基于ARM的視頻監控系統的設計與實現

涂繼輝,余厚全,佘新平 (長江大學電子信息學院,湖北荊州434023)

近年來,遠程監控技術在環境監測、工業控制等領域應用越來越廣泛。嵌入式的視頻采集以其小巧靈活、低成本和高性能的特點而獨具優勢,在視頻監控領域發揮越來越重要的作用。目前采用嵌入式監控系統的設計方案有2種:①以嵌入式視頻采集為服務端,把采集好的圖像通過網絡傳送給上位機進行顯示或者保存[1,2]。該方案不但結構復雜、成本較高,而且實施起來比較麻煩;②在嵌入式系統中加入存儲芯片,把采集的圖像直接保存在存儲芯片中[3],該方案結構簡單、成本較低,但由于存儲芯片固定,因此不利于存儲容量的擴展和數據轉存。針對上述視頻監控系統的不足,筆者提出一種新的視頻監控系統。該系統使用高性能的ARM9芯片作為微處理器控制USB攝像頭視頻數據的采集和顯示,并把采集到的視頻數據通過USB接口保存到U盤中,以達到對特定環境進行實時監測的目的。

1 系統設計

視頻監控系統的設計原理是在嵌入式Linux操作系統中,視頻監控系統控制video41inux實現USB攝像頭視頻數據采集,經MPEG-4壓縮后,通過USB傳送到外置的U盤保存。由于嵌入式視頻監控系統存儲的是標準的視頻格式文件,因此,用戶可以通過PC機瀏覽U盤中的視頻監控錄像,以達到對特定環境進行監控的目的。整個系統的結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

1.1 硬件部分設計

由CMOS和DSP集成一體的攝像頭通過USB控制器接入到S3C2410(ARM開發板型號),S3C2410在外圍電路的配合下共同把圖像信息采集回來,然后把信息交給后臺程序處理,后臺程序在主控界面的控制下再把經過處理的圖像存儲到U盤或者在液晶屏上實時顯示出來,最終實現視頻監控功能。使用設備如下:ARM S3C2410;基于Z301芯片攝像頭;任意型號的U盤;10.4″TFT LCD顯示屏,高亮度。

1.2 軟件設計

由視頻采集、視頻顯示、視頻壓縮、視頻保存和系統操作控制的GUI模塊組成,用戶通過觸摸屏操作GUI模塊來控制整個系統。模塊框圖如圖2所示。

圖2 系統模塊框圖

視頻采集主要以ARM S3C2410為核心的處理器控制通過USB接口連接的攝像頭采集視頻數據,然后把這部分采集的數據進行視頻的顯示和保存。視頻采集數據的方式主要有2種[4]:①直接讀取設備中的視頻數據;②處理器把采集的數據先保存在內存中,然后通過內存映射的方式讀取視頻數據。由于方式②的I/O讀取速度較快,而且能夠很好的實現內存數據共享,因此該系統設計采用方式②進行視頻數據的采集。

2 系統實現

2.1 視頻采集

視頻采集終端是該系統的核心模塊。Video4Linux是Linux中關于視頻設備的內核驅動,其為針對視頻設備的應用程序編程提供一系列接口函數,這些視頻設備包括現今市場上流行的TV卡、視頻捕捉卡和 USB攝像頭等。視頻采集是通過嵌入式Linux操作系統調度video41inux和影像設備驅動程序來完成視頻捕獲。在Linux操作系統中,外部設備都作為設備文件來管理,因此,對外部設備的操作就轉變成對設備文件的操作。視頻設備文件位于/dev/目錄下,一般情況下為video0。當攝像頭通過USB接口連接到視頻采集終端后,在程序中調用V4LAPIs對設備文件video0作讀操作即可實現攝像頭視頻數據采集。其主要過程如圖3所示。

通過上述過程,該系統可以將采集的視頻數據存放在內存中。這部分數據既可以壓縮后保存為視頻文件,也可以通過映射到顯存后顯示在畫布上。因此這個過程為后面的視頻顯示和保存提供數據支持。

