系统工程论文嵌入式多源高清视频监控系统设计与实现

来源：核心期刊咨询网时间：12

摘要：这篇系统工程论文发表了嵌入式多源高清视频监控系统设计与实现，跟随视频监控系统的发展趋势，多源高清视频监控系统不断成熟发展，具有了视频和辅助信息同步功能，为下一步智能化提供了技术支持，论文对此技术的简介和方案设计进行了论述。

　　这篇系统工程论文发表了嵌入式多源高清视频监控系统设计与实现，跟随视频监控系统的发展趋势，多源高清视频监控系统不断成熟发展，具有了视频和辅助信息同步功能，为下一步智能化提供了技术支持，论文对此技术的简介和方案设计进行了论述。

　　摘 要： 针对高清视频监控系统的实际应用，基于FPGA和DSP嵌入式技术，设计并实现了一套基于FPGA和DSP嵌入式技术的多源高清视频监控系统。其中以FPGA和DSP芯片为板卡核心，采用模块化设计思想，实现了四路压缩视频流的解压缩和图像处理功能。使用SOPC构建基于Nios Ⅱ软核处理器的微控制器系统，实现视频的数据格式转换、缩放和叠加功能，将四路视频叠加拼接成一路视频。利用硬件编程实现视频流与辅助信息的同步，将整合后的视频数据通过PCI接口传输给上位机应用程序显示。最终通过试验给出了系统的监控效果，证明了系统的可行性和优越性。

　　关键词：系统工程论文,视频监控,SOPC软核,PCI通信

　　Design and implementation of embedded multi?source HD video monitoring system

　　QU Zhaogui

　　(Sichuan Technology and Business University， Chengdu 611745， China)

　　Abstract： For the actual application of HD video monitoring system， a set multi?source HD video monitoring system based on FPGA and DSP embedded technologies was designed and realized， in which the FPGA and DSP chips are taken as the core of the board， and the modular design thought is adopted to realize the uncompress and image processing functions of the four?channel compressed video stream. The SOPC is used to construct the microcontroller system based on Nios Ⅱ soft?core processor to realize the format conversion， scaling and superposition functions of the video data， and superpose and splice the four?channel videos into one?channel video. The synchronization of video stream and auxiliary information is implemented by means of hardware programming. The integrated video data is transmitted to the upper computer application program through PCI interface for display. The system monitoring result is given by the tests. The feasibility and superiority of the system were proved.

　　Keywords： video monitoring; FPGA; DSP; SOPC soft?core; PCI communication

　　0 引 言

　　随着图像压缩技术、网络传输技术和嵌入式技术的快速发展，使得以微控制器为核心、软硬件相结合的嵌入式视频监控系统成为国内外许多学者的研究课题。当前诸如美、日、加拿大等国的视频监控系统由于长期发展和积累的技术，加上政府的大力支持，处于领先优势，而国内的视频监控系统发展较为缓慢，研发力度相对欠缺，仍然处于研究实践阶段。但随着国内市场需求的不断增强，其发展的潜力也不容忽视，新一代智能化的视频监控系统将会得到越来越多的投入和建设。本文所设计的多源高清视频监控系统紧跟视频监控系统的发展趋势，能够实时处理四路高清监控视频，同时具有视频与辅助信息同步的功能，为下一步智能化处理提供了技术支持，具备多源化、高清化及智能化等优点，具有广阔的实用价值。

　　1 技术简介与方案设计

　　随着人们对多媒体的需求往高清化发展，各种数字视频所包含的信息量也日益增强，传输网络所需要的带宽面临着极大的挑战[3]。视频编解码技术成为视频监控技术发展的关键因素，也是视频监控系统降低传输成本和存储成本的一个重要手段。目前市场上常用的几种编码解码标准是：H.261标准，H.263标准，MPEG?1标准，MPEG?2(H.262)标准，MPEG?4标准，H.264标准。本系统中前端输入数据为四路像素值大小为1 024×768的高清视频数据，采用压缩率高的H.264标准对四路视频进行压缩。

　　高分辨率的视频图像数据非常庞大，需要按照一定格式存储和传输，目前常用的存储格式有YUV和RGB两种。为节省高清视频数据的传输带宽和存储空间，图像在编码过程中采样的格式也有不同，常用的有4[∶]4[∶]4，4[∶]2[∶]2两种。在视频监控系统中，图像的叠加操作是非常常见的，图像叠加需要将多路图像经过特殊算法处理整合成一路输出。不同摄像头获得的监控图像相当于不同的图层，改变这些图层的顺序和属性就可以改变叠加后图像的效果，其中属性包括各个图层的像素值、透明度等。本文中的多源高清视频监控系统还需要根据用户需求自动缩放某一路视频图像到指定大小。在处理高清视频过程中，性能较好的缩放算法非常重要。本系统中采用基于嵌入式的硬件编程方式来实现高分辨率的图像缩放，在FPGA中直接调用IP核。

　　本文设计的多源高清视频监控系统建立在实验的基础上，具有很强的通用性。系统分为上位机和板卡两部分，其中上位机主要用于接收网络视频和显示整合视频，板卡用于处理监控视频。该系统要求能实现以下功能：

