ARM嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著數(shù)字化時(shí)代的來臨，遠(yuǎn)程監(jiān)控管理已成為一種潛在的趨勢。本文基于三星S3C2440嵌入式ARM9微處理器，結(jié)合嵌入式Linux開源系統(tǒng)把視頻圖像數(shù)據(jù)使用H.264視頻壓縮算法進(jìn)行壓縮。基于以太網(wǎng)通信，通過TCP/IP協(xié)議的socket編程，采用C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)視頻遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸。

關(guān)鍵詞：視頻采集；嵌入式；H.264算法；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP303 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

近幾年來視頻監(jiān)控領(lǐng)域在飛速的發(fā)展，廣泛應(yīng)用在銀行、校園、交通管理系統(tǒng)等個(gè)個(gè)領(lǐng)域，對(duì)建設(shè)良好的社會(huì)治安環(huán)境起著重要的作用。但是目前許多領(lǐng)域的視頻監(jiān)控采集系統(tǒng)都是基于同軸電纜架設(shè)，由于監(jiān)控系統(tǒng)鋪設(shè)范圍廣，架設(shè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工程浩大，使視頻監(jiān)運(yùn)用控成本大大提高，嚴(yán)重限制了視頻監(jiān)控的推廣與發(fā)展。隨著嵌入式與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)向著前端一體化、視頻數(shù)字化、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成化方向發(fā)展，而數(shù)字化是網(wǎng)絡(luò)化的前提，網(wǎng)絡(luò)化又是系統(tǒng)集成化的基礎(chǔ)[1]。因而誕生出各色各樣網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控采集設(shè)備，由于其安裝方便、性價(jià)比高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛的運(yùn)用于各行各業(yè)。本嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控采集系統(tǒng)正是以ARM9微處理器為核心。由攝像機(jī)經(jīng)過H.264視頻壓縮算法采集視頻數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)卡，把圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，使用socket構(gòu)造編程，傳送到客戶端。通過這種方式網(wǎng)絡(luò)中心控制器以及多個(gè)前端網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控器就組成了一個(gè)聯(lián)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)[2]。從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控采集，并且具有開發(fā)簡單，使用方便，性能優(yōu)異等特點(diǎn)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件平臺(tái)介紹

2.1控制核心簡介

系統(tǒng)采用Samsung公司的S3C2440A作為核心處理器，使用ARM公司ARM920T內(nèi)核，最高主頻可達(dá)533MHz。S3C2440[3]是一款內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，具有16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache。結(jié)合嵌入式Linux開源操作系，憑借其出色的MMU（存儲(chǔ)器管理單元）與多任務(wù)處理技術(shù)，確保了整個(gè)大系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定低價(jià)，低功耗，高性能的核心控制核心。

2.2系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由視頻數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)字圖像壓縮模塊，以太網(wǎng)控制模塊，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊等四大模塊作為系統(tǒng)核心，視頻數(shù)據(jù)采集模塊通過Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)攝像頭的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)視頻圖像采集。數(shù)字圖像壓縮模塊主要由H.264視頻編碼壓縮算法進(jìn)行管理與控制，由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ITU-T和ISO/IEC組成[4]。可在小帶寬網(wǎng)絡(luò)或多點(diǎn)監(jiān)控采集中實(shí)現(xiàn)快速傳輸。以太網(wǎng)控制模塊，使用安全可靠的TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)通信。通過嵌入式web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)之間的通信[5]，配合獨(dú)自編寫一個(gè)以socket編程方式的客戶端與服務(wù)器程序，采用C/S架構(gòu)方案，實(shí)時(shí)地進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

