吳笑天，魯劍鋒，王宇慶，陳典兵

（1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 510640；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 510640）

1 引 言

無(wú)人機(jī)是一種近年來(lái)倍受各國(guó)青睞的高性能信息化裝備，具有起降簡(jiǎn)單，操作靈活，成本低廉，不懼傷亡等多種優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)極大豐富和改變了戰(zhàn)爭(zhēng)的模式，在航空偵察、情報(bào)支援、電子干擾等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用［1－2］。無(wú)人機(jī)在實(shí)戰(zhàn)中體現(xiàn)出的最大優(yōu)勢(shì)在于情報(bào)獲取上，而圖像數(shù)據(jù)則又是情報(bào)數(shù)據(jù)的重要內(nèi)容之一，因此無(wú)人機(jī)的圖像處理技術(shù)將對(duì)其作戰(zhàn)性能的提升產(chǎn)生很大的影響，各類(lèi)圖像預(yù)處理算法在該領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用，如配準(zhǔn)、校正、圖像增強(qiáng)等［3－5］，本文將重點(diǎn)研究無(wú)人機(jī)的圖像壓縮技術(shù)。

無(wú)人機(jī)所獲取的高分辨率圖像信息需要經(jīng)過(guò)無(wú)線鏈路傳輸至地面終端顯示，但即便是每秒25幀的CIF圖像（352×288）也將產(chǎn)生每秒約2.5 MB的數(shù)據(jù)量。因此，利用數(shù)字化手段對(duì)無(wú)人機(jī)獲取圖像進(jìn)行機(jī)上實(shí)時(shí)在線壓縮處理成為無(wú)人機(jī)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)［6］。無(wú)人機(jī)對(duì)其承載的電子學(xué)設(shè)備有著很高的要求，其有限的能量供應(yīng)決定了其電子學(xué)設(shè)備必須具備尺寸小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)［7］。傳統(tǒng)的嵌入式H264板級(jí)壓縮系統(tǒng)多采用高性能DSP或FPGA實(shí)現(xiàn)軟件編碼［8－9］。但上述設(shè)計(jì)方案往往存在著成本高、功耗大、軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等弊端。本文基于TM320DM368和嵌入式Linux技術(shù)實(shí)現(xiàn)出一種可供無(wú)人機(jī)使用的視頻實(shí)時(shí)壓縮處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)依賴該芯片內(nèi)嵌的視頻協(xié)處理硬核執(zhí)行H264編碼，以嵌入式Linux為板級(jí)操作系統(tǒng)，可穩(wěn)定高效的管理視頻采集、硬核調(diào)度、串口通訊、數(shù)據(jù)輸出等諸多任務(wù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集PAL制式視頻源，執(zhí)行實(shí)時(shí)H264編碼任務(wù)，并將壓縮后的數(shù)據(jù)通過(guò)通用高速串行接口SPI經(jīng)無(wú)線鏈路處理單元傳輸至地面終端顯示輸出。本系統(tǒng)平均功耗僅為1.5W，具有功耗低、成本低、體積小、重量輕、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，能夠滿足無(wú)人機(jī)視頻壓縮的應(yīng)用需求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 主處理器

無(wú)人機(jī)有限的能量供應(yīng)決定了其電子學(xué)設(shè)備必須具備體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。同時(shí)，無(wú)人機(jī)廣泛的地域應(yīng)用范圍又對(duì)其電子學(xué)設(shè)備提出了較高的環(huán)境適應(yīng)性要求。為了滿足這些要求，本系統(tǒng)的主芯片選取了TI公司生產(chǎn)的專(zhuān)用數(shù)字多媒體低功耗處理芯片TMS320DM368，簡(jiǎn)稱DM368。選取DM368為本視頻壓縮系統(tǒng)的核心處理器主要基于如下的考慮：

