基于嵌入式的遠程視頻監控系統研究

趙榮華 關 迪 谷 月

（沈陽理工大學 遼寧 沈陽 110159）

基于嵌入式的遠程視頻監控系統研究

趙榮華 關 迪 谷 月

（沈陽理工大學 遼寧 沈陽 110159）

隨著網絡技術發展，視頻監控技術逐漸從本地模擬信號系統向基于嵌入式的遠程監控系統轉變，監控系統的網絡化、數字化和智能化水平不斷提高。本文主要對基于嵌入式遠程視頻監控系統設計進行分析，重點分析視頻監控系統的硬件和軟件設計的關鍵技術。應用實踐證明該系統性能穩定，視頻圖像質量高，還能為數字視頻廣播和點播設計提供借鑒。

視頻監控；嵌入式系統；例LINUX

0.引言

隨著多媒體技術的發展以及網絡寬帶增加，傳統視頻監控模式的缺點和不足日益明顯，基于IP網絡視頻監控的優點更加明顯，視頻監控也逐漸從傳統視頻監控向基于IP網絡視屏監控轉變，基于IP的網絡視頻監控在視頻會議、家庭和生產現場等領域中的應用越來越廣[1]。本文對基于嵌入式的遠程視頻監控系統設計進行分析。

1.視頻監控發展階段分析

1.1 本地模擬信號監控系統

本地模擬信號監控系統包括攝像機、視頻矩陣、監視器和錄像機幾個部分，系統將攝像機采集的視頻與監視器相連，通過鍵盤控制切換和控制；錄像機為磁帶錄像機[2]。本地模擬信號監控系統具有以下幾個缺點，系統屬于有線信號系統，傳輸距離對監控質量的影響大；二是系統屬于內部局域網，無法聯網控制，只能針通過點對點方式現場監控；三是線路復雜，布線工作量大；四是模擬視頻信號需要占據大量存儲介質，查詢操作復雜。

1.2 基于PC插卡數字監控系統

基于PC插卡數字監控系統發展 依賴于微機技術發展和普及。該系統主要由PC機插視頻卡構成，監控現場包括攝像機、各類探頭、數據采集設備等幾個部分，各個部分通過線路相連，再與監控終端PC機或工控機相連[3]。基于PC插卡數字監控系的優點在于終端功能強大，現場操作便利，缺點在于穩定性和可靠性不足，受環境影響大，惡劣環境下監控系統的性能不高。

1.3 基于嵌入式遠程視頻監控系統

嵌入式遠程視頻監控系是一種提供網絡視頻傳輸和共享的嵌入式設備系統，系統采用嵌入式一體化結構設計，系統面向實時處理的硬件平臺，集成了多通道視頻和網絡傳輸多功能，將視頻信號采集、壓縮、復合后轉換為網絡IP包，再經根據網絡協議實時傳輸視頻壓縮數據。由于視頻和網絡功能都集中于小體積設備內，系統可直接與局域網相連，方便實時查看。也無需布設大量線纜，系統設備安裝方便[4]。用戶端無需加裝硬件設備，可直接通過瀏覽器或人機界面查看監控視頻。

2.基于嵌入式的遠程視頻監控系統實現

基于嵌入式的遠程視頻監控系統可以實時采集視頻信號，再對視頻信號進行壓縮編碼和網絡傳輸，系統硬件結構詳見圖1。

本系統采用多媒體處理芯片DM642實現嵌入式網絡的視頻服務器，不僅達到服務器端視頻處理計算量要求，還能減少系統開發成本和難度。與傳統DSP相比，DM642多媒體處理芯片可滿足視頻應用廣泛性、靈活性和多樣性要求，并充分利用集成的多種新型片內外設，適應多媒體數字化處理和網絡通信應用。使用視頻A/D芯片SAA7115S實現信號轉換，A/D芯片SAA7115S可兼容多宗不同制式輸入和信號選擇輸入，并可輸出4:2:2、RGB的等多種信號輸出形式。同時使用PAL制式輸入方式。A/D芯片SAA7115S通過DSP芯片DM642通過I2C總線控制初始化。視頻編碼使用H.264視頻壓縮算法，該算法使用了多種先進的編碼方式，如高精度1/4像素運動估計、多幀運動補償技術等，壓縮編碼的效率更高。碼率相同情況下，該算法獲得的主客觀質量更高[5]。本系統使用DM642VLIW結構和專用操作指令集，并對傳統編碼方式進行優化，自主開發DM642的視頻壓縮算法。

DM642片內集成了以太網介質接入控制器，為DSP和網絡提供了定制連接口。因而視頻信號經編碼處理后可以直接通過MII接口與網絡相連和傳輸。數據網絡發送分為兩種，本系統專門編寫了一個服務器軟件用于發送視頻圖像數據。系統還能直接經網絡接受用戶指令，根據用戶指令調節編碼壓縮比、轉動云臺、調節攝像頭參數。

