視頻、音頻和定位信息的數(shù)據(jù)采集傳輸器的設(shè)計

地理信息系統(tǒng)(?GIS)、全球定位系統(tǒng)(?GPS)的廣泛應(yīng)用使人們享受到了基于位置服務(wù)所帶來的諸多便利。傳統(tǒng)G IS 是以地圖為可視化主要手段，然而人類獲取信息的70%來自于視覺，因此將地理位置信息和視頻信息有機(jī)結(jié)合可以極好的豐富G IS的內(nèi)容，產(chǎn)生許多新的應(yīng)用。比如微軟的Windows Local Live、影像城市武漢等網(wǎng)站都相繼推出了實景地圖，讓人們在網(wǎng)絡(luò)上能直觀、全面和便捷的了解各個城市。GPS信息和視頻信息的結(jié)合，還有利于對地理信息系統(tǒng)進(jìn)行3D 建模，如日本巖根研究所推出的3DV ideoG IS軟件，通過陸地上以及空中拍攝的具有定位信息的全景視頻圖像，可以自動生成相應(yīng)的高逼真的3D 場景模型。

為了針對以上這些應(yīng)用需求，本文中提出了一種一體化的視頻、音頻和定位信息的數(shù)據(jù)采集傳輸器。

本采集器不僅可以通過網(wǎng)絡(luò)直播的方式提供一個更自然、更真實、更及時的地理信息系統(tǒng)環(huán)境，采集數(shù)據(jù)能為實景地圖和3D 場景地圖的構(gòu)建提供素材，還可以實現(xiàn)基于定位信息的視音頻數(shù)據(jù)的分割和檢索。

1? 系統(tǒng)整體方案

為了實現(xiàn)采集器的高質(zhì)量定位視音頻壓縮采集、實時的定位視音頻傳輸，以及低功耗以便攜等要求，系統(tǒng)中采用了T I公司的TMS320DM642作為了采集器的主控芯片。DM642 是TI公司推出的一款專門面向多媒體應(yīng)用的TMS320C6000 家族中性能最高的定點DSP，具有8路并行的運算器、3個視頻專用和2個音頻復(fù)用接口，集成10 /100Mbit / s以太網(wǎng)MAC。該芯片具有的這些優(yōu)點非常適合視音頻信息的采集、壓縮和傳輸。

圖1為采集器的硬件框圖。GPS定位數(shù)據(jù)通過串口由TL16C752B 讀入; 音頻信號由TLV320A IC23B以8 kH z， 16bit量化采樣; 視頻信號通過TVP5150采集。進(jìn)入DM642 的定位數(shù)據(jù)一路通過低碼率的H 264視頻編碼后與G. 723的音頻編碼信號同步合成后，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，另一路采用高碼率編碼后存儲到2. 5寸硬盤。

視頻、音頻和定位信息的數(shù)據(jù)采集傳輸器的設(shè)計

圖1? 采集器硬件框圖

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2. 1? 視頻信號的采集

視頻信號的采集如圖2 所示， SCLK 為時鐘，GPCL為使能信號， Yout為8位BT. 656信號。系統(tǒng)中將DM642的VP0配置為VP0A + McASP模式，其中VP0A 配置為8位BT. 656視頻輸入，用來接一路視頻輸入。TVP5150PBS是一款高性能的視頻編碼器，它將視頻信號模擬攝像頭輸出的NTSC /PAL模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字色差信號( YUV4: 2: 2)，輸出格式為ITU-R BT. 656。

視頻、音頻和定位信息的數(shù)據(jù)采集傳輸器的設(shè)計

圖2? 視頻采集硬件框圖。

2. 2? 音頻信號的采集

圖3為音頻輸入框圖， BCLK 為位時鐘， LRC IN和LRCOUT分別為幀同步輸入、輸出， D IN 和DOU分別為音頻輸入、輸出。McASP同時接入4路音頻輸入和輸出，系統(tǒng)中將McASP設(shè)置為突發(fā)幀同步模式。TLC320A IC23B 為音頻編碼器件，支持麥克風(fēng)、立體聲輸入和立體聲輸出，根據(jù)G. 723 編碼的要求，話筒輸入的電信號通過TLC320A IC23B進(jìn)行8 K采樣， 16比特量化。TLC320A IC23B 采用DSP模式與M cASP交換數(shù)據(jù)。

