基于Linux的無線視頻監控系統的設計與實現

劉竹林（湖北工業職業技術學院　電子工程系，湖北十堰442000）

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基于Linux的無線視頻監控系統的設計與實現

劉竹林
（湖北工業職業技術學院電子工程系，湖北十堰442000）

摘要：本系統以ARM處理器和攝像頭作為視頻監控服務端，完成視頻的采集、壓縮編碼、數據傳輸等功能；以PC機作為監控終端，完成視頻解碼、遠程視頻實時顯示、視頻保存等功能。通過實驗，證明了系統設計的正確與合理；視頻清晰連續，系統穩定性好。

關鍵詞：嵌入式；ARM；Linux；視頻監控；V4L；RTP/RTCP

0　引言

本文針對視頻監控系統的實際需求，設計一個視頻采集系統，把采集到的視頻在液晶顯示屏上實時顯示出來并且能夠通過USB接口把視頻保存U盤中，以達到對某個環境進行實時監測的目的。系統的控制沒有采用傳統的鍵盤、鼠標或者網絡方式，而是采用觸摸屏的方式，用戶使用起來比傳統的視頻采集系統更加方便靈活。整個系統具有結構簡單、性能穩定、成本低廉等優點，在油田、油氣井現場視頻實時監控、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　視頻監控系統方案介紹

方案1：視頻采集芯片+DSP處理器。運算速度快，圖像處理能力強但沒有操作系統和網絡協議棧，功能擴展比較難。

方案2：嵌入式處理器+DSP處理器。運算速度快、圖像處理能力強，且有完備的操作系統功能但具有兩塊芯片，設計、調試、實現較難，系統成本偏高。

方案3：視頻采集芯片+嵌入式處理器。攝像頭作為視頻采集前端，成本低廉，而且基于ARM開發視頻采集、編碼、網絡傳輸等程序方便靈活。S3C2440主頻400M，而且局域網內的網絡帶寬也很高，實時性良好。

2　監控系統總體硬件結構

本嵌入式網絡視頻監控系統采用中微星ZC301系列攝像頭進行視頻采集，采用s3c2440微處理器作為視頻采集前端處理器，將視頻數據傳輸到監控終端進行實時監控，根據需要對視頻進行存儲，在用戶控制終端可對多點監控現場視頻畫面進行切換。本系統主要功能模塊如圖1所示。

圖1　主要硬件模塊結構

3　監控系統軟件設計

軟件模塊分為兩個部分，包括基于ARM平臺的服務端程序和基于PC的監控終端程序。軟件模型如圖2所示。

圖2　軟件模塊結構

ARM平臺作為服務端，負責視頻圖像采集、編碼壓縮、視頻圖像發送等功能；PC平臺作為客戶監控終端，完成視頻圖像的接收、視頻解碼、視頻顯示、視頻存儲等功能。功能模塊的解決方案如下：

3.1視頻采集模塊

視頻采集是整個視頻采集的核心模塊。它通過嵌入式Linux操作系統調度V4L（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的讀操作即可實現攝像頭視頻數據采集。具體流程如圖3。

圖3　視頻采集的流程

3.2視頻壓縮編碼模塊

在本設計中，采用最基本的JPEG算法，其主要步驟為：首先，通過離散余弦變換（DCT）去除數據冗余；其次，使用量化表對DCT系數進行量化；最后，采用Huaffman可變字長編碼對量化后的DCT系數進行編碼，使其熵達到最小。通過實驗，數據壓縮效果良好，圖像壓縮率可以達到70%左右。

3.3網絡通信模塊

主要是接收和發送視頻數據，并進行解包和封裝。控制指令采用TCP傳輸協議，視頻數據采用RTP/RTCP傳輸協議。具體流程如圖5。

圖5　RTP傳輸流程

3.4視頻顯示模塊

將對從服務端接收的數據進行MPEG-4解碼處理，以用于視頻顯示模塊。具體流程如圖6所示。

3.5視頻文件存儲模塊

此功能模塊主要用于保存視頻文件到硬盤，開辟緩沖區存放壓縮后的視頻數據，線程不斷從該緩沖區讀取視頻數據，然后把這些視頻數據保存為avi格式。具體流程如圖7所示。

圖6　顯示視頻流程

圖7　視頻保存流程

4　系統測試結果

本監控系統采用15fps采集視頻數據，分辨率為320×240，視頻圖像實時性較好，視頻采集分辨率最高可以達到640×480。對視頻圖像能夠及時備份，備份視頻文件播放流暢，畫面清晰，達到了預期的設計效果。

參考文獻

［1］朱鵬，李春文.基于RTP的網絡視頻傳輸系統的設計與實現［J］.計算機工程與應用，2003（26）：18-20.

［2］王永剛，章堅武.3G視頻監控系統中關鍵技術的研究與實現［J］.現代電子技術，2011（34）：56-57.

Design and Realization of Wireless Video Surveillance System Based on Linux

LIU Zhu-lin
（Dept. of Electronics Engineering，Hubei Industrial Polytechnic，Shiyan 442000，China）

Abstract:This system can complete the function of video capture，compression coding，data transmission，video decoding，real time remote video display and video preservation with ARM processor and camera as video surveillance server. Experiment proves that the system design is correct and reasonable，and video performance is clear and the system runs continuously stable.

Key words:embedded；ARM；Linux；video surveillance；V4L；RTP/RTCP

中圖分類號：TN47；TP36

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8153（2016）02-0102-03

收稿日期：2016-03-18

作者簡介：劉竹林（1980-），男，湖北工業職業技術學院電子工程系副教授，碩士，研究方向：嵌入式技術。