1.高性能的主核處理器 DM368的主核是主頻432MHz的ARM926EJ－S處理器，同時(shí)內(nèi)置 了16K 的Instruction Cashe，8K 的 Data Cashe，32K片內(nèi)RAM，16K片內(nèi)ROM等諸多內(nèi)部資源，可運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)，能夠在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的調(diào)度下完成各類(lèi)復(fù)雜的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)交互工作。同時(shí)該芯片采用65nm工藝技術(shù)加工，性能穩(wěn)定，成本低廉，批量?jī)r(jià)格約為100RMB／片。

2.硬件化的輔核處理器 DM368片上集成了硬件化的圖像處理協(xié)處理器（HDVICP和MJCP），上述協(xié)處理器可運(yùn)行 H.264－BP／MP／HP，MPEG4等多種視頻編解碼算法，在協(xié)處理器硬核上執(zhí)行H.264編碼等視頻處理時(shí)，不占用ARM主核資源。該協(xié)處理器上限可支持1080P－30fps的視頻數(shù)據(jù)壓縮。由于圖像協(xié)處理器以硬件化的形式固化在芯片中，較比同系列的TMS320DM6467或其他雙核架構(gòu)的Davinci系列芯片，在執(zhí)行H264編解碼等圖像處理操作時(shí)有著更低的功率消耗。與其他系列Davinci芯片相同的是，DM368亦包含視頻前端處理模塊（VPFE）和視頻后端處理（VPBE）模塊。利用這些模塊，應(yīng)用層程序可在DMAI中間層和片上實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上方便的管理各類(lèi)視頻數(shù)據(jù)的輸入與輸出。

3.豐富的外部接口資源 DM368有著豐富的邏輯接口。DDR2高速接口可直接外接DDR2存儲(chǔ)器，由嵌入式Linux對(duì)DM368內(nèi)嵌的DDR2控制執(zhí)行讀寫(xiě)控制；EMIF接口可外接NAND Flash Memory或FPGA設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)芯片間數(shù)據(jù)的高速傳輸存儲(chǔ)；USB接口具有USB2.0高速通信能力，可工作在OTG模式；具備5個(gè)SPI高速串行通信接口，可作為數(shù)據(jù)輸出口對(duì)外通訊，亦可 外 掛 SPI 設(shè) 備；10／100Mb／s 以 太 網(wǎng) 接 口EMAC，可作為數(shù)據(jù)輸出口對(duì)外交互數(shù)據(jù)或在網(wǎng)絡(luò)掛載時(shí)使用；以及標(biāo)準(zhǔn)IIC，標(biāo)準(zhǔn)UART，Key Scan等常見(jiàn)外設(shè)接口。

4.較高的環(huán)境適應(yīng)性要求 采用了65nm工藝技術(shù)加工的DM368，其工業(yè)級(jí)系列產(chǎn)品的溫度適應(yīng)性范圍為－40℃～80℃，能夠滿足無(wú)人機(jī)嚴(yán)苛的環(huán)境適應(yīng)性要求。

2.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)以DM368為核心處理器，主要由視頻采集模塊、存儲(chǔ)器模塊、標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)模塊（如UART、EMAC、SPI等）和電源模塊組成，本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.1 Hardware architecture of system