視頻、音頻和定位信息的數(shù)據(jù)采集傳輸器的設(shè)計

圖3? 音頻采集硬件框圖。

2. 3? GPS信號的采集

圖4為GPS信號采集框圖， TX 和RX分別是串行數(shù)據(jù)發(fā)、收信號。TL16C752B 采用8位異步步行存儲器接口，支持的波特率最高可達(dá)到1 Mbyte / s，與DM642的外部存儲器EM IFA 連接，地址A 2 A0用于對TL16C752B 的8 個寄存器尋址。MAX3160是多協(xié)議收發(fā)器，可以將串口接口電平配置為RS232 /RS422 /RS485 等多種接口電平標(biāo)準(zhǔn)。GPS采集模塊采用Ho lux M - 89，它的靈敏度為159 dBm，支援NMEA0183數(shù)據(jù)通訊協(xié)定，其定位精度小于3 m，高于S iRF芯片，因此除了能很好完成高速移動定位，更適合做步行等低速定位。

視頻、音頻和定位信息的數(shù)據(jù)采集傳輸器的設(shè)計

圖4? GPS采集硬件框圖。

2. 4? 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸連接圖如圖5所示。DM642的網(wǎng)絡(luò)接口是與PCI、HPI復(fù)用的，系統(tǒng)中通過PCI總線的B3和B10配置為HPI16+ 以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)接口由EMAC(網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通路)和MD IO( EMAC的狀態(tài)和控制接口)兩部分組成。系統(tǒng)中采用Broadcom 公司的BCM5221作為10 /100M 以太網(wǎng)的收發(fā)器(物理層)。

為實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，采用了3G路由器和無線網(wǎng)卡通過EVDO 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。3G 路由器采用Tenda 的3G611R，該路由器兼容EVDO、HSPA、TD HSDPA三種3G網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)卡采用中興的AC2746，該卡支持下行3. 1Mb it / s，上行1. 8Mbit / s速率。

視頻、音頻和定位信息的數(shù)據(jù)采集傳輸器的設(shè)計

圖5? 網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件框圖

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3. 1? 總體流程圖

圖6為系統(tǒng)軟件流程圖。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實時傳輸且保證后期的定位視音頻處理，系統(tǒng)中采用了G. 723. 1音頻壓縮編碼、H. 264視頻壓縮編碼， GPS數(shù)據(jù)僅保留經(jīng)度、緯度、時間和高程四項數(shù)據(jù)以用于后期處理。由于G. 723的編碼是每30 ms一幀，為實現(xiàn)視音頻和定位信息的同步， GPS間隔也設(shè)置為30 ms，而實際的GPS 刷新速率為1次/ s，因此需要通過經(jīng)緯度內(nèi)插的方式進(jìn)行GPS 定位信息與視頻圖像的匹配。為壓縮視頻速率實現(xiàn)無線實時播放且實現(xiàn)視音頻的同步，視頻編碼設(shè)置為90m s一幀，視音頻編碼的對應(yīng)關(guān)系為1：3。

視頻、音頻和定位信息的數(shù)據(jù)采集傳輸器的設(shè)計

圖6? 系統(tǒng)軟件流程圖

3. 2? GPS數(shù)據(jù)的采集

系統(tǒng)中采用查詢方式讀取TL16C752B 中的GPS數(shù)據(jù)，由于GPS數(shù)據(jù)是循環(huán)不間斷發(fā)送，軟件設(shè)計時利用了TL16C752B 緩存資源，采用了間斷提取的方案以減小對DM642的占用。由于GPS數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為4 800 Baud， TL16C752B 的緩存為64字節(jié)，因此只要以小于133ms的時間間隔去讀取TL16C752B中的GPS數(shù)據(jù)，總能避免GPS 數(shù)據(jù)的覆蓋。由于編碼3幀G. 723. 1音頻的時間為90ms，小于133ms，因此每90ms讀取GPS數(shù)據(jù)1次，讀取11~ 12次后就可以完整的讀完一組GPS數(shù)據(jù)。