本系統傳輸層設計多種不同傳輸協議，用于傳統不同類型數據。對于信息包較小的操作控制命令，采用TCP傳輸協議。對于視頻圖像數據，則采用UDP多播傳輸協議。該設計方式的的優點在于傳統傳輸協議TCP對準確性要求高，數據必須準確地傳輸至客戶端，因而TCP傳輸協議更適合用于傳輸控制命令，確保服務器和客戶端正確接收操作指令。UDP傳輸協議的缺點在于未提供網絡流量控制、數據包丟失處理，而壓縮算法采用幀間壓縮法，數據包丟失對視頻圖像質量產生影響，因而需要完善基于UDP傳輸協議的應用程序設計，提高程序的可靠性。

3.客戶端軟件設計

3.1 客戶端軟件系統整體設計

客戶端軟件基于LINUX平臺設計，客戶可通過網絡從實現遠程視頻數據接收，客戶端軟件詳見圖2。數字視頻解碼后，通過LINUX下多媒體庫軟件實現，該軟件還提供視屏截圖、亮度調節等功能，視頻顯示效率更高，軟件系統占用資源效率更低。

圖1 視頻服務器硬件結構

3.2 客戶端軟件關鍵技術

從本質上講，UDP多播數據通信的可靠性不高，數據通信和解碼顯示時間可能存沖突，導致視頻數據丟失，因而設計過程中需要考慮數據通信問題。此外，數據包傳輸過程中，不同數據包的時延不同，雖然數據傳輸速率是定值，但是歸順是數據傳輸率可能發大范圍變動，如若直接解碼和顯示視頻數據將導致視頻圖像出現不規律抖動，因而必須采取措施減少UDP數據通信問題。本客戶端軟件創建了兩個并行線程，分別為數據接收和解碼[6]。還創建了一個環境緩沖區，用于緩沖視頻數據。解碼線程可直接從環形緩沖區內讀取數據、解碼和顯示。

圖2 客戶端軟件的總體設計框圖

環形緩沖區包含多個同等類型內存塊，并創建標讀寫標志。接收線程向環形緩沖區與寫入幀數據的同時將寫標志指向下一緩沖區，解碼線程則從緩沖區讀取幀數據后將讀標志植入下一幀圖像所在緩沖區。由于接收線程與視頻解碼線程在同一時間操作緩沖區，因而接收線程和解碼線程相互制約，設計過程中也需要協調接收線程和解碼線程兩者的運行速度，保證讀標志少于寫標志。本系統解碼系統受緩沖區大小的影響，如若緩沖區過大，系統時延將延長，無法實現實時監控。如若緩沖區過小，緩沖區移除將影響解碼質量，因而需要根據網絡狀況及編碼數據碼率合理設計緩沖區。

4.結語

將本方案用于高速公路數字視頻監控系統，結果顯示該系統運行狀況良好，客戶端解碼視頻后，視頻圖像清晰、流暢，未出現視頻圖像抖動問題。并且本系統硬件和軟件設計思路不僅可用于視頻監控系統，還可用于數字視頻廣播及點撥系統，為數字視頻廣播和點播系統設計提供指借鑒指導。

[1]郭廣明.基于 S3C2410A的嵌入式遠程視頻監控系統的設計[J]. 科技管理研究,2010,14:233-235+263.

[2]趙書朵,諶海云,高鳳水,武衛麗.基于 ARM的嵌入式多路遠程視頻監控系統的設計[J].中國測試,2010,05:66-68.

[3]馮飛雨,于春梅,胡立鋒. 基于S3C2440的嵌入式遠程視頻監控系統的設計[J].安防科技,2011,03:14-17.

[4]吳健,趙建軍,朱繼珍. 基于Linux及S3C2440A的嵌入式遠程視頻監控系統的設計[J]. 微型機與應用,2011,21:29-31.

[5]陳張榮,賈俊鋮,嚴建峰.基于嵌入式系統的網絡視頻監控系統設計[J].儀表技術與傳感器,2016,02:39-41+48.

[6]王茂茹.基于 S3C2410芯片技術的嵌入式遠程視頻監控系統設計[J].軟件導刊,2015,07:124-126.

G322

B

1007-6344（2016）07-0325-01

趙榮華(1995.10--) 男，遼寧省盤錦市人，本科學歷，專業：電子信息科學與技術。

關迪（1995.05--）男，遼寧省鳳城市人，本科學歷，專業：計算機科學與技術。

谷月（1995.03--）男，遼寧省大連市人，本科學歷，專業：計算機科學與技術。