1.視頻采集模塊 由于課題需要，本系統(tǒng)分時(shí)采集雙路標(biāo)準(zhǔn)模擬PAL視頻，并可依照地面站軟件的命令實(shí)現(xiàn)雙路視頻的自由切換。為此，我們選擇具有雙通道10－bit模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TVP5147。選擇該款芯片主要基于如下的三點(diǎn)考慮：（a）TVP5147內(nèi)嵌雙路高性能低功耗AD轉(zhuǎn)換器，可同時(shí)外接兩路視頻輸入，能夠滿足本課題分時(shí)采集雙路視頻輸入的系統(tǒng)要求。（b）TVP5147支持多種制式的模擬視頻，如PAL、NTSC、SECAM；支持多種輸入方式，如CVBS、SVideo、YPbPr，其中CVBS輸入方式較另兩種方式簡(jiǎn)單，除共地所需的一根地線外，僅需要單個(gè)引腳即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入。（c）TVP5147可配置成10－bit，4：2：2－YCbCr的 BT.656碼流形式輸出，可 與 DM368 內(nèi) 嵌 的 8－bit，4：2：2－YCbCr 的BT.656接口無(wú)縫對(duì)接（10－bit對(duì)接8－bit接口時(shí)，需舍棄低兩位）。本課題中，雙路視頻源均采用PAL制式，以CVBS方式輸入至TVP5147。TVP5147芯片的初始化以及控制工作由主控設(shè)備通過(guò)IIC總線配置芯片內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)，后文將詳細(xì)闡述其IIC總線接口以“視頻子設(shè)備”的形式存在于V4L2的視頻框架內(nèi)，并有專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)與之相對(duì)應(yīng)。

2.存儲(chǔ)器模塊 DM368作為一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心處理器，同標(biāo)準(zhǔn)電腦CPU一樣，需要“內(nèi)存”“外存”設(shè)備輔助其工作。DM368內(nèi)嵌的DDR2接口以及DDR2控制器可以方便的外接DDR2設(shè)備。一般地，Linux操作系統(tǒng)穩(wěn)定而流暢的運(yùn)行需要80MB的內(nèi)存空間，應(yīng)用層程序所開(kāi)辟的緩存區(qū)大約需要30MB左右的內(nèi)存空間［10］，并綜合考慮低功耗要求等因素，本系統(tǒng)最終選擇了一片128MB的DDR2芯片K4T1G164QF作為本系統(tǒng)的“內(nèi)存”芯片。DM368集成的EMIF接口可以方便的外接外部存儲(chǔ)器。該外部存儲(chǔ)器需要有足夠的空間存儲(chǔ)Bootloader，Linux內(nèi)核以及文件系統(tǒng)。本系統(tǒng)綜合考慮存儲(chǔ)空間需要以及低功耗需求，最終選取了 一 片128MB的 NAND FLASH 芯 片K9F1G08U0C作為本系統(tǒng)的“外存”芯片。

3.標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)模塊 DM368內(nèi)嵌了常用的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口，這使得外設(shè)功能電路的設(shè)計(jì)變得較為簡(jiǎn)單。但是由于無(wú)人機(jī)內(nèi)部各分系統(tǒng)間電磁干擾較大，除了加裝屏蔽殼等手段外，電子學(xué)系統(tǒng)仍需要特殊的設(shè)計(jì)以降低系統(tǒng)間的電磁干擾。在本課題中主要應(yīng)用到了5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，分別為調(diào)試串口（Debug UART），標(biāo)準(zhǔn)通訊串口（UART），網(wǎng)口（EMAC），IIC接口和高速串行通信接口（SPI）。其中，調(diào)試串口和網(wǎng)口是DM368在線調(diào)試以及程序下載時(shí)使用，在機(jī)上離線狀態(tài)時(shí)不使用。IIC接口在DM368對(duì)TVP5147執(zhí)行命令配置操作時(shí)使用，屬板內(nèi)芯片間通訊，不需要考慮系統(tǒng)間的電磁干擾因素。標(biāo)準(zhǔn)通訊串口和高速串行通信接口是本系統(tǒng)的對(duì)外數(shù)據(jù)交互接口，需要充分考慮系統(tǒng)間的電磁干擾性問(wèn)題。其中本系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)通訊串口接收外部操控命令，由高速串行通信接口對(duì)外實(shí)時(shí)傳輸H264壓縮數(shù)據(jù)。為此，本系統(tǒng)使用了MAX3295等芯片以“差分對(duì)”的形式傳輸上述數(shù)據(jù)信號(hào)，并在數(shù)據(jù)接口連接器附近加裝“穿心電容”，以充分降低本系統(tǒng)對(duì)外部設(shè)備的電磁干擾。試驗(yàn)結(jié)果表明，外設(shè)接口采用上述設(shè)計(jì)后，能夠有效降低系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，提升本系統(tǒng)電磁干擾的承受能力，同時(shí)有效降低對(duì)外部系統(tǒng)的電磁輻射影響。