2.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由s3c2440結(jié)合64MB SDRAM與256MB Nand Flash作為控制核心，作為整個(gè)系統(tǒng)的心臟負(fù)責(zé)著視頻采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)視頻采集控制，圖像數(shù)據(jù)編碼壓縮，數(shù)據(jù)傳輸控制等控制操作，保證內(nèi)外器件的穩(wěn)定運(yùn)作。配合DM9000EP以太網(wǎng)芯片實(shí)現(xiàn)傳輸，通過RS232串口實(shí)現(xiàn)控制交互，使得系統(tǒng)內(nèi)部操作變得一目了然，開發(fā)調(diào)試更加便捷。使用JATG接口實(shí)現(xiàn)仿真與燒錄，為達(dá)到視頻采集的需要系統(tǒng)一共設(shè)計(jì)多個(gè)USB接口，使用AY7C68013A芯片控制，速度可達(dá)12Mbit/s，最多可連接127個(gè)USB設(shè)備，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)接收。系統(tǒng)采用中星微301P芯片的數(shù)字?jǐn)z像頭，通過編碼壓縮后經(jīng)自編socket服務(wù)器把數(shù)據(jù)傳到主機(jī)客戶端。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

3軟件平臺(tái)搭建

3.1交叉編譯環(huán)境建立

由于嵌入式開發(fā)板的資源有限，所以嵌入式的開發(fā)、調(diào)試往往是在PC機(jī)上完成的，但是PC機(jī)使用的核心架構(gòu)是X86架構(gòu)和ARM的核心架構(gòu)是有著本質(zhì)上的區(qū)別的。未解決架構(gòu)之間的阻礙，這就需要我們構(gòu)建一個(gè)交叉編譯鏈，交叉編譯鏈可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的嵌入式開發(fā)與調(diào)試，大大加快了產(chǎn)品開發(fā)的速度與降低了嵌入式開發(fā)難度，使得在X86架構(gòu)的PC機(jī)上編寫并編譯通過的程序一樣能在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行，本系統(tǒng)使用的是3.4.1版本的交叉編譯鏈，成功安裝交叉編譯鏈后，可以通過如下代碼修改profile文件改變交叉編譯鏈的版本。

3.2Linux內(nèi)核配置

作為一個(gè)操作系統(tǒng)的核心，它決定了操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性與性能，并且為各種應(yīng)用程序提供對(duì)設(shè)備硬件的安全訪問的一部分軟件。所以嵌入式設(shè)備為了節(jié)省資源，內(nèi)核都是經(jīng)過設(shè)計(jì)與裁剪的，本視頻采集監(jiān)控系統(tǒng)使用的Linux內(nèi)核版本為2.6.30.4。PC機(jī)采用VMware構(gòu)建Red Hat Linux系統(tǒng)，在PC機(jī)的Linux操作系統(tǒng)中定制設(shè)備獨(dú)特的內(nèi)核，加載USB接口，串口通信，網(wǎng)卡，USB攝像頭等所有視頻采集監(jiān)控系統(tǒng)所需要的所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)。在內(nèi)核目錄內(nèi)使用“make menuconfig”命令，啟動(dòng)圖形化內(nèi)核配置界面配置。這樣就可以開始設(shè)計(jì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)核，加載各類的驅(qū)動(dòng)。

3.3USB攝像頭加載

設(shè)備采用中星微301P芯片的USB數(shù)字?jǐn)z像頭，解決了模擬攝像頭需要特定的視頻采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，才能進(jìn)行存儲(chǔ)等處理問題，有效節(jié)省S3C2440微處理器的資源[6]。設(shè)備采用USB并行通信的方法比傳統(tǒng)串行端口通信快出100倍。由于攝像頭采用的是V4L（Video for Linux）標(biāo)準(zhǔn)方案，所以Linux內(nèi)核必須對(duì)V4L實(shí)現(xiàn)支持。使用“make menuconfig”命令進(jìn)入內(nèi)核配置環(huán)境，進(jìn)入“Device Drivers”設(shè)備驅(qū)動(dòng)配置選項(xiàng)，靜態(tài)加載“Video For Linux”并加載“Omini Vision Camera Chip support”完成對(duì)V4L方案攝像頭的支持。配置好攝像頭的驅(qū)動(dòng)，我還必須加載設(shè)備對(duì)USB接口的支持，選擇“USB Support” 靜態(tài)加載“USB OV511 Camera support”和“USB SPCA5XX Sunplux/Vimicro/Sonixjpeg Camera”。至此視頻采集系統(tǒng)的USB攝像頭才能正常的工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像數(shù)據(jù)采集。保存配置后，根目錄就會(huì)多出“.config”這內(nèi)核配置文件。使用“make zImage”命令，開始編譯配置好的內(nèi)核。把內(nèi)核移植從PC機(jī)移植到硬件設(shè)備就可以進(jìn)行視頻的采集工作。

