基于达芬奇技术的视频采集系统设计

 近年来，随着建筑工地安全事故的频发，建筑工地安全监控管理越来越受到人们的重视。建筑工地由于地形复杂、疏于人员管理、环境更迭快等原因，存在很多安全隐患，所以需要在建筑工地中安装视频监控设备进行安全管理监控，以防止事故的发生。但是，现在市面上的视频监控系统普遍由一个摄像头搭配一套视频监控设备组成，而建筑工地往往需要安装很多视频监控设备，成本代价会很高。本文为节约建筑工地成本，设计了多个摄像头搭配一套视频监控设备的多路视频监控系统。
论文根据建筑工地对视频监控系统的需求，在研究视频监控系统结构和功能的基础上，对几种视频采集方案进行对比，设计基于TMS320DM6437+TVP5158的多路视频采集系统。具体工作主要有四部分。
首先，分析建筑工地视频监控系统的应用需求，设计系统的总体方案，并对方案进行分析。其次，对视频监控系统硬件进行设计，硬件设计主要包括核心板模块、电源模块、时钟模块、以太网模块以及视频采集模块，给出设计方案和部分原理图。再次，对视频监控系统软件进行设计，基于德州仪器(Texas Instruments, TI)公司提供的DSP/BIOS操作系统进行视频采集、视频编码和网络传输的设计，其中，视频采集部分包括视频前端驱动以及视频解码器驱动的设计；视频编码部分采用达芬奇平台提供的编解码引擎(Codec Engine)算法库对视频进行编码压缩；网络传输部分利用网络开发工具包设计视频的网络传输。最后，搭建测试环境，对系统方案进行测试验证，主要包括系统硬件平台测试、系统功能以及性能测试。测试结果表明：基于达芬奇技术的视频采集系统能够正常采集视频并在计算机上显示，性能整体达到设计之初提出的应用需求。

关键词：建筑工地，DM6437，多路采集，DSP/BIOS

Abstract
In recent years, with the frequent occurrence of safety accidents in construction sites, safety monitoring management of construction sites has been paid more and more attention to. Due to such reasons as complicated terrain, neglect of personnel management and fast environmental change, there are a lot of potential safety problems in construction sites. Therefore, it is necessary to install video monitoring equipment in construction sites to conduct safety management monitoring in order to prevent the happening of accidents. However, at present, video monitoring systems on the market are generally composed of a camera and a set of video monitoring equipment, while a lot of video monitoring equipment is usually needed to be installed in construction sites, and the cost price will be very high. In order to save the cost of construction sites, the thesis designs a multi-channel video monitoring system with multiple cameras matching and a set of video monitoring equipment.
According to construction sites’ demand for video monitoring system, on the basis of studying the structure and function of video monitoring system, the thesis compares several kinds of video acquisition schemes, and designs the video monitoring system based on TMS320DM6437+TVP5158. Specific work basically concludes the following sections:
First, the thesis analyzes the applied requirements of video monitoring systems in construction sites, designs an overall scheme of the system, and conducts an analysis on the scheme.Second, the thesis designs the hardware of video monitoring systems, mainly including core board module, power module, clock module, ethernet module and video acquisition module, and gives the design scheme and part of the principle diagram.Moreover, the thesis designs the software of video monitoring system, and based on DSP/BIOS operating system offered by Texas Instruments, conducts the design of the video capture, video coding and network transmission, among which, video capture includes the design of video front drive and video decoder drive; video coding applies Codec Engine algorithms library offered by DaVinci platform to conduct coding compression on videos; and network transmission utilizes network development kit to design video network transmission.Finally, the thesis sets up the testing environment, and conducts test validation on system schemes, mainly including system hardware platform test, system function and performance test. Test results show that: the video capture system based on DaVinci technology can normally capture videos and display them on the computer, and as a whole, the performance meet the application requirements proposed at the beginning of the design.

