基于OMAP3530的视频监控客户端设计与实现

常娟

摘 要：本设计基于OMAP3530处理器的开发平台设计视频监控客户端。该客户端通过SIP协议和服务器端通信。视频监控客户端在OMAP3530开发板实现，其ARM端完成客户端呼叫，建立与视频服务器连接，音视频数据流接收、播放和存储等功能，其DSP端完成解码器实时实现。设计重点为客户端oRTP和eXosip库的移植、监控界面的设计和H.264解码器实时实现。

关键词：OMAP3530；视频监控；SIP；达芬奇技术

1 引言

OMAP3530开平台能够提供最优级别的视频图像图形处理，它包含有MPU子系统，IVA2.2子系统，片内内存，外部存储器接口，DMA控制器，多媒体加速系统，安全系统，综合的电源管理系统，以及丰富的外设，能够充分的满足处理视频流，2D/3D移动游戏，视频会议，高清图像，视频捕捉的需求，支持高级嵌入式操作系统如WindowsCE，Linux等系统[1]。本设计基于OMAP3530开发平台实现，通过SIP协议和服务器端通信，接收到视频流后进行解码输出到监视器端显示。

2 监控系统整体实现方案

整个视频监控系统包括服务器端和客户端，服务器端采用达芬奇开发平台TMS320DM6446，其功能实现视频采集、压缩和传输等功能；客户端OMAP3530平台完成音视频数据的解码、存储、回放、检索等功能。

达芬奇服务器端功能模块包含：ARM端系统控制模块，DSP端编码模块，SIP信令控制模块和RTP/RTCP实时数据传输控制模块。客户端功能模块包含：ARM端系统控制模块，SIP信令控制模块，RTP/RTCP接收模块，DSP端解码模块和播放显示模块。

3 监控客户端设计

本监控系统中，双向TCP控制通道使用SIP协议，UDP流的封装使用RTP协议。服务器和客户端相互交互采用SIP协议完成，具体使用SIP协议的UAS模块。RTP实现通过调用ORTP库，服务器端需要使用RTP发送功能，将服务器端DSP编码数据打包处理后发送到网络；客户端需要使用RTP接收功能，将接收到的数据传给OMAP3530 DSP端解码显示。

3.1 SIP实现

SIP会话协议主要包含以下四个主要组件：SIP用户代理组件、SIP注册服务器组件、SIP代理服务器组件和SIP重定向服务器组件[2]。

SIP的实现主要通过链接oSip库实现。oSip库实现效率高，主要功能是对SIP/SDP消息的API和事务处理的状态机进行解析，高层的SIP会话控制API通过调用底层API实现。SIP对于客户端处理事件包含以下三种情况：EXOSIP_REGISTRATION_SUCCESS事件、EXOSIP_CALL_CLOSED事件、EXOSIP_CALL_ANSWERED事件。EXOSIP_REGISTRATION_SUCCESS为表明用户是否注册成功； EXOSIP_CALL_CLOSED表明会话关闭，置picked、calling为假，呼叫结束；EXOSIP_CALL_ANSWERED用于获取UAS的SDP消息，并开始接受RTP包，将RTP包解包后，传输到OMAP3530 DSP端使其解码显示。

3.2 RTP实现

RTP用来网络上传输音频、视频、模拟数据等实时数据的传输协议[3]。本系统由RTP和UDP协议共同完成视频数据传输。

OMAP3530客户端实现：（1）初始化RTP协议，相关参数设置；（2）打开端口，RTP数据包开始接收；（3）RTP包接收成功后，解析RTP包头，解析得到多媒体数据；（4）RTP包接收结束，释放RTP信息。在这里不用考虑RTCP的信息接收与发送，通过调用ORTP库来完成。

3.3 解码器的实时实现

本系统采用的视频编码标准为H.264，H.264与以往的视频编码标准相比具有更好的压缩性能。H.264 具有优秀的压缩性能是多种新技术所产生效果的积累所致[4]。这些新技术包括：多模式帧内预测、可变尺寸块的运动补偿、多参考帧的运动补偿、4×4整数变换、高效的熵编码、环路滤波等。这些新技术大大增加了解码器实时实现的复杂度。为了解码器在OMAP3530 DSP端实时实现，结合OMAP3530 DSP硬件特性，本文主要使用Cache优化，EDMA传输和汇编及指令优化技术完成H.264解码器实时实现。