4視頻數(shù)據(jù)采集與過程

H.264壓縮算法處理

設(shè)備從攝像頭采集到數(shù)字圖像信號(hào)，視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)為M-JPEG，其占用的通信帶寬過大，容易造成網(wǎng)絡(luò)擁堵[7]。為了實(shí)現(xiàn)視頻快速傳輸，滿足遠(yuǎn)程用戶帶寬限制得問題，對(duì)數(shù)學(xué)圖像信號(hào)經(jīng)過H.264編碼壓縮算法編碼壓縮，在對(duì)圖像質(zhì)量影響最小的條件下，對(duì)圖像進(jìn)行最大限度的壓縮與編碼。而且H.264標(biāo)準(zhǔn)中的UMHexagonS算法相對(duì)于快速全搜索算法更可節(jié)約90%以上的運(yùn)算量，同時(shí)能保持較好的率失真性能[8]。H.264的工作流程是從配置好的攝像設(shè)備中采集的一幀圖像進(jìn)行宏塊Slice和Slice Groupde劃分，判斷編碼是否完成，完成就對(duì)圖像進(jìn)行重構(gòu)，插入1/4像素差值，從而建立參考幀，發(fā)送至socket服務(wù)器端。一改以往使用M-JPEG標(biāo)準(zhǔn)的視頻解碼方式嚴(yán)重占用通信帶寬的缺點(diǎn)，大大減少網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況，使得多路視頻圖像傳輸依然暢通，更好的利用了帶寬資源。編碼流程如圖2所示。

5遠(yuǎn)程監(jiān)控采集

5.1嵌入式遠(yuǎn)程web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

嵌入式WEB服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)客戶的訪問請(qǐng)求。Web 客戶端發(fā)送的連接請(qǐng)求通過TCP/IP協(xié)議經(jīng)由Internet發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器檢查請(qǐng)求合法之后，便建立與客戶端的TCP/IP連接[9]。嵌入式系統(tǒng)通常用Boa Web服務(wù)器，因?yàn)檫@款服務(wù)器體積小，可執(zhí)行代碼不足60KB。能依次完成網(wǎng)絡(luò)用戶的請(qǐng)求：boa主要由兩部分組成，嵌入式WEB Server和CGI程序。前者負(fù)責(zé)監(jiān)聽請(qǐng)求。當(dāng)客戶向系統(tǒng)發(fā)送訪問請(qǐng)求時(shí)，WEB Server馬上調(diào)動(dòng)相應(yīng)的CGI程序，負(fù)責(zé)在服務(wù)器與客戶端之間的識(shí)別格式轉(zhuǎn)換。嵌入式Web技術(shù)以其良好的用戶界面、統(tǒng)一的客戶端軟件、方便的遠(yuǎn)程交互能力而成為嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、信息化的重要手段[10]。

5.2編寫socket視頻監(jiān)控程序

視頻監(jiān)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)傳輸主要是在Linux系統(tǒng)中通過網(wǎng)絡(luò)編程——Socket（套接字）實(shí)現(xiàn)的，本監(jiān)控的設(shè)備通過安全可靠的TCP協(xié)議編寫一套客戶端和服務(wù)器程序。利用嵌入式 LINUX 操作系統(tǒng)自帶的TCP/IP協(xié)議棧提供的SOCKET編程接口設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的嵌入式WEB服務(wù)器[11]。在服務(wù)器代碼中，調(diào)用socket（）函數(shù)建立一個(gè)socket，使用bing（）綁定IP地址端口等信息到socket上，調(diào)用listen（）實(shí)現(xiàn)最大客戶端連接數(shù)量，然后使用accept（）等待來自客戶端的請(qǐng)求，當(dāng)連接構(gòu)成時(shí)，調(diào)用send_void（）函數(shù)把經(jīng)過H.264壓縮編碼算法出來過的圖像發(fā)送到客戶端中，最后關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接。