Keywords: Construction Cites, DM6437, Multi-channel Capture, DSP/BIOS

目录
图录 VII
表录 IX
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景与意义 1
1.2 视频监控系统研究现状与发展趋势 1
1.3 建筑监控系统应用现状 5
1.4 论文章节安排 6
1.5 本章小结 7
第2章 视频监控系统分析 8
2.1 系统需求分析 8
2.2 系统总体方案设计 9
2.3 系统主要器件选型 12
2.3.1 DM6437处理器 12
2.3.2 TVP5158视频解码器 14
2.4 达芬奇开发环境 15
2.5 本章小结 17
第3章 系统硬件设计 18
3.1 系统硬件总体设计 18
3.2 核心板模块 19
3.2.1 复位电路模块 19
3.2.2 外部存储器扩展模块 20
3.2.3 启动电路模块 24
3.2.4 JTAG仿真接口模块 25
3.3 电源模块 26
3.4 时钟模块 29
3.5 以太网模块 30
3.6 视频采集模块 32
3.7 本章小结 32
第4章 系统软件设计 34
4.1 系统软件总体设计 34
4.2 DSP/BIOS应用 35
4.2.1 DSP/BIOS简介 35
4.2.2 DSP/BIOS配置工具使用 35
4.3 视频采集设计 38
4.3.1 寄存器配置 38
4.3.2 FVID驱动设计 39
4.3.3 TVP5158接口驱动设计 42
4.3.4 复合视频信号分离 42
4.3.5 DMA传输 46
4.4 系统编码设计 47
4.4.1 Codec Engine原理 47
4.4.2 Codec Engine实现 49
4.5 系统网络传输设计 51
4.5.1 网络开发工具包NDK介绍 51
4.5.2 网络传输实现 52
4.6 系统线程同步处理 55
4.7 本章小结 57
第5章 系统测试与验证 58
5.1 测试环境搭建 58
5.2 硬件平台测试与验证 59
5.3 系统功能测试与验证 60
5.4 系统性能分析 61
5.4.1 编码性能测试 61
5.4.2 系统集成性能测试 62
5.5 本章小结 63
第6章 总结与展望 64
致谢 65
参考文献 66
攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果 69

图录
图2.1 视频监控系统总体设计方案 10
图2.2 TVP5150+DM642方案 11
图2.3 TVP5158+DM6437方案 11
图2.4 4路视频采集像素复用时序 14
图2.5 达芬奇开发平台框图 15
图3.1 系统硬件结构框图 18
图3.2 TPS3808G09的参考电路 19
图3.3 复位电路图 20
图3.4 DDR2与DM6437连接框图 22
图3.5 DDR2与DM6437相对位置图 22
图3.6 S29AL032D连接图 24
图3.7 启动电路模块图 24
图3.8 JTAG接口连接图 25
图3.9 TPS54310参考电路图 27
图3.10 TPS54310产生1.2V电压图 28
图3.11 TPS54310产生1.8V电压图 28
图3.12 TPS54310产生3.3V电压图 28
图3.13 TPS62040DGQ产生1.1V电压图 29
图3.14 EMAC/MDIO模块结构图 30
图3.15 DM6437与DM9161连接框图 31
图3.16 以太网电路图 31
图3.17 TVP5158与DM6437硬件连接图 32
图4.1 视频监控系统组成 34
