Корпоративный блог

Однокристальная платформа для охранной видеосистемы высокой четкости


Дата публикации: 16.07.2009 19:40
В статье рассмотрены современные тенденции развития рынка охранного видеонаблюдения, порождающие непростые инженерные задачи для разработчиков сетевых камер. Описана аппаратно-программная платформа сетевой камеры на базе однокристальной системы DaVinci DM6467 с поддержкой видео высокой четкости (HD), компрессией по стандарту H.264, встроенной видеоаналитикой и стандартом ONVIF.

Видеопроцессорный модуль

Видеопроцессорный модуль

Рис. 1 Видеопроцессорный модуль HW-6467-CORE
Компонентная схема модуля

Рис. 2 Компонентная схема модуля HW-6467-CORE

Одним из ключевых факторов развития рынка охранного видеонаблюдения сегодня является повышенный интерес пользователей к системам высокой четкости (HD), которые в сравнении с системами стандартного качества (SD) обеспечивают лучшую детализацию сцены или больший охват контролируемой территории. Так, камеры HD снабжаются сенсорами от 0.8 до 2.1 мегапикселей, в то время как камеры SD используют сенсоры от 0.3 до 0.4 мегапикселей.

Передачу поточного видео в качестве HD практически невозможно реализовать через аналоговое подключение. С другой стороны, сетевая камера позволяет в полной мере воспользоваться сенсором высокого разрешения и обеспечить экономичную масштабируемость системы по числу каналов. Передача видео HD по IP-сетям предполагает использование эффективных алгоритмов сжатия, в первую очередь на базе стандарта H.264.

Массовое внедрение сетевых камер сдерживается более высокой стоимостью оборудования и проблемами системной интеграции, что весьма свойственно всем новым технологиям. Появление новых индустриальных стандартов сетевого видео, таких как ONVIF и PSIA, а также выпуск универсальных драйверов ведущими производителями систем управления видео позволяет надеяться на наступление переломного момента в ближайшие годы.

Практически все ведущие производители IP-камер уделяют внимание интеграции видеоаналитических алгоритмов непосредственно в камеру. Встроенные алгоритмы решают такие задачи как непрерывный контроль качества изображения, обнаружение факта саботажа системы наблюдения, детектирование и сопровождение объектов, распознавание номерных знаков автомобилей. В отличие от серверной реализации, встроенные алгоритмы потенциально могут обеспечить более высокую точность за счет обработки несжатого изображения, а также снизить нагрузку на каналы связи.

Рассмотренные выше тенденции отрасли, а именно: стандарт высокой четкости (HD), ресурсоемкая компрессия H.264, встроенная видеоаналитика и сложные сетевые протоколы типа ONVIF предъявляют значительные требования к аппаратно-программной платформе сетевой камеры. Устройство с перечисленными возможностями должно обладать вычислительной мощностью на один-два порядка больше, чем камера стандартной четкости (SD) без встроенной видеоаналитики.

Видеопроцессорный модуль

Платформа HW-6467-CORE разработана в лаборатории ООО « Синезис» для различных периферийных устройств, связанных с обработкой сетевого видео, таких как: камера высокой четкости, многоканальный видеоэнкодер (или ip-видеосервер) и видеорегистратор (DVR). Аппаратной основой платформы является высокопроизводительный универсальный модуль (рис. 1-2) на базе однокристальной системы DaVinci TMS320DM6467 производства компании Texas Instruments. Система содержит ядро ARM9 с операционной системой Linux, сигнальный процессор C64x+ и сопроцессор HDVICP для цифровой обработки видео HD, а также широкий набор периферийных компонентов, включая подсистемы захвата аудио и видео, сетевой адаптер 10/100/1000 Mb/s Ethernet, последовательный порт USB 2.0, интерфейс VLYNQ для подключения программируемой логики (см. спецификацию на вкладке).

Видеопроцессорный модуль выполнен в виде малогабаритной платы (80 х 55 х 14 мм), что не мешает максимально использовать все возможности процессора TMS320DM6467. Модуль устанавливается на плату расширения при помощи трех 80-ти пиновых разъемов (рис. 1).

Несмотря на компактность, видеопроцессорная плата содержит всего 8 слоев, а платы расширения могут быть еще проще. Такое инженерное решение позволяет существенно снизить затраты на разработку и адаптацию конечных продуктов без модификации видеопроцессорного модуля и базового программного обеспечения. Также достигается снижение стоимости конечного изделия за счет массового производства универсального модуля.

Основные и опциональные электронные компоненты видеопроцессорного модуля подобраны с учетом их совместимости по выводам, что позволяет выпускать модуль в различных модификациях на базе одной универсальной платы. Например, на этапе производства можно адаптировать модуль для стандартного или расширенного диапазонов температур, изменить частоту процессора, объем динамической памяти или флеш-памяти.