4.電源模塊 DM368嵌入式系統(tǒng)的電源電路采用雙級(jí)設(shè)計(jì)。第一級(jí)將外部供電電壓12V轉(zhuǎn)換為5V，第二級(jí)由5V分別轉(zhuǎn)換為DM368需要的3種供電電壓值，即1.35V的內(nèi)核電壓，1.8V的DDR2芯片電壓以及3.3V的IO電壓。在本系統(tǒng)中，第一級(jí)轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司的TPS54331，該芯片的輸入電壓范圍可從3.5V至28V，能夠滿足無(wú)人機(jī)各類(lèi)特殊的供電電壓需要。第二級(jí)采用TI公司的TPS65251，該芯片可方便的將5V電壓轉(zhuǎn)換為DM368所需的多種電壓值，并可依據(jù)DM368手冊(cè)所規(guī)定的內(nèi)核電壓、DDR電壓以及IO電壓上電要求調(diào)整上電順序［11－12］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 視頻數(shù)據(jù)采集

視頻采集是本系統(tǒng)的核心功能，也是軟件編程工作量最大、架構(gòu)最為復(fù)雜的部分。視頻碼流數(shù)據(jù)從底層硬件采集至頂層應(yīng)用程序調(diào)用需要經(jīng)歷硬件層、內(nèi)核層、應(yīng)用層3個(gè)層次的數(shù)據(jù)處理及封裝，如圖2所示。

圖2 視頻采集三層框架Fig.2 3－level software framework of video capture

在硬件層明確了AD芯片與DM368物理上的電氣連接；內(nèi)核層中涉及視頻數(shù)據(jù)處理的工作主要由Linux視頻驅(qū)動(dòng)開(kāi)源標(biāo)準(zhǔn)V4L2規(guī)范下的VPFE驅(qū)動(dòng)完成；應(yīng)用層經(jīng)TI公司提供的中間層軟件dmai封裝處理后以幾個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)接口交付給應(yīng)用層以供視頻數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。本章節(jié)將單獨(dú)討論視頻采集軟件程序設(shè)計(jì)，即視頻數(shù)據(jù)的內(nèi)核層與應(yīng)用層架構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1.1 內(nèi)核層視頻數(shù)據(jù)處理

在內(nèi)核層中，Linux下的視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)需要遵循統(tǒng)一的開(kāi)源標(biāo)準(zhǔn)V4L2（Video For Linux 2）。V4L2是V4L的升級(jí)版，是專(zhuān)門(mén)針對(duì)Linux視頻捕獲設(shè)計(jì)的開(kāi)源程序接口，并逐步發(fā)展為L(zhǎng)inux視頻驅(qū)動(dòng)規(guī)范，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)帶有視頻采集、控制功能的嵌入式視頻系統(tǒng)中，如視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控、視頻導(dǎo)航等。V4L2能夠適應(yīng)越來(lái)越復(fù)雜的視頻采集硬件。大部分視頻采集硬件的控制需要借助視頻口外的其他接口，如本課題中TVP5147所內(nèi)嵌的IIC接口。這些視頻控制接口與視頻驅(qū)動(dòng)程序休息相關(guān)，并以“視頻子設(shè)備”的形式融入V4L2框架中。V4L2在內(nèi)核層中細(xì)化為雙層驅(qū)動(dòng)。

雙層驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的頂層為V4L2dev設(shè)備。該設(shè)備的定義存在于內(nèi)核文件V4L2－dev.c中。在該文件下，主要完成兩部分工作：（a）向內(nèi)核提供接口函數(shù)，即內(nèi)核的加載卸載函數(shù)。（b）設(shè)備接口函數(shù)，即虛擬文件系統(tǒng)與V4L2設(shè)備的交互接口。