图4.2 MEM属性配置 36
图4.3 PINMUX0引脚位定义 38
图4.4 视频采集驱动设计流程 41
图4.5 复合视频分离流程图 43
图4.6 超级帧结构图 43
图4.7 超级帧分离算法流程图 45
图4.8 系统缓存区管理分配图 45
图4.9 Codec Engine框架图 48
图4.10 视频编码流程图 50
图4.11 NDK功能模块图 51
图4.12 UDP客户/服务器socket开发流程图 52
图4.13 上位机IP地址配置图 53
图4.14 系统网络开发流程图 55
图4.15 系统线程间同步流程图 56
图5.1 系统测试环境示意图 58
图5.2 硬件测试平台 58
图5.3 模拟视频输入信号测试 60
图5.4 A/D转换视频输出信号测试 60
图5.5 上位机4通道显示界面 61
图5.6 上位机单路显示界面 61

表录
表3.1 主要元器件选型 18
表3.2 S29AL032D引脚说明 23
表3.3 启动模式配置 25
表3.4 TPS54310引脚功能说明 26
表4.1 ccdcParams结构体 40
表4.2 TVP5158寄存器配置 42
表4.3 metadata位定义表 43
表4.4 metadata位字段定义 44
表4.5 PaRAM 结构表 46
表5.1 电压测试对照表 59
表5.2 单路编码性能测试 62
表5.3 4路编码性能测试 62
表5.4 系统性能测试结果 63

第1章 绪论
1.1 课题研究背景与意义
近年来，我国正处于经济高速发展的重要时期，建筑市场规模越来越大，但是存在很多因素使得安全管理越来越难，比如工作流程复杂、人员流动大、工作环境差、工程质量要求高等，这对建筑安全造成了严峻的挑战[1]。
在建筑工地建设过程中，建筑工人需要注意自身安全，管理者需要保证施工进度顺利进行，政府部门又需要确保工程质量，加强施工安全管理势在必行[2]。
目前，建筑工地管理者通常采用现场巡查的方式对建筑工程的安全隐患进行排查，但是，毕竟精力有限，不可能全天候的待在现场进行监督。而且，现场监管者无法排查建筑工地不可预知的安全隐患，所以，采用视频监控系统进行建筑工地的监控非常重要。
在建筑工地安装视频监控系统，视频监控系统首先采集现场视频图像，然后传输到监控中心的显示器上进行显示，可以达到远程监控的目的。视频监控系统的优势在于减轻了人为的现场监视负担，提高了建筑质量水平，强化了建筑工地的安全管理，并且可以全天候、全范围的进行安全监管。
综上所述，设计出一套专门用于建筑工地视频监控的系统有着及其重要的意义，可以用它来帮助监管人员监督建筑工地的违章、违纪行为，从而保障建筑工地的安全实施，并提高管理效率。
1.2 视频监控系统研究现状与发展趋势
回顾视频监控技术的发展历史，视频监控系统大致有三个重要的发展阶段。从传统的模拟视频监控到基于计算机系统的数字视频监控，再到现在主流的基于互联网络的嵌入式视频监控，视频监控系统正朝着更高效、更智能的方向发展。
在20世纪70年代，被称为闭路电视的监控系统(Close Circuit Television, CCTV)作为第一代视频监控系统出现在人们的视线中，也就是模拟视频监控系统[3]。这种系统结构简单，对硬件要求不高，但该监控系统有很大的局限性，比如只能在本地进行监控，而且用于存储的设备还是在现在看来很落后的磁带，磁带的缺点显而易见，具有存放体积大、不便于检索的特点，所以已经被慢慢淘汰。