圖3 視頻采集流程圖

2.2 視頻顯示

視頻顯示模塊的過程是先把采集到的視頻數據從內存中映射到顯存中,然后初始化畫布,設置顯示模式,再鎖定顯卡,把顯存中的數據顯示到畫布上,最后給顯卡解鎖,從而完成一幀圖像的繪制。連續的視頻就是多幀圖像不停的循環繪制。

2.3 視頻壓縮

由于視頻采集模塊采集的視頻數據信息量較大,如果直接通過保存,則導致保存的視頻文件非常大。MPEG-4編碼具有高效的壓縮性、可交互性和可擴展性,已成為多媒體通信領域的1種標準算法。基于以上優點,該系統選用MPEG-4視頻壓縮編碼方式。其主要步驟如下:①對原始視頻數據進行簡化以利于分割,可通過低通濾波、中值濾波和形態濾波來完成;②對視頻數據進行特征 (如顏色、紋理、運動、幀差、位移幀差乃至語義等)提取;③基于某種均勻性標準來確定分割決策。根據所提取特征將視頻數據歸類成不同的對象,針對不用的視頻對象Vo采用不同的編碼策略,利用VOP視頻編碼技術對視頻對象進行編碼。最后各個視頻對象的碼流進行復合后輸出。試驗表明,MPEG-4的壓縮率可高達200∶1,一幀畫面的容量只有1～2KB。如此高的壓縮率,解決了存儲容量的瓶頸,從而能儲存更長時間的錄像文件。

2.4 U盤控制

1)當U盤插入時,把U盤加入到系統中,命令如下:

2)準備拔出U盤時,先從系統中卸載U盤,命令如下:

2.5 控制界面

利用Qt4[5]完成該系統的可視化用戶界面GUI。由于Qt4中可以加載觸摸屏的驅動,因此整個系統可以通過觸摸屏來操控。Qt4中的進程可以啟動視頻采集和顯示模塊來觀測視頻監控的位置,然后停止顯示模塊的進程,啟動視頻采集、壓縮和保存模塊,把監控到的視頻數據保存到U盤中。Qt4還可以通過調用U盤控制命令來控制U盤的插拔。

3 系統測試與分析

實時采集顯示的測試結果如圖4所示;U盤保存視頻文件回放結果如圖5所示。

圖4 系統視頻監控實時顯示圖

圖5 U盤保存視頻文件回放圖

視頻采集程序運行效率測試結果如圖6所示。從圖6中可以看出,測試過程中的CPU最高占有率為7.6%,CPU平均占用率是4.0%,說明該系統運行效率較高。該系統經過調試后運行良好,采集圖像清晰,硬件電路可靠,能很好地對特定環境進行實時視頻監控。

圖6 系統 CPU占用率圖

4 結 語

提出一種基于ARM S3C2410和Linux嵌入式實時監控系統的設計方案,采用嵌入式Linux操作系統進行視頻采集、壓縮和實時的顯示視頻,最后保存在用戶的U盤中,整個系統的控制通過觸摸屏操作。該系統把視頻監控存儲模式從傳統的內置存儲器擴展到使用目前流行的閃存設備,既使系統的存儲容量得到擴大,又使存儲方式得到擴展。另外,該系統采用觸摸屏的控制模式,操作起來簡單方便。因此,該系統具有結構簡單、操作方便、成本較低的特點。在油田、油氣井現場、智能小區、交通監控和醫院病房監護室等領域具有廣闊的應用前景。

[1]張曉東,李秀娟,張杰.基于ARM的嵌入式遠程監控系統設計 [J].現代電子技術,2008,31(6):22～23.

[2]梅大成,楊大千,周勇,等.嵌入式無線視頻監控系統設計[J].微計算機信息,2007,(3):19～25.

[3]李霏,王讓定,徐霽.基于嵌入式Linux的多路視頻監控系統的設計 [J].寧波大學學報,2007,20(2):151～154.

[4]孫天澤,袁文菊,張海峰.嵌入式設計及Linux驅動開發指南——基于ARM9處理器 [M].北京:電子工業出版社,2005.

[5]陳冬,楊兆選.一種嵌入式視頻交通監控系統的設計與實現[J].計算機測量和控制,2006,14(9):1200～1203.