Linux系統(tǒng)中用戶對(duì)設(shè)備的操作采用文件接口方式實(shí)現(xiàn)，虛擬文件系統(tǒng)將用戶對(duì)文件的操作轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)備操作，它包括硬件探測(cè)、初始化、設(shè)備讀寫(xiě)以及設(shè)備控制等標(biāo)準(zhǔn)化操作。V4L2設(shè)備驅(qū)動(dòng)的主要工作就是具體實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化過(guò)程工作。這樣V4L2標(biāo)準(zhǔn)向上就可以為應(yīng)用層程序提供清晰、統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)接口，如open（），close（），read（），write（），ioctl（），mmap（）等。通過(guò)這些接口函數(shù)應(yīng)用層程序可方便的實(shí)現(xiàn)V4L2設(shè)備的打開(kāi)，關(guān)閉，IO控制以及內(nèi)存映射等功能。其中，open（），close（），read（），write（）函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)了V4L2設(shè)備的開(kāi)關(guān)讀寫(xiě)；ioctl（）函數(shù)則承擔(dān)了V4L2設(shè)備的命令交互查詢等重要操作；mmap（）函數(shù)可以將設(shè)備內(nèi)存映射到應(yīng)用程序空間，避免了在視頻采集過(guò)程中頻繁的內(nèi)核態(tài)至用戶態(tài)的數(shù)據(jù)拷貝操作。

V4L2雙層架構(gòu)中的底層驅(qū)動(dòng)為VPFE設(shè)備驅(qū)動(dòng)。VPFE是DM368的視頻處理前端模塊，由CCDC、IPIPE、IPIPEIF、H3A 四個(gè)模塊組成。底層的VPFE驅(qū)動(dòng)可以認(rèn)為是一個(gè)videodev設(shè)備，該設(shè)備的定義存在于內(nèi)核文件vpfe＿capture.c中。在該文件下，主要完成如下的三部分工作：（a）向內(nèi)核提供函數(shù)接口，即內(nèi)核的加載卸載函數(shù)。（b）實(shí)現(xiàn)硬件探測(cè)、移除功能。其中，硬件探測(cè)函數(shù)probe（）函數(shù)是底層硬件初始化工作的載體，它是在驅(qū)動(dòng)注冊(cè)加載時(shí)運(yùn)行的，它主要完成兩部分工作。其一是檢測(cè)VPFE設(shè)備是否存在，若存在則將VPFE配置成V4L2＿dev設(shè)備，完成寄存器初始化工作，并向V4L2層的注冊(cè)；其二是查詢當(dāng)前系統(tǒng)的V4L2＿subdev設(shè)備。在本課題中，數(shù)字視頻解碼芯片TVP5147的配置接口IIC就是一種常見(jiàn)的V4L2子設(shè)備。TVP5147的IIC子設(shè)備有自己獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)，但是其驅(qū)動(dòng)的調(diào)用卻是在V4L2＿dev設(shè)備探測(cè)函數(shù)階段完成。通過(guò)調(diào)用TVP5147的IIC子設(shè)備驅(qū)動(dòng)，可完成其初始化配置工作，并將它們與已注冊(cè)的V4L2＿dev設(shè)備相連接，并向 V4L2層注冊(cè)。（c）完成 V4L2＿ioctl＿ops域?qū)崿F(xiàn)。應(yīng)用層程序通過(guò)ioctl（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)視頻設(shè)備的查詢控制操作，其最終調(diào)用的是內(nèi)核層的video＿device的ioctl＿ops域下的具體函數(shù)，即V4L2＿ioctl＿ops域下的具體函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