直到一九九零年，作为第二代视频监控系统的数字监控系统才逐渐取代模拟监控系统的地位，硬件录像机(igital Video Recorder, DVRD)就是这个时代的代表产物[4]。数字监控系统的主要特点是采用数字视频技术，并添加网络传输功能，将视频信息通过网络传输到监控中心。数字监控系统与模拟监控系统的本质区别在于数字化，数字化使得千变万化的信息可以转变为可度量的数字信息，首先建立数字化模型，然后转化为用0和1表示的二进制代码，并存入计算机内存，等待统一处理。在数字监控系统中，将音频和视频模拟信号转变为数字信号后，可以进行编码压缩处理，并可以进行远距离传输，这都是数字化的好处。数字视频监控系统的软硬件采用模块化、系统化的设计，使得系统在配置方面十分方便，系统的安装、调试和维修都更加简单，运行更加安全稳定。数字监控系统的优点主要有以及几个方面[5]：
1. 成像质量高。计算机对图像进行预处理后，输出在高分辨率的显示器上，使得图像更加清晰。
2. 传输距离远。数字信号在传输过程中不易受外界介质的影响，能够更好的保持原形。如果信息涉及到机密，还可以对传输信息进行加密处理。特别是在监控条件极端恶劣的环境中，数字监控系统也能够传输现场的真实数据。
3. 处理图像便捷。数字化由于是基于计算机解决方案的，计算机对视频进行分析处理后，能够获得图像中的异常信息并及时报警。
4. 查找信息简便。数字视频系统利用计算机对视频分析处理，能够快速搜索到人们想要的视频信息，这是过去的模拟视频系统所不具备的。
从21世纪开始，随着嵌入式系统技术的发展和网络带宽的提高，视频监控迎来了崭新的第三个发展阶段。这个阶段的监控系统集数字化、网络化和嵌入式结构为一体，被称为第三代视频监控系统[6]。嵌入式设备在近些年来发展迅速，视频监控系统通常使用ARM或DSP等嵌入式设备作为监控的主控设备。嵌入式设备由于具有硬件体积小、软件可编程、软硬件结合的特点，现在已经运用到各种各样的场合中，例如智能手机、数码相机、数字机顶盒等内部都使用了嵌入式设备。新一代的视频监控系统是由嵌入式处理器接收数字视频图像信号，将视频图像进行编码压缩后通过网络传输到远程的PC端，工作人员在PC机端进行监控，这种结构的视频监控系统大大增加了系统的灵活性和多样性。
很多新科技技术的提高也为视频监控系统的发展增添了新的土壤，这些新技术有嵌入式技术、图像处理技术、通信技术以及高速PCB技术。嵌入式技术为视频监控系统提供了良好的软硬件平台，图像采集设备已经可以使用超过5M分辨率的高清图像传感器CMOS采集图像，支持多路视频采集的视频解码器也使得视频监控系统同时进行多路视频监控成为可能[7]。视频处理算法技术的提高也促进了视频监控系统的发展，先将H.264、MPEG等编码算法移植到嵌入式设备上，然后将采集到的视频信号进行编码压缩后进行网络传输，可以有效节省网络传输带宽[8]。通信技术的发展，特别是网络技术的发展使得视频监控系统可以进行长距离的网络传输。此外，分布式视频服务器技术的应用[9]，3G网络技术的进步也促使视频监控技术不断发展[10]。
现阶段，视频监控系统种类繁多，已经应用到各行各业。总体来说，视频监控系统大致有以下几种：
1. 基于ARM和视频编码芯片的视频监控系统
这种视频监控系统是以ARM芯片作为主核心芯片，并与内部集成了视频压缩算法的编码芯片配合完成视频采集及视频压缩的工作[11]。这种产品的特点是直接使用编码芯片内部集成的编码算法，而不需要开发人员手动编写编码算法，可以减轻开发人员的负担，但同时硬件成本比较昂贵，编码性能还需要依赖编码芯片厂商。
2. 基于内部集成编码模块的单芯片的视频监控系统
这种视频监控系统直接使用内部已经集成好编码模块的单芯片作为控制主芯片，该芯片预留了很多外设接口，比如视频输入接口、网口等，在使用时只需要添加这些外围电路即可[12]。现在，已经有很多公司推出了这种芯片，比如国内有海思公司设计的HI351x系列，国外有飞思卡尔公司设计的IMX系列。这种产品的优点是开发人员只需极短的时间就可以开发出客户所需求的产品，效率很高，但是，缺点是产品的灵活性较差，性能极度依赖厂商。
