǒng)的功率要求,5V電壓再分別由LP3966得到3.3V電壓,MAX1951得到1.4V的電壓。其中5V電源部分紋波和傳統(tǒng)設(shè)備相比從100mV以上下降到了50mV以內(nèi),如圖6和圖7所示[4]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件處理流程

在軟件處理過(guò)程中,視頻壓縮算法即使優(yōu)化以后也會(huì)占用大量的內(nèi)存和CPU資源,為了節(jié)省開(kāi)銷,系統(tǒng)只在需要進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)才調(diào)用視頻壓縮程序,否則只實(shí)現(xiàn)采集和回顯功能。軟件處理流程圖如圖8所示。

區(qū)別于傳統(tǒng)視頻記錄儀的單一記錄功能,本文在手動(dòng)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上加入了基于模式識(shí)別的駕駛行為異常的自動(dòng)存儲(chǔ)和報(bào)警,比如異常偏離車道報(bào)警、駕駛員疲勞駕駛以及營(yíng)運(yùn)車輛超載監(jiān)控報(bào)警等,這些報(bào)警信息將利用FPGA的OSD功能,在回顯屏幕上指示出來(lái)。通過(guò)軟件包的升級(jí),在不變的硬件平臺(tái)上能夠集成多種功能,大大提高了駕駛的安全性。

圖8 軟件處理流程圖

4.2 H.264算法與優(yōu)化

H.264是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電信聯(lián)盟(IT U)共同提出的繼MPEG4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式,它既保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和精華又具有其他壓縮技術(shù)無(wú)法比擬的諸如低碼流、圖像質(zhì)量高、容錯(cuò)能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)。

要在TMS320DM642中實(shí)現(xiàn)H.264算法,需要對(duì)算法進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化,過(guò)程一般分為3個(gè)階段:第一階段編寫C代碼,第二階段優(yōu)化C代碼,第三階段編寫線性匯編[5]。

H.264核心功能都是通過(guò)調(diào)用 VideoCaptureVpStart和test264Enc函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。VideoCaptureVpStart負(fù)責(zé)整個(gè)流程中各幀圖像的采集,test264Enc則對(duì)VideoCaptureStart采集到的每幀圖像依次編碼,整個(gè)tskVideoCapture任務(wù)的主要代碼如下:

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 系統(tǒng)工作連接圖

H.264的編碼率直接影響到圖像的質(zhì)量,通過(guò)對(duì)50～1600Kb/S不同編碼率下的動(dòng)態(tài)圖像對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖10所示,發(fā)現(xiàn)碼率在 900～1600Kb/S之間時(shí),圖像質(zhì)量差距不大;碼率在50～400Kb/S之間時(shí),圖像模糊,細(xì)節(jié)信息丟失。因此,將碼率設(shè)定在 400～900Kb/S之間為宜,對(duì)應(yīng)于2GB的SD卡,各碼率的存儲(chǔ)極限時(shí)間如表1所示?？梢钥闯?在使用600k的編碼率時(shí),一張2G的SD卡可以存儲(chǔ)781分鐘,約13個(gè)小時(shí)的視頻文件,足以滿足正常車輛一天的使用。

表1 不同視頻編碼率下可存儲(chǔ)的總文件時(shí)長(zhǎng)

圖11為傳統(tǒng)的車載視頻記錄儀存儲(chǔ)的視頻圖像,圖12為本文設(shè)計(jì)的記錄儀存儲(chǔ)的視頻圖像(右上角黑色方框?yàn)檐嚨榔x報(bào)警提示),對(duì)比二者不難看出,本文采用優(yōu)化的H.264算法使得視頻圖像更加清晰,改進(jìn)的車載電源設(shè)計(jì)讓圖像更穩(wěn)定,以SD卡為存儲(chǔ)介質(zhì)后,使異常駕駛時(shí)的圖像信息得以長(zhǎng)時(shí)間可靠的保存,如圖中異常偏離車道時(shí)車輛、路況以及路標(biāo)等重要信息都被完整的保留下來(lái)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的車載視頻記錄儀。介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和視頻處理軟件流程。對(duì)傳統(tǒng)視頻記錄儀圖像質(zhì)量低,電源抗干擾能力差,功能單一無(wú)法擴(kuò)展等缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的記錄儀功能擴(kuò)展性強(qiáng),存儲(chǔ)的圖像清晰,可靠性好,適用于車載環(huán)境,可廣泛應(yīng)用于車道偏離檢測(cè)、駕駛員行為監(jiān)控等領(lǐng)域,并能為交通事故的責(zé)任認(rèn)定提供可靠依據(jù)。

[1]Texas Instruments.TMS320C6000 DSP/BIOS Application Programming Interface(API)Reference Guide&TMS320C6000 Programmer's Guide[S].2002

[2]楊忻愷,張為公,于兵,等.基于DSP的車載視頻監(jiān)控存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子器件,2009,32(4):806～808

[3]Qiang Wu,Kebin Jia,Xuwen Li.Study On Vehicle Video Blackbox with Acceleration Sensitive Function[C]//2008 International Conference on MultiMedia and Information Technology

[4]Jun Wu,Zhi-Tao Xiao.Design of Communication Interface in a Video Vehicular Detection System Based on ARMand DSP[J].ICSP2008

[5]張彤宇,蘇睿.H.264/AVC視頻編碼器在DM642平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2005,22(12)