TVP5147的IIC子設(shè)備驅(qū)動(dòng)同樣隸屬于V4L2雙層架構(gòu)中的底層。在視頻硬件設(shè)備中，存在種類(lèi)繁多的子設(shè)備，如IIC、USB等。在V4L2架構(gòu)中，將涉及子設(shè)備控制的那部分功能單獨(dú)獨(dú)立出來(lái)，如vidioc＿s＿ctrl、vidioc＿s＿frequency等，并將它們最終封裝在V4L2＿subdev中供頂層程序調(diào)用。TVP5147的IIC子設(shè)備驅(qū)動(dòng)存在于內(nèi)核文件tvp514x文件中。在該文件下，主要完成如下三部分工作：（a）向內(nèi)核提供函數(shù)接口，即內(nèi)核的加載卸載函數(shù)。（b）實(shí)現(xiàn)硬件探測(cè)、移除功能。其中探測(cè)函數(shù)probe（）的功能與VPFE大體一致，在驅(qū)動(dòng)注冊(cè)時(shí)完成芯片的探測(cè)以及初始化工作。（c）完成 V4L2＿subdev＿ops域的具體實(shí)現(xiàn)，該域一般包含了通用操作合集、調(diào)諧器操作合集、音頻操作合集以及視頻操作合集。其中TVP5147作為視頻解碼芯片，僅需要實(shí)現(xiàn)通用操作合集以及視頻操作合集兩個(gè)部分即可。

3.1.2 應(yīng)用層視頻數(shù)據(jù)處理

在應(yīng)用層中，用戶可以利用V4L2的頂層程序接口實(shí)現(xiàn)V4L2設(shè)備的控制。但是V4L2的驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)用同樣需要遵循一定的流程，如視頻設(shè)備文件的開(kāi)關(guān)、視頻制式的設(shè)置、視頻幀緩沖的申請(qǐng)與管理、幀緩沖的用戶空間映射等等繁瑣的操作。為了簡(jiǎn)化這些操作，TI公司在應(yīng)用層又專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一套DMAI庫(kù)以幫助程序員簡(jiǎn)化V4L2設(shè)備的控制流程。DMAI全稱為Davinci Multimedia Application Interface，是 TI專(zhuān)門(mén)針對(duì)達(dá)芬奇架構(gòu)推出協(xié)助程序員開(kāi)發(fā)的位于應(yīng)用層的通用API接口。其內(nèi)涵不僅包含了上文所述的視頻處理，同樣也包含Codec Engine管理，線程同步，內(nèi)存管理等諸多方面。

3.2 應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件應(yīng)用層采用多線程程序框架，主線程由main.c定義，子線程為capture線程，video線程、write線程和uart線程。在主線程下完成其余線程的初始化工作后，轉(zhuǎn)換為控制線程，用于采集分析其它線程的運(yùn)行狀態(tài)并在終端打印輸出；capture線程基于DMAI框架與視頻驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)（／dev／video0）執(zhí)行視頻控制與數(shù)據(jù)交互，采集到的視頻裸數(shù)據(jù)經(jīng)FIFO管道機(jī)制交付給video線程進(jìn)行數(shù)據(jù)后續(xù)處理；video線程主要負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)與系統(tǒng)硬核的調(diào)度，從capture線程取來(lái)的視頻裸數(shù)據(jù)交付給DM368壓縮硬核執(zhí)行數(shù)據(jù)壓縮，從硬核取出的數(shù)據(jù)即為H264碼流數(shù)據(jù)，同樣經(jīng)FIFO管道機(jī)制交付給下級(jí)線程——write線程；write線程專(zhuān)注用于數(shù)據(jù)處理，該線程從FIFO管道中取出從video線程處獲取的H264碼流數(shù)據(jù)，將H264碼流數(shù)據(jù)經(jīng)組包協(xié)議處理后經(jīng)硬件SPI口發(fā)送，同時(shí)write線程還需監(jiān)控uart線程，完成uart串口數(shù)據(jù)的組包，解包，解析等操作，并依靠uart線程完成本系統(tǒng)與外部中控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互工作；uart線程任務(wù)較為單一，由于組包解包工作在write線程完成，因此該線程僅完成串口裸數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。上述四個(gè)線程宏觀并行，微觀串行執(zhí)行，由嵌入式板級(jí)Linux系統(tǒng)管理線程間調(diào)度。本系統(tǒng)應(yīng)用層軟件的多線程程序架構(gòu)參見(jiàn)圖3所示。