3. 基于ARM和DSP的视频监控系统
这种视频监控系统与第一种视频监控系统有些类似，也是以ARM芯片作为主控芯片，但不同之处在于该系统是利用DSP可编程的特点完成视频编码压缩的工作[13]。该系统的优点是可利用DSP进行各种视频编码算法的移植，但缺点也尤为明显，系统的软硬件设计过于复杂，开发人员工作量巨大，需要解决ARM与DSP之间数据通信的问题[14]。
4. 基于达芬奇技术的视频监控系统
这种视频监控系统是以德州仪器公司推出的达芬奇系列产品为基础，添加少许外围器件进行高效视频监控设备的设计。达芬奇系列芯片是以ARM和DSP双核为架构，ARM作为主控制器，协调各个器件的工作；DSP负责视频编码算法的工作[15]。而且德州仪器公司有成熟的编码库提供给开发人员使用，或者开发人员还可以自己开发视频编码算法，使编码算法更加灵活。此外，TI公司还提供了CODEC ENGINE引擎帮助开发人员更加高效的处理ARM与DSP之间的数据传输。近些年，许多高校也已经围绕达芬奇技术进行了一系列的研究。比如在达芬奇平台移植H.264算法[16]，开发语音通话系统[17]，开发G.729音频算法[18]，开发人脸识别系统[19]，开发智能监控系统[20]等。
现在的视频监控技术已经取得了长足的进步，而且随着计算机技术的不断提高，未来的视频监控系统的发展必然有更加广阔的空间，具体来说，主要有以下几点发展趋势。
1. 高清化
当今的CMOS图像传感器可以采集超过5百万像素的高清数字视频信号，分辨率为720P、1080P的高清视频在数字电视方面的应用也越来越广泛。随着视频编码压缩技术的不断发展和网络带宽的不断增加，未来的视频监控技术必然朝着更加高清的方向发展。
2. 标准化
现在市场上的视频监控产品品种繁多，甚至有一些是根据特殊场合进行特殊定制，导致产品之间通用性不高，标准无法得到统一。而且往往这些产品功能单一，价格昂贵，无法大面积应用。随着视频监控系统的不断发展，相关部门正在制定统一标准。
3. 网络开发
为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，视频监控系统需要添加网络接口，进行远距离网络传输。同时还需要提供物理层驱动软件以及特定的编程模式，还需要相应的浏览器（如WML、HTML）[21]。
4. 软硬件结合
视频监控系统的另一个发展趋势是软硬件技术结合，设计人员需要同时考虑这两方面技术的开发，如果考虑不周全，会产生较大问题[22]，所以在设计时尽量避免漏洞的发生。
5. 性价比高
随着人们生活水平的提高，越来越多的消费者对视频监控设备有着更多的需求，而同时又希望能够得到价格低、品质高的监控系统[23]，这促使视频监控系统朝着成本低廉、性能高效的方向发展。
6. 智能化
所谓的智能化指的是视频监控系统可以脱离人们的监管，智能的对场景中的特殊行为进行分析，比如智能监控偷盗、交通安全报警等。监控人员不必一直盯着监视器，而直接交给智能监控系统判断，大大减轻了操作人员的工作负担[24]。
1.3 建筑监控系统应用现状
传统的建筑工地管理方法主要是依靠管理人员亲临现场进行监察，但是由于个人能力有限、效率不高等因素的影响，这种方法并不是特别适合大面积的监管工作。所以，现在有很多施工单位为赶工作进度，而疏忽安全管理，造成了很多安全事故。
随着电子技术的发展，视频监控技术的应用越来越广泛，现已应用于建筑行业。现阶段的建筑视频监控系统与传统的视频监控系统相似也是由前端摄像机、传输系统、监控中心三部分组成[25]。在建筑工地重点区域架设摄像机对建筑场地进行视频采集，并通过同轴电缆或者网线将拍摄到的视频信息传输到监控中心，监控中心的监控管理人员则注视着监视器，如果发现建筑工地上的异常行为或者安全隐患，可以立即进行处理[26]。此外，监控中心还可以对视频进行存储、回放等操作。