　　(1) 系统配套的上位机应用程序能够通过网络接收压缩视频数据和辅助信息，并打包下发给处理板卡。

　　(2) 处理板卡通过PCI接口接收压缩视频流和辅助信息，对视频流进行解压缩、格式转换、缩放和叠加等处理，对辅助信息进行缓存处理。

　　(3) 系统具备容错机制，处理后的视频流要跟辅助信息同步后再上传给上位机应用程序，同时应用程序显示监控图像并将辅助信息存放到指定内存中。

　　(4) 系统可以工作在三种显示模式下：四分屏、画中画和全屏模式。三种模式可自由切换，上位机应用程序可使用按钮操作或点击屏幕操作实现模式之间的转换。

　　值得一提的是，SOPC是一种特殊的嵌入式系统，SOPC有三种常用构成方案[4]：基于FPGA嵌入式IP硬核的SOPC系统、基于FPGA嵌入式IP软核的SOPC系统和基于HardCopy技术的SOPC系统。完整的基于Nios Ⅱ的SOPC系统是一个软硬件复合的系统，Nios Ⅱ的硬件设计是为了定制合适的CPU和外设，在SOPC Builder和Quartus Ⅱ中完成。完成Nios Ⅱ的硬件开发后，SOPC Builder可自动生成与自定义的Nios Ⅱ CPU和外设系统、存储器、外设地址映射等相应的软件开发包SDK，在生成的SDK基础上，进入软件开发流程。用户可使用汇编或C，甚至C++进行嵌入式程序设计，使用GNU工具或第三方工具进行程序的编译连接以及调试。

　　根据系统功能需求和技术指标，本文提出一种嵌入式视频监控系统的解决方案，其整体架构如图1所示。

　　针对系统功能需求和技术指标，提出的基于FPGA+DSP架构的视频监控系统由上位机和处理板卡组成。其中处理板卡包括FPGA芯片和DSP 芯片，FPGA芯片负责系统数据传输和信号控制功能，DSP芯片负责视频流的解码功能。上位机是面向用户的应用软件，包括接收远程压缩视频流并传输给处理板卡，同时显示处理后的整合视频流。

　　2 系统的硬件及工作流程设计

　　由于系统输入指标要求至少能够处理四路压缩视频流，因此采用四片DSP芯片实时解压缩四路视频流，同时需要一片FPGA芯片完成四路视频流的图像后处理功能[5]。在实现视频解压缩和视频后处理时，需要用到FLASH寄存器和DDR2寄存器来缓存视频数据和系统文件。系统的硬件总体框架如图2所示。

　　FPGA端主要分为五个小模块，分别为PCI接口模块、视频缓存模块、视频处理模块、同步模块、时钟复位模块。多源高清视频监控系统要求能够实现四路高清数据的传输和并行处理工作。整个多源高清视频监控系统的数据流从上位机下传到板卡，经过处理后再传输给上位机显示，其中经过多个模块，各个模块对数据的处理不同，导致接口处数据格式也不同。其中上位机与板卡之间通信也有一定协议，FPGA与DSP之间数据也遵循一定协议。

　　系统人机交互的响应由上位机应用程序来完成，系统工作流程如下：

　　(1) 点击上位机启动按钮，板卡和上位机初始化。

　　(2) 上位机读取网络数据，检测到四路压缩视频的IDR帧后，启动下传DMA，将四路压缩视频数据传输给板卡。

　　(3) FPGA通过PCI接口接收到四路压缩视频数据后，根据协议拆包，并分别缓存到四片DPRAM中，并给四片DSP发送中断。

　　(4) 四片DSP检测到各自的中断后，通过EMIF接口读取FPGA DPRAM中的视频数据并开始解码。

　　(5) 四片DSP将解码完成后的四路视频数据通过视频接口传输给FPGA。

　　(6) FPGA将解压缩的四路视频数据进行图像格式转换、缩放和叠加后，整合成一路视频数据，通过PCI接口传输给上位机。

　　(7) 上位机接收到整合视频数据后，进行显示。

　　(8) 系统默认情况下工作在四分屏模式下，当用户点击画中画或者全屏按钮时，上位机通过PCI接口配置 PCI 工作模式寄存器，FPGA检测到该寄存器的值有变化时，根据协议将四路视频图像进行图层变化，从而达到预期效果。

　　3 系统的软件设计

　　该系统的软件组成分为三个大模块，分别是FPGA模块、DSP模块和上位机应用程序模块。在本设计中，FPGA端又分为五个小模块，分别为PCI接口模块、视频缓存模块、视频处理模块、同步模块、时钟复位模块，如图3所示。

　　为提高系统的性能，设计两个复位信号：硬复位和软复位。前者通过板卡上的复位按钮实现，该复位按钮连接到FPGA上[6];后者通过上位机的复位按钮实现，PCI接口模块中初始化一个软复位寄存器，上位机检测到软复位信号后，配置软复位寄存器，FPGA检测到该寄存器值的变化，启动复位，从而实现软复位。

　　系统中的PCI接口模块主要实现四路高清视频数据的上下行通道的传输工作，传输数据量大，而且速度要求很快[7]。设计中采用PLDA公司的PCI Express IP 内核完成通信工作，该IP核支持32 b/64 b PCI?X&PCI主从模式读写，最高支持133 MHz 总 [本文由WWw. dYlW.nEt提供，第 一论文网专业电子技术类论文，欢迎光临dYLW.neT]线速度;给用户提供高达6个BAR空间和扩展ROM，用于配置寄存器;支持4 KB的突发传输大小;最高提供4个独立的DMA通道完成数据的高速传输。PCI板卡设备需要正确的配置才能正常工作，因此系统上电时，PC机上位机程序将会作为PCI主设备对板卡进行配置工作，正确配置后，板卡将会作为PCI主设备启动DMA读方式或写方式完成视频数据的传输工作。

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