圖3 多線程程序框架Fig.3 Multi－task software framework

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境如下：

（a）嵌入式Linux內(nèi)核版本號(hào)為2.6.32.17；

（b）交叉編譯環(huán)境 arm－none－linuxgnueabi－4.3.3；

（c）DMAI軟件版本號(hào)為2.20.00.15；

（d）宿主機(jī) VMWare－Ubuntu－12.04

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，使用地面站解碼系統(tǒng)為接收端評(píng)估本系統(tǒng)效果。編碼端與解碼端采用SPI對(duì)點(diǎn)對(duì)接方式，解碼端以PAL制式輸出解碼視頻至外部顯示屏。試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，串口命令響應(yīng)無(wú)延遲，地面接收端輸出的圖像清晰流暢，沒(méi)有失真及馬賽克現(xiàn)象引入。系統(tǒng)延遲約為0.6～0.9s之間。此處需要補(bǔ)充說(shuō)明的是上述延遲時(shí)間是由本系統(tǒng)編碼端硬核編碼，SPI組包，SPI傳輸，地面解碼端SPI解包以及解碼共同決定的。系統(tǒng)在12V穩(wěn)壓電源供電情況下，工作時(shí)輸出電流為0.13左右，功耗約為1.5W。圖4是解碼端的圖像效果截圖。

圖4 解碼端圖像效果截圖Fig.4 Graphic result captured from decoding system

5 結(jié) 論

無(wú)人機(jī)有限的能量供應(yīng)決定了其電子學(xué)設(shè)備必須具備尺寸小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。本文結(jié)合工程應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)出一套可供無(wú)人機(jī)使用的低功耗視頻實(shí)時(shí)壓縮系統(tǒng)。系統(tǒng)以DM368為核心處理器，以嵌入式Linux為板級(jí)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件內(nèi)核層基于V4L2架構(gòu)實(shí)現(xiàn)視頻采集，應(yīng)用層基于多線程架構(gòu)實(shí)現(xiàn)視頻采集，硬核調(diào)度，串口通訊，數(shù)據(jù)輸出等諸多任務(wù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，較比傳統(tǒng)的嵌入式視頻H264軟件編碼壓縮系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)在處理PAL制式為視頻源的H264編碼任務(wù)時(shí)，平均功耗僅為1.5W，具有功耗低，成本低、體積小、重量輕、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，能夠滿足無(wú)人機(jī)視頻壓縮的應(yīng)用需求。

本系統(tǒng)以DM368為核心處理單元，依賴內(nèi)嵌的視頻協(xié)處理硬件編碼H264視頻具有一定的弊端。其一，由于系統(tǒng)調(diào)用DM368固化的協(xié)處理壓縮硬核，用戶僅能對(duì)硬核開(kāi)放的接口進(jìn)行控制，對(duì)于未開(kāi)放的部分則不能控制，并需要對(duì)硬核要求對(duì)視頻做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，比如視頻源分辨率需調(diào)整為2K×2K以下，行列均為32的整數(shù)倍等。若針對(duì)大視場(chǎng)非標(biāo)圖像且明確要求不可損失分辨率的情形，則不在DM368可處理的范圍之列；其二，由于DM368內(nèi)嵌的協(xié)處理壓縮硬核需在嵌入式Linux的管理調(diào)度下運(yùn)行，不能在無(wú)操作系統(tǒng)的環(huán)境下運(yùn)行。嵌入式Linux是一種實(shí)時(shí)化操作系統(tǒng)，但是“實(shí)時(shí)”的概念是指系統(tǒng)正常加載運(yùn)行后系統(tǒng)調(diào)度和響應(yīng)的“實(shí)時(shí)”。在嵌入式Linux沒(méi)有加載完成之前，系統(tǒng)無(wú)法對(duì)外界激勵(lì)作出正常響應(yīng)。因此，本系統(tǒng)不適宜在“上電即運(yùn)行”特殊項(xiàng)目背景下工作。本系統(tǒng)內(nèi)核經(jīng)優(yōu)化裁剪處理后，啟動(dòng)時(shí)間約為15s。盡管存在上述弊端，但是以DM368為核心的視頻壓縮系統(tǒng)以其功耗低、成本低、體積小、重量輕、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)成為了業(yè)界主流的視頻壓縮技術(shù)方案之一。