Видеопроцессорный модуль позволяет устанавливать кристалл TMS320DM6467 с частотой от 600 МГц до 1 ГГц, что предоставляет мощные вычислительные возможности под различные процессоры. Так, платформа позволяет сжимать 1 поток высокой четкости Full HD (1080p) по стандарту H.264 или до 8 потоков стандартной четкости SD с разрешением D1, а также использовать сложные видеоаналитические алгоритмы одновременно с компрессией.

Преимуществами данной однокристальной архитектуры по сравнению с многокристальными являются более простая программная среда и гибкость в использовании аппаратных ресурсов. К недостаткам системы TMS320DM6467 стоит отнести более высокое энергопотребление (и, соответственно, тепловыделение) и дороговизна аппаратной защиты программного обеспечения от несанкционированного копирования.

Операционная система и драйверы

Видеопроцессорный модуль поставляется с базовым программным обеспечением (board support package). Системные загрузчики UBL и U-Boot поставляются в исходных кодах и обеспечивают следующую функциональность:

  • Начальную инициализацию устройства
  • Возможность загрузки в память образов UBL, U-Boot, Linux ядра и корневой файловой системы по UART или TFTP
  • Возможность записи упомянутые выше образов из памяти на FLASH
  • Возможность запуска ядра Linux на выполнение из памяти или по TFTP

Корневая файловая система собирается динамически при компиляции проекта. Основой служит библиотека libc из дистрибутива MontaVista Linux 4.0.1 и пакет Busybox. Кроме этого, файловая система включает в себя следующее основное ПО: udev, MTD Utilities, openSSH, openSSL, zlib, lzo2, thttpd, cервер алгоритмов DSP. Все пакеты, за исключением libc, предоставляются в исходных кодах.

Промежуточное ПО

За аппаратной платформой стоит серьезной пакет промежуточного программного обеспечения (middleware).

Архитектура ПО, встроенного в сетевое устройство

Рис. 3 Архитектура ПО, встроенного в сетевое устройство

На рис. 3 представлена архитектура ПО, встроенного в сетевое устройство. Модульная архитектура базового ПО разработана для построения таких вертикальных решений как мониторинг автодорог, объектов топливно-энергетического комплекса и торговых точек.

Готовый пакет встроенного и серверного ПО обеспечивает следующую функциональность, в основе которой лежит стандарт ONVIF:

  • Обнаружение периферийных устройств в сети
  • Мультикастовая передача живого видео в формате SD и HD
  • Отложенная передача видео из видеобуфера (timeshift)
  • Управление сенсором, кодеками и встроенной видеоаналитикой
  • Управление событиями и метаданными
  • Управление правилами для рассылки сигнала тревоги
  • За рамками стандарта ONVIF промежуточное ПО предоставляет следующие важные средства:
    • Удаленное отказоустойчивое обновление прошивки
    • Удаленная калибровка видеоаналитики
    • Управление лицензиями и защита от копирования встроенного ПО

Таким образом, аппаратная платформа HW-6467-CORE в сочетании с промежуточным ПО и открытой операционной системой Linux позволяет выпустить сложное сетевое устройство в минимальные сроки и существенно сократить риски системной интеграции. Аппаратное и программное обеспечение поставляется производителям оборудования как OEM-решение. При этом производители могут в существенной степени дифференцировать свои решения за счет добавления дополнительной функциональности в базовое ПО и/или разработки специальных плат расширения.

Спецификация видеопроцессорного модуля SY6467

 

Процессор

TMS320DM6467
с частотой от 600 МГц до 1 ГГц

ОЗУ

DDR2 объемом до 256 Мбайт

Flash память

Тип NAND, объем до 2 Mбайт

Напряжение питания

5В ± 10%

Потребляемый ток

Средний 1 A, максимальный до 3 А

Температурный диапазон

От -40° С до +85° С

Аппаратные кодеры, транскодеры и декодеры

H.264, MPEG2, VC1, MPEG4 SP/ASP

Операционная система

Linux 2.6.1.0

Интерфейс видеопорта

BT.656, BT.1120

Интерфейс внешней памяти

16/8 бит

Сетевой порт

10/100/1000 Мбит/с Ethernet с управлением для MDIO

USB порт

Режим клиента USB 2.0 High/Full

Режим хоста USB 2.0 High/Full/Low

Порт PCI

32 бита, 33 МГц, 3.3 В, совместим со спецификацией 2.3

Порты UART

3 порта, скорость до 1,8432 Мбит/c

Порт SPI

Поддержка двух устройств

Порт I2C

Есть

Порт VLYNQ

FPGA интерфейс

ШИМ

Два выхода

Порты ввода-вывода

До 33-х

Разъемы

3 по 80 контактов с шагом 0,5 мм

Размер платы

80 х 55 х 14 мм