为加强建筑工地安全管理，政府部门要求各建筑工地安装视频监控系统。应用于建筑工地的视频监控系统不仅可以提高安全管理水平，同时还可以实时检测建筑施工场所安全措施的落实情况，从而达到及时消除安全隐患的目的[27]。但是由于针对建筑工地的视频监控系统价格昂贵，且产品单一，所以很多施工单位为节省支出，并没有安装视频监控系统。即使有安装监控系统，也只是在一些重点区域安装很少的一些监控系统，并不能覆盖整个建筑工地。
所以，本文针对建筑工地对视频监控系统的特殊要求，设计了多路视频采集的视频监控系统，多个摄像头搭配一套视频监控系统的设计可以节省建筑工地的成本支出。
1.4 论文章节安排
论文主要完成基于达芬奇技术的视频采集系统设计，包括设计方案选择、系统总体方案设计、系统软硬件设计以及系统测试。具体的研究内容安排如下：
第1章：阐述论文的课题背景及意义，分析课题研究现状，并给出论文主要研究的内容和章节安排。
第2章：对建筑视频监控系统进行需求分析，然后结合需求分析对相关方案进行对比分析，并给出系统的整体设计方案，再对主要器件进行选型。最后，介绍达芬奇技术开发平台。
第3章：多路视频采集系统硬件设计，给出系统硬件设计整体框架和所有芯片的选型。接着分模块对系统的各个硬件模块进行详细设计，主要包括核心板模块、电源模块、时钟模块、以太网模块以及视频采集模块，同时，给出各个模块的设计方案和部分原理图。
第4章：多路视频采集系统软件设计，给出系统软件设计整体框架，介绍DSP/BIOS开发环境。在此基础上，使用FVID模型进行视频采集驱动和TVP5158驱动的设计，对复合视频信号进行分离设计。然后，介绍视频编码设计，视频网络传输设计。最后，解决系统线程间的同步问题。
第5章：介绍系统测试环境的组成，给出系统连接示意图，完成硬件平台的测试，然后完成系统功能测试与性能测试。
第6章：总结与展望，总结全文所做工作，并指出论文的不足之处与进一步研究的方向。
1.5 本章小结
本章阐述了论文的课题背景及意义，分析了视频监控系统研究现状与发展趋势，介绍了建筑监控系统的应用现状以及论文主要研究的内容和章节安排。

第2章 视频监控系统分析
2.1 系统需求分析
建筑工地时刻需要将安全排在第一，需要监管人员能够亲临现场进行检查，但由于建筑工地地形复杂、人员混乱，有时又为赶工期，工人安全防范意识下降，如果监管人员错过了一些不太明显的异常险情，一旦出事，后果不堪设想，这给监管人员造成了巨大压力。因此通过视频监控系统使监管人员在监控中心就可以对建筑工地进行安全监控，可以随时掌握施工现场的各种安全状况，能够及时发现事故苗头，将事故防患于未然，这相当于监管人员有了一双“千里眼”。建筑视频监控系统代替了原始的人为监控，提高了建筑工地监管的安全水平和工作效率，实现了建筑工地监管的革命性飞跃。
本文在第一章中介绍过四种视频监控系统，综合它们各自的优缺点，基于达芬奇技术的视频监控系统优势比较明显，该系统的硬件电路设计简单，软件开发灵活多变，可以满足市场各种新功能的需求。所以，本系统采用基于达芬奇技术的视频监控系统对建筑工地的特殊要求进行系统设计。
由于建筑工地需要监控的场景很多，对视频监控系统的需求量较大，所以，为了控制成本，本文设计了四路视频实时采集系统，使用四个摄像头与核心系统组成视频监控系统，但是，由于是四路视频信号同时采集，对系统的处理能力要求比较高，为降低系统数据的处理量，本系统设定采集视频格式为Half-D1格式，分辨率为360*576，可以节省一半的数据量。