6系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

連接好視頻監(jiān)控系統(tǒng)的所有設(shè)備，上電并啟動(dòng)，PC機(jī)打開串口工具——AbsoluteTelnet，連接到視頻監(jiān)控開發(fā)板。進(jìn)入嵌入式linux操作系統(tǒng)配置工作環(huán)境，確保平臺(tái)順利運(yùn)行。輸入ifconfig命令觀察設(shè)備IP地址，使用ifconfig eth0 XXX.XXX.XXX.XXX配置IP。使ping XXX.XXX.XXX.XXX命令查看網(wǎng)卡工作是否正常，并且是否與監(jiān)控端主機(jī)連接成功。輸入命令，啟動(dòng)USB視頻監(jiān)控程序。在監(jiān)控主機(jī)中開啟自編的監(jiān)控軟件，配置好目標(biāo)監(jiān)控點(diǎn)的IP地址與監(jiān)控端口便可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。由于設(shè)備采用H.264視頻壓縮算法進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)壓縮處理，一改傳統(tǒng)監(jiān)控流量巨大，必須占用大量帶寬等不足，因此視頻監(jiān)控流能達(dá)到10fps甚至更小，但卻可最大限度的保證了視頻監(jiān)控的質(zhì)量，圖像處理前后效果對(duì)比如圖4所示，使得智能手機(jī)、平板電腦等手持移動(dòng)設(shè)備安裝上監(jiān)控端軟件也能實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控，更大地拓寬了視頻監(jiān)控領(lǐng)域的市場。7結(jié)語

基于ARM s3c2440微處理芯片的嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控采集系統(tǒng)，有效的脫離了傳統(tǒng)同軸電纜鋪設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足，最大限度的利用網(wǎng)絡(luò)傳輸，降低了施工難度，而且有效的實(shí)現(xiàn)了視頻的實(shí)時(shí)監(jiān)控。使用s3c2440芯片，使視頻采集系統(tǒng)很好的做到了低功耗，高速度和良好的移植性與穩(wěn)定性。通過H.264壓縮編碼算法，快速的實(shí)現(xiàn)的視頻圖像的壓縮，在對(duì)圖像質(zhì)量影響最小的條件下實(shí)現(xiàn)了最大的壓縮，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸速度更快。使得小帶寬用戶也能流暢的實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控，大大降低了遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的推廣難度。

參考文獻(xiàn)

[1]張多英，申晨，劉偉平，等.嵌入式視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，04：724-728.

[2]曹鋒，張敏明，劉德明，等.適用于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控器的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2011，01：103-106.

[3]Min Zhang， Jinguang Sun， Shi Wang. Research and Implementation of the CMOS Camera Device Driver Based on S3C2440[C]. ICICTA '10 Proceedings of the 2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and AutomationVolume 02.2010： 1039-1042.

[4]Pengyu Liu，Kebin Jia.A Self-Adaptive and Fast Motion Estimation Search Method for H.264/AVC[C].IIH-MSP '10 Proceedings of the 2010 Sixth International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing.2010：651-654.

[5]姚雷，盧曉東，萬江文.光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2012.09：3397-3401.

[6]Yu Fanhua，Wu Dengfeng，Zhao Hongwei，Zhen Zhiqiang. Video Image Acquisition System Based on Embedded Linux[C].ICDMA '10 Proceedings of the 2010 International Conference on Digital Manufacturing AutomationVolume 02，2010：907-909.

[7]彭鐵鋼，劉國繁，曹少坤，等.基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010.06：1191-1194.

[8]李玉峰，肖菊飛，沈連豐.基于H.264視頻編碼的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法研究[J].電信科學(xué)，2012.08：58-62.

[9]王莉，周偉.基于ARM的嵌入式Web 服務(wù)器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012.14：90-93.

[10]潘琢金，王秋實(shí).嵌入式Web服務(wù)器中動(dòng)態(tài)Web技術(shù)的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010.18：3975-3978.

[11]周若谷，丁峰，魯力.視頻監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011.05：236-239.