3. 3? 音視頻數(shù)據(jù)的采集和編碼

音頻數(shù)據(jù)的采集由M cASP完成，將采集緩存長度設(shè)置為480字節(jié)，采集速率設(shè)置為8 kHz，量化比特數(shù)設(shè)置為16 bi，t 則每30 ms將會返回一個采集緩存滿的標(biāo)志，通過查詢讀取該標(biāo)志可以實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的無丟失采集。視頻數(shù)據(jù)的采集由EDMA 完成，發(fā)送視頻采集指令后，由EDMA 完成將視頻采集的原始視頻數(shù)據(jù)搬移到指定內(nèi)存。因此視音頻數(shù)據(jù)的采集都不會占用DM642 的資源。G. 723. 1 的音頻編解碼是將ITU T 的參考程序移植并優(yōu)化使用，經(jīng)測試優(yōu)化后的G. 723. 1的編碼時間小于5ms。

H264的視頻編碼采用Seed公司的H264庫，該庫支持C IF( 352* 288) 100 kb it / s到800 kbit / s的編碼速率， D1( 704* 576) 500 kbit/ s到4 000 kbit/ s的編碼速率。程序中，硬盤存儲采用D1、2. 4M 編碼，網(wǎng)絡(luò)傳輸采用C IF、300 kbit/ s編碼，經(jīng)測試CIF 編碼時間小于5m s， D1編碼時間小于11m s。

3. 4? 硬盤數(shù)據(jù)存儲

系統(tǒng)中采用的硬盤操作方式是直接輸入輸出方式( PIO)，為了防止每幀存盤占用過長的系統(tǒng)時間，因此存盤任務(wù)采取了存盤緩沖的方案，當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)足夠大時，方進(jìn)行硬盤操作。為防止硬盤文件過大，超出了FAT32的存儲范圍(小于4 Gbyte)，采取了當(dāng)存盤文件大于800MB時，重建一個序號相連的文件的方案。經(jīng)測試硬盤讀寫速度最高可達(dá)到11. 8Mbyte / s，因此完全可以滿足系統(tǒng)存儲速度約為3Mbyte / s的要求。

3. 5.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)操作采用T I公司的NDK 庫，該庫支持TCP、UDP、HTTP等常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該庫的處理能力為每b it / s需要1. 66 個處理周期，以300 kb it / s的平均傳輸速率計算，每幀需要492 k個處理周期，系統(tǒng)中DM642 運行速率為600 MH z，則平均每幀發(fā)送時間為0. 82 ms。為了實現(xiàn)實時播放，系統(tǒng)中以UTP 協(xié)議傳輸編碼后的數(shù)據(jù)， TCP 協(xié)議傳輸網(wǎng)絡(luò)控制指令。

4? 測試結(jié)果和結(jié)論

圖7為車載環(huán)境下的實時傳輸?shù)椒?wù)器并顯示的結(jié)果圖。系統(tǒng)測試采用了步行和車載兩種模式，步行路線為南京師范大學(xué)1號門到3號門，步行速度為5 km /h，車載路線為南京師范大學(xué)1號門到中北校區(qū)，車載速度為60~ 80 km /h，網(wǎng)絡(luò)傳輸采用江蘇電信的EVDO網(wǎng)絡(luò)。通過測試證明了該采集器能很好的采集存儲定位視音頻數(shù)據(jù)，在步行和車載環(huán)境下能通過EVDO網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r傳輸定位視音頻數(shù)據(jù)。

視頻、音頻和定位信息的數(shù)據(jù)采集傳輸器的設(shè)計

圖7? 測試結(jié)果圖

本采集器實現(xiàn)了定位視音頻的網(wǎng)絡(luò)直播，提供一個更豐富及時的地理信息系統(tǒng)環(huán)境。除此外本采集器的采集數(shù)據(jù)可以為實景地圖和3D 場景地圖的構(gòu)建提供素材，還可以實現(xiàn)基于地理定位信息的視音頻分割和檢索，將極大的豐富地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用。

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