Cache优化最主要方法是尽可能提高Cache lines的重复使用效率，一般通过合理安排数据和代码内存位置，以及调整CPU的内存访问顺序来达到此目的，尽量减少Cache miss，增加Cache的命中率。Cache的优化包括程序Cache优化和数据Cache优化[5]。

H.264整个解码算法代码总结起来可以分成两部分：关键执行代码和生僻事件代码。代码进行Cache优化时，安排频繁调用的代码只包括关键执行代码，去除其中的生僻事件，从而减小动态存储区域的大小，减小L1P的冲突失效。对H.264解码的关键执行函数进行分析，调整其执行顺序，将调用频繁的代码放置在一起，可以使代码分配在连续的存储空间，从而提高指令Cache的命中率。对于比较大的函数代码段，可以通过将其分成几个大小适合程序Cache尺寸的小段来消除L1P中的容量失效。

DSP端内部存储器存储速度快，但容量太小，外部存储器容量大，但存储速度慢。解决办法是根据程序特性合理分配内存空间。数据分配的一个原则是尽量将数据放入片内存储器，由于图像分辨率很大，无法将数据全部放入片内存储器，但可以想办法保证当DSP需要数据时这部分数据已经存放在内部存储器中[6]。借助DMA的后台运行能力可以实现此目标。编码器的编码过程是固定的，其数据处理按一定顺序流程，因此可以通过操作DMA控制器完成内存和DDR2存储器的数据交换，大大提高了处理效率。本系统帧内预测和帧间预测使用DMA技术将需要的宏块数据提前放到内部存储器中。

对于比较耗时的H.264解码器模块采用DSP汇编指令进行优化。本文使用超长指令字（VLIW）[7]和打包数据处理技术[8]。（1）帧内预测残差模块：因当前数据和预测数据均为8位的无符号数需要使用UNPKHU4和UNPKLU4扩展为16为无符号数；然后采用打包数据处理指令SUB2一次完成两个数据相减。每取一次数据有五个指令周期延迟，故取数据是比较耗时部分，C64x+打包数据处理指令支持双字操作，故采用LDDW双字取数据指令，一次完成读取4个需处理数据。C64+有两个可进行数据处理的数据通路A和B，两个数据通路A和B完全可以并行执行，故一次取8个需处理数据，完成对一行数据的处理，分八次循环完成。（2）模式选择代价值计算：因预测数据未必满足32位字对齐的要求，故不能使用LDDW双字取值指令，使用LDNDW指令，当前块数据满足32位字对齐的要求，使用LDDW双字取值。利用SUBABS4指令一次完成4个打包的8位值间的差的绝对值。为了计算绝对值求和，构造常数0x01010101，利用DOTPU4指令一次将SUBABS4所求结果与0x01010101相乘，然后把4个乘积相加得到绝对值求和结果。由于C64x+ DSP中有两组寄存器A和B，两条数据通道，两组寄存器可以完全并行的执行，使A、B两组寄存器分别处理一行数据。

本文利用以上优化技术完成CIF分辨率H.264实时解码显示。

4 结论

本设计在OMAP3530开发板端实现视频监控客户端，其ARM端完成客户端呼叫，建立与视频服务器连接，音视频数据流接收、播放和存储等功能，其DSP端完成解码器实时实现。该客户端可以随时访问服务器和监控设备，界面友好，软件运行流畅稳定，该系统能够在局域网和广域网范围内运行。

[参考文献]

[1]Texas Instruments Incorporated.OMAP3530（SPRS504B）[Z]，2010.

[2]刘勇，陈延雄.SIP协议的研究及呼叫控制实现[J].微处理器，2008（3）：54-56.

[3]任泰明.TCP/IP协议与网络编程[M].西安电子科技大学出版社，2004.4.

[4]Richardson E G.H.264 and MPEG-4 Video Compression：Video Coding for Next Generation Multimedia [M].John Wiley & Sons， 12 August，2003.

[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320C64x+ DSP Cache Users Guide （SPRU862）.2006.10.

[6]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM644x DMSoC DDR2 Memory Controller User's Guide（SPRUE22C）.2007.11.

[7]Texas Instruments Incorporated.TMS320C64x+ DSP Megamodule Reference Guide（SPRU871K）[Z]，2010.

[8]Texas Instruments Incorporated.TMS320C64x/C64x+ DSP CPU and Instruction Set Reference Guide（SPRU732J）[Z]，2010.