基于ARM11的校園網絡視頻監控系統的設計

許 玲，李吉彪

（河南機電高等專科學校 自動控制系，新鄉 453003）

0 引言

隨著數字技術、計算機技術和網絡技術的發展，基于互聯網的各種業務呈幾何指數規律飛速增長，網絡視頻監控作為基于互聯網的一種全新業務也得到了飛速的發展。網絡視頻監控平臺已經被廣泛應用于生活小區、會展中心、銀行、大型企業等場所[1]。安全防范是校園安全管理的一個重要組成部分，也是體現安全保衛功能先進性的重要環節。學校校園監控因為學校管理人員少，學生多，給學校的安全管理帶來許多不便之處，為隨時掌握學校動態，發現安全隱患，記錄異常情況的視頻影像，以便立即防范或作為事后分析處理的客觀依據。因此，學校安裝監控設施就成為了一種趨勢。實踐中，充分發揮計算機無人值日、全天候安全監控的功能，是一種節省人力物力的最佳輔助安全管理方案。

視頻監控系統[2,3]是指一套由攝像、傳輸、控制、顯示和記錄登記五部分組成，為客戶提供圖像、聲音和各種報警信號, 并進行遠程采集、傳輸、存儲、處理與轉播的系統。而融合互聯網、電視技術、通信技術的基于互聯網平臺的視頻監控網絡化是必然的趨勢。本文采用ARM公司最新的ARM11 RISC 處理器進行開發，使用其內部模塊MFC 完成H.264 的編解碼，在嵌入式和網絡環境下，完成視頻的采集、傳輸、實時顯示、存儲等功能。

1 ARM11處理器

ARM11處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器[4,5]，它是ARM新指令架構——ARMv6的第一代設計實現。ARM11處理器的流水線和以前的ARM內核不同，它由8級流水線組成，8級流水線可以使8條指令同時被執行，比以前的ARM內核提高了至少40%的吞吐量。ARM11處理器提供動態預測和靜態預測兩種技術來對跳轉作出預測。

在ARM11處理器中，指令和數據可以更長時間的被保存在Cache中。一方面是由于物理地址Cache的實現，使上下文切換避免了反復重載Cache；另一方面是由于ARM11的Cache還有很多其它新穎的技術特點。在ARM11處理器中，內核和Cache及協處理器之間的數據通路是64位的，因此可以提供64位處理器性能的解決方案。ARM11內核在運行于極高頻率的同時，也能非常容易的被集成在SoC設計中。同時，ARM11處理器提供的向上兼容性，使OEM可以放心的選用任何基于ARM的產品。

2 系統設計方案

2.1 整體設計方案

在學校大門、圍墻、重要通道、教師家屬院及家屬院出入口等重點部位安裝攝像機，24小時的監控和錄像。監視大門人員出入情況及車牌號，并能發現可疑目標進行跟蹤監視。同時在學校大門內側廣場區域、主干道、湖面附近、圖書館天井處等地方安裝紅外云臺攝像機。在校園內距離小于300米的攝像機采用視頻線直接傳輸，在距離大于300

校園網絡視頻監控系統的設計充分考慮了它與信息時代數字化的匹配。本系統設計了一個總控室，有14孔位的電視墻，16路硬盤錄像機4臺，4聯操作臺及4臺顯示器，利用監控室監視器作為監視單元分別對分控區域內的信號進行輪巡顯示。采用專用的文件系統，無磁盤碎片，數據保密性高，單硬盤容量不受限制，并具有硬盤休眠技術和SMART技術，支持硬盤狀態報警；硬盤錄像機功能強大，具備斷電重啟的功能，真正能夠達到無人值守的目的。考慮到系統的穩定性和可靠性，本方案設計硬盤時除了系統本身的內置硬盤以外，還可以采用外掛硬盤存儲系統。

圖1 系統硬件架構圖

2.2 硬件設計

基于ARM11的校園網絡視頻監控系統的硬件架構圖如圖1所示。系統硬件部分主要包括：ARM1176JZF-S為內核的S3C6410微處理器及存儲電路模塊，電源，時鐘和復位電路模塊，外圍接口電路模塊等。S3C6410處理器負責控制接收攝像頭的視頻信號，其內部集成的多媒體編解碼器（MFC）進行基于H.264的壓縮編碼。而NAND FLASH用于各種固化程序的存儲，SDRAM用于存取系統運行時程序，JTAG用于下載程序，串口用于打印信息的輸出及調試程序。