［1］馮琦，周德云.軍用無(wú)人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)［J］.電光與控制，2003，10（1）：9－13.Feng Q，Zhou D Y.The development trend of unmanned air vehicle［J］.Electronics Optics ＆ Control，2003，10（1）：9－13.（in Chinese）

［2］秦博.無(wú)人機(jī)發(fā)展綜述 ［J］.飛航導(dǎo)彈，2002，8：4－9.Qin B.The overview of unmanned air vehicle development trend ［J］.Winged Missiles Journal，2002，8：4－9.（in Chinese）

［3］楊權(quán)，劉晶紅，馬曉飛.基于圖像處理的機(jī)載光電平臺(tái)自動(dòng)調(diào)焦方法 ［J］.液晶與顯示，2011，26（5）：677－682.Yang Q，Liu J H，Ma X F.Auto－focusing method based on image processing for airborne electro－optical imaging platform ［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（5）：677－682.（in Chinese）

［4］尹傳歷，王嘯哲.機(jī)載嵌入式圖像增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.液晶與顯示，2013，28（4）：604－607.Yin C L，Wang X Z.Design and realization of airborne embedded image enhancement system ［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（4）：604－607.（in Chinese）

［5］李剛，張赫.機(jī)載光電平臺(tái)實(shí)時(shí)圖像消旋 ［J］.液晶與顯示，2014，29（2）：304－309.Li G，Zhang H.Real－time image rotation－elimination for airborne photoelectric platform ［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2014，29（2）：304－309..（in Chinese）

［6］催麥會(huì).無(wú)人機(jī)視頻情報(bào)壓縮傳輸技術(shù)［J］.電訊技術(shù)，2007，47（1）：130－133.Cui K H.Compression transmission technology of UAV video intelligence［J］.Telecommunication Engineering，2007，47（1）：130－133.（in Chinese）

［7］魯劍鋒.無(wú)人機(jī)光電載荷圖像處理器的設(shè)計(jì) ［J］.中國(guó)光學(xué)，2011，4（5）：448－452.Lu J F.Design of image system in opto－electrical payloads on UAV ［J］.Chinese Journal of Optics，2011，4（5）：448－452.（in Chinese）

［8］宋揚(yáng).基于TMS320DM642DSP的H.264編碼器優(yōu)化與設(shè)計(jì) ［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2007.Song Y.The design and optimization of H264encoder based on TMS320DM642［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2007.（in Chinese）

［9］劉志剛.基于FPGA的H.264編碼器的硬件的實(shí)現(xiàn)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2009.Liu Z G.Hardware implementation of H.264encoder based on FPGA ［D］.Xi｀an：Xidian University，2009.（in Chinese）

［10］王飛.基于Davinci技術(shù)的視頻編碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012.Wang F.Implementation of video encoding system based on Davinci technology ［D］.Xi｀an：Xidian University，2012.（in Chinese）

［11］林振.基于TMS320DM368的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的設(shè)計(jì) ［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.Lin Z.The design of a net camera based on TMS320DM368［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2012.（in Chinese）

［12］李宇成，李聰.基于DM368的視頻處理及軟件設(shè)計(jì) ［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（10）：2865－2871.Li Y C，Li C.Video processing based on DM368and software design ［J］.Chinese Computer Measurement and Control，2013，21（10）：2865－2871.（in Chinese）