系统设计主要分为三大部分，分别是视频采集、视频编码以及视频传输。视频采集需要视频解码芯片将摄像头采集到的模拟信号转化成数字信号,同时为满足建筑工地远距离传输的需求，采用网络传输的方式，而通常网络带宽有一定限制，所以需要在传输之前进行视频编码压缩。具体的功能要求有以下几点：
1. 完成4路视频实时采集；
2. 视频分辨率为360*576；
3. 编码算法使用H.264；
4. 网络传输采用UDP协议传输；
5. 视频图像确保完整与清晰。
系统的性能要求如下：
1. 4路视频同时采集，达到25帧/秒的帧率；
2. 视频率不超过2Mbps。
此外，在设计系统时，不仅要考虑到系统本身的功能实现，还要考虑到实际应用中所要满足的一些技术指标，比如：实用性、实时性、可扩展性等。
1. 实用性
系统设计时不仅要考虑到能够达到预设目标，同时要结合能够应用的场合来完成整个系统的设计，不能只是追求技术上的超前，实用才是系统设计的最基本原则。另外，也要使系统和系统软件都有比较好的易操作性和学习性，通过对用户简单的培训介绍，就能够掌握产品的使用方法。
2. 实时性
实时性需要系统在设计时满足一定条件，比如高于每秒25帧图像显示，人眼看到的视频就是流畅的，否则，视频会有卡顿，影响观感。因此，视频监控系统要确保输出每秒25帧以上的视频图像，同时要满足视频编码与视频传输这两个基本要求。实时性通常也是在实际应用中一个非常重要的指标。
3. 可扩展性
随着达芬奇技术的不断发展，在满足基本功能的前提下，对产品质量也提出了更高的要求，一个好的系统不仅要满足目前市场的要求，还要满足一定的可扩展性，使系统更加灵活的升级各个子模块，扩展系统的功能、或者提高系统的性能。
2.2 系统总体方案设计
本文基于达芬奇技术设计了一款功能完善、成本低廉、同时可多路输入的视频监控系统，主要使用到的技术有达芬奇技术、嵌入式技术、图像处理技术以及网络传输技术。系统首先通过4个摄像头采集外界图像，将光信号转换成电信号传输到视频解码芯片内部，然后输出数字图像信号进入达芬奇系列芯片内，经过编码压缩后，通过网络将数字视频数据传输到远端上位机进行视频显示。系统的总体设计方案如图2.1所示。

图2.1 视频监控系统总体设计方案

系统总体设计包括硬件设计和软件设计两个方面，其中硬件设计包括视频采集模块、存储模块、电源模块、视频传输以及显示模块；软件设计包括视频采集、视频编码以及网络传输三部分内容。
1. 硬件设计部分
(1) 视频采集模块
本模块主要由摄像头、视频解码芯片以及处理器前端三部分组成。摄像头用来拍摄场景图像，收集图像信息，摄像器材主要分为两大类，一种是CCD摄像头，另一种是CMOS摄像头。CCD是一种电荷耦合器件，具有体积小、性能高的优点，可以根据光线照射时的强弱累积相应比例的电荷，并且由视频时序控制，经过滤波、放大后，形成最终的视频图像信号，视频图像信号传输到监视器上显示[28]。由于CCD图像传感器的分辨率和稳定性比CMOS的高，所以，现在的视频监控系统通常使用CCD摄像头。由CCD摄像头采集模拟视频信号，再由视频解码芯片将此模拟信号转换成数字信号，然后送到主控芯片进行处理。
视频解码芯片有单路视频解码和多路视频解码两种，为完成系统多路采集的需求，视频采集模块的设计方案有两种选择，一种是采用多个单路解码器与达芬奇系列处理器的多个视频接口连接完成视频解码工作，例如TVP5150+DM642为代表的设计方案如图2.2所示；另一种是采用一个多路视频解码芯片同时采集多路视频信号，将多路视频复用成一路输出到后端处理器，以减少处理器视频接口的使用，例如TVP5158+DM6437为代表的设计方案如图2.3所示。

图2.2 TVP5150+DM642方案