2.3 軟件平臺的設計

軟件平臺由U-boot引導程序，Linux內核和設備驅動程序共同形成運行環境，而應用層由視頻采集、視頻壓縮編碼模塊、視頻顯示、視頻傳輸等主要模塊組成。網絡視頻監控系統實現的具體過程如下：首先，啟動嵌入式系統上的服務程序，服務程序啟動后等待客戶端的連接。如果有客戶端發出連接請求，服務程序不斷的將從攝像頭采集的實時視頻數據壓縮處理，然后通過基于JRTPLIB庫的RTP/RTCP協議傳輸到一組播地址。客戶端加入組播，不斷獲取視頻數據，并將視頻數據解碼顯示出來，最終實現實時監控。

1）視頻采集模塊

該模塊負責USB攝像頭初始化。啟動采集線程程序，將采集到的圖像數據，放到一環行緩沖區，供視頻壓縮模塊使用。另外，該模塊負責接受控制管理指令，可改變采樣速率、分辨率大小，顏色等。

2）視頻壓縮編碼模塊

該模塊的主要任務是接受視頻采集模塊的數據，并進行相應編碼壓縮，再將壓縮后的視頻數據，存放在該模塊的環形緩沖區。

3）視頻顯示模塊

Linux 下的視頻采集是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。在應用程序中可以利用V4L 結合I/ O 控制函數來操作攝像頭進行視頻數據采集。視頻采集的流程圖如圖2 所示。

4）視頻圖像的解碼模塊

由于攝像頭采集的是JPEG 格式的視頻圖像，客戶端接收到后要進行解碼為RGB 格式才能正常顯示，這是通過調用來init _ jpeg _ decoder()函數來實現的。init _ jpeg _decoder()函數主要完成為圖像數據預分配空間，查詢圖像質量等級表和哈夫曼表，進行反DCT 變換等工作來實現圖像的解碼。視頻的播放是利用SDL來實現的。利用SDL實現視頻的播放主要包括以下五個步驟：（1）初始化SDL 庫；（2）設置視頻圖像顯示分辨率；（3）調用JPEG 解碼后視頻圖像數據；（4）設置播放窗口標題；（5）掃描數據到屏幕上, 實現視頻播放。

圖2 視頻采集的流程圖

3 系統測試與分析

通過實驗測試，系統運行穩定, 在1024×768大小的分辨率下,在局域網內測得視頻幀率可達到16 幀/s, 基本可以滿足網絡視頻監控的要求。測試過程中的CPU 最高占有率為8.9% , CPU 平均占用率是5.6% , 說明該系統運行效率較高。

4 結論

本文設計了基于ARM11處理器的校園網絡視頻監控系統。該系統實現了視頻采集、H.264 壓縮編碼和網絡傳輸等視頻服務功能，同事將嵌入式視頻監控與網絡技術結合起來,實現實時傳輸，節省了成本,更具有便攜、低功耗等優點。該系統便于通訊, 具有廣泛的應用價值和市場前景。下一步工作可在提高傳輸質量上和差錯恢復上做進一步研究。

[1] 馮延蓬, 仵博, 蔡學軍. 基于J2EE的遠程視頻監控平臺的設計[J]. 煤炭技術, 2010, 29(5): 50-51.

[2] 王永利. 分布式網絡視頻監控系統的架構[J]. 自動化儀表, 2010, 31(7): 42-44.

[3] 梁篤國, 張艷霞, 鄭澤民, 等. 網絡視頻監控技術及應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2009: 11-16.

[4] 錢華明, 劉英明, 張振旅. 基于S3C2410 嵌入無線視頻監控系統的設計[J]. 計算機測量與控制, 2009, 17(6): 1132-1134.

[5] Rahul Vanam Eve A. Riskin H.264/MPEG-4 AVC Encoder Parameter Selection Algorithms for Complexity Distortion Tradeoff. IEEE Data Compression Conference, 2009.