图2.3 TVP5158+DM6437方案

对比视频采集两种方案设计，第一种设计方案每一个视频通道都要使用一个处理器的视频输入接口，如果通道数量增加，那么相应的处理器也需要增加，必然造成成本的增加。而第二种设计方案只需一个编码器对应一个处理器视频输入接口就可以实现多路采集的功能，可以大大节约成本，所以，本系统采用第二种视频采集方案。
(2) 存储模块
由于视频图像的数据量很大，而主控芯片的内存又很小，所以需要为主控芯片外扩存储器，由视频采集模块得到的视频数据存放到外扩存储器中。
(3) 电源模块
电源模块为整个系统硬件电路供电，电源模块的正确设计直接关系到系统是否能正常运行。
(4) 视频传输与显示模块
视频传输主要分为两大类，一类是通过有线传输的方式，比如同轴电缆、光缆、网线等；另一类是无线传输方式，比如微波、超高频波等。但是，由于目前无线电管理部门对无线传输方式有一定的限制，所以本系统采用有线传输的方式，并为系统添加以太网模块。主控芯片将存储在外扩存储器中的视频图像通过以太网传输到监控中心进行显示，显示模块是一台计算机，用来接收网络视频数据，并对视频图像处理后显示在显示器上。
2. 软件设计部分
(1) 视频采集设计
软件部分的视频采集设计主要包括视频解码芯片驱动设计以及主控芯片前端视频采集驱动设计两部分。视频解码器的工作是将CCD采集到的模拟信号转换成数字信号，但在正常工作之前需要对视频解码器进行配置，这些配置包括采集制式(PAL/NTSC)、分辨率(CIF/D1)、输出模式（单路输出/多路复合输出）；主控芯片前端视频采集驱动部分的设计需要让前端正常采集到视频解码器发送的视频数据，然后交给处理器对数据进行处理。
(2) 视频编码
视频编码对新型的数字视频监控系统是非常重要的，视频编码就是对数字视频图像数据压缩编码。这样做的好处是可以降低视频传输带宽，减少上位机存储数据的空间。现在，比较常用的视频编码标准有国际电联的H.261、H.263、H.264和国际标准化组织运动图像专家组的MPEG系列标准等[29]。H.264具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5~2倍[30]。在拥有高压缩比的同时还具有高质量的图像，所以本系统采用H.264视频编码标准。
(3) 网络传输
由于本系统采用网络传输的方式进行远程视频传输，所以需要在主控芯片和远程计算机端分别编写Socket网络程序。Socket也常被称为“套接字”，为网络编程提供API接口，开发人员可以调用这些套接字接口实现网络间的数据通信[31]。Socket套接字是基于客户端/服务器架构的，在本系统中，主控芯片作为服务器，远程计算机作为客户端，客户端接收服务器端送来的视频数据。
2.3 系统主要器件选型
2.3.1 DM6437处理器
视频监控系统需要处理的信息量较大、实时性要求较高，这对系统的核心处理器提出了较高的要求。近年来，行业内部普遍采用DSP作为视频监控系统的主处理器，但是，传统DSP在成本和性能两方面是不可兼得的，成本较低的DSP必然导致性能跟不上，性能较高的DSP价格又昂贵。而且，传统DSP没有针对视频图像采用专用的指令，导致处理视频图像时性能很差。但随后TI公司推出了专用于数字媒体应用的达芬奇系列DSP，其中多媒体处理器TMS320DM643x在TMS320DM642产品的基础上进行了升级，其具有成本低廉，性能高效的特点，并拥有更加丰富的外设资源，特别适合应用于视频监控领域。
TMS320DM643x系列包括DM6437、DM6435、DM6433、DM6431等四种型号，其中DM6437的外设完善，而且性价比较高。所以本系统选择DM6437作为系统的主处理器，该处理器拥有以下一些特性。