ARM平臺視角下醫(yī)院嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

邯鄲市第一醫(yī)院 李路璐

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一門集多種技術(shù)于一身的綜合系統(tǒng)，它被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，其中以醫(yī)院為主。在嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)與醫(yī)院不斷結(jié)合的過程中，將會使二者都朝著更加積極的方向發(fā)展。本文將對嵌入式視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展進行闡述，深入分析數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)，并研究ARM平臺視角下醫(yī)院嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，希望可以為相關(guān)部門提供一定的參考價值。

數(shù)字視頻監(jiān)控一直以來都是社會大眾廣泛關(guān)注的熱點技術(shù)，由于其自身具備直觀且便捷等多種特征，因而被應(yīng)用于多種場所。隨著信息時代的到來，圖像編碼技術(shù)以及信息芯片制作成本不斷降低，這些都在極大程度上推動了嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。這種新型監(jiān)控系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了視頻的數(shù)字化，還推動了應(yīng)用的多媒體化以及食品管理的智能化，從嚴格意義來說，屬于現(xiàn)代信息技術(shù)與視頻監(jiān)控技術(shù)的有機結(jié)合。

1 嵌入式視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展

1.1 嵌入式視頻監(jiān)控技術(shù)的概述

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，社會大眾的生活方式也隨之產(chǎn)生了巨大的變化，嵌入式視頻監(jiān)控技術(shù)的出現(xiàn)不僅可以滿足社會大眾不斷增長的需求，同時也是生產(chǎn)生活中一個十分重要的環(huán)節(jié)。早期的監(jiān)控系統(tǒng)僅僅是通過大型儀表對被監(jiān)測對象的行為舉止進行記錄，在不斷發(fā)展的過程中，計算機逐步實現(xiàn)了監(jiān)控技術(shù)的監(jiān)測、監(jiān)督以及控制等多方面的功能。但隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)控早已不能適應(yīng)各大工廠的需求，于是便根據(jù)生產(chǎn)的實際需求產(chǎn)生了監(jiān)控分布式系統(tǒng)。這種系統(tǒng)以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為基礎(chǔ)，嵌入式設(shè)備作為載體，更好地為有需要的人服務(wù)。總的來說，我們經(jīng)常將可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控的通信媒體或者是嵌入式軟硬件系統(tǒng)統(tǒng)稱為嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用的均是嵌入式視頻監(jiān)控技術(shù)。

1.2 嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)多媒體的結(jié)合

嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)進行結(jié)合，可以使其運轉(zhuǎn)更為便捷、高效，進而演變成可以為社會大眾服務(wù)的，十分普遍的信息交互平臺。在此過程中充分利用互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，可以實現(xiàn)對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的全面管理。嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)多媒體結(jié)合最大的優(yōu)勢便是可以充分利用我國現(xiàn)有的局域網(wǎng)資源以及廣域網(wǎng)資源，可以讓相關(guān)部門以最高的性價比來為社會大眾服務(wù)。舉例來說，在嵌入式視頻監(jiān)控技術(shù)運行的過程中，網(wǎng)絡(luò)多媒體可以將監(jiān)控系統(tǒng)的實際運行情況以圖像的方式提供給主端服務(wù)器，并由這個服務(wù)器再逐步發(fā)送給各個客戶機，進而實現(xiàn)嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的分層管理。在這樣的情況下，監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)工作人員就可以清晰地掌握整個監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀況。也就是說，正是嵌入式視頻監(jiān)控技術(shù)擁有諸多優(yōu)點，才使其進入良性循環(huán)，得以飛速發(fā)展。

1.3 前景與展望

嵌入式視頻監(jiān)控技術(shù)在發(fā)展的過程中經(jīng)歷了一場又一場的技術(shù)革新，這種技術(shù)不僅結(jié)合了現(xiàn)代圖形圖像技術(shù)，還可以為社會大眾提供最為直觀以及高質(zhì)量的信息資源，真正做到了以社會大眾的利益為優(yōu)先目標。目前所說的視頻監(jiān)控技術(shù)主要是采用的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在相關(guān)協(xié)議的支持下進行運作。由于嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以為社會大眾實現(xiàn)信息的本地化處理，因此若是可以不斷完善監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器的性能，便可以大大提高監(jiān)控的質(zhì)量以及范圍。總的來說，嵌入式視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展會越來越迅速，所涉及的范圍也會越來越廣泛。

2 數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要以計算機技術(shù)為核心，數(shù)字處理技術(shù)為運行基礎(chǔ)，綜合利用圖像數(shù)據(jù)壓縮的國際標準以及圖像傳感器、計算機網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)的一種新型的監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以將攝像機所獲得的相關(guān)信號進行轉(zhuǎn)換，以便于數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以將其直接輸出，進而將各路信號分別儲存于數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)計算機的硬盤內(nèi)或者是通過網(wǎng)絡(luò)向其他計算機進行傳輸。由于數(shù)字視頻信號具有一定的抗干擾能力以及效率高等特點，可以減少其在處理信號的過程當中頻率資源的占用問題，同時也是因為這個原因，導(dǎo)致部分數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)難以真正應(yīng)用到各大領(lǐng)域當中。在數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)不斷發(fā)展的過程當中，只有盡可能對數(shù)字視頻信號實現(xiàn)有效的壓縮，使其在傳輸與存儲方面保持一定的平衡，才能將數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)點最大化，進而大幅度降低技術(shù)的成本，才可以促進視頻監(jiān)控系統(tǒng)的全面發(fā)展。

2.1 視頻采集技術(shù)

顧名思義，視頻采集就是將視頻資源當中的模擬信號通過一定的技術(shù)手段進行處理轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢赃\用的數(shù)字信息，隨后再將這些數(shù)字信息儲存到電腦硬盤中的過程。往往這些數(shù)字的轉(zhuǎn)換是通過視頻采集卡上的采集芯片進行運作的。在采集的過程當中，需要對視頻所產(chǎn)生的數(shù)字信息進行一定程序的壓縮處理，若是碰到較為高檔的視頻采集卡，則需要依靠技術(shù)人員所研發(fā)的特殊處理芯片進行數(shù)據(jù)壓縮；若是視頻采集無法進行實時硬件壓縮功能，便可以通過電腦上的CPU進行軟件壓縮處理。

2.2 視頻壓縮技術(shù)

H26X系列以及MPEG標準是國際當中最被廣泛應(yīng)用的視頻編解碼算法，這兩種算法為視頻壓縮編碼的標準化做出了巨大的貢獻。H26X系列編碼是國際上第一個視頻壓縮標準，這個系列往往應(yīng)用于電視、電話以及會議電視，可以滿足部分人群的日常需求。這個系列也可以被稱為視聽業(yè)務(wù)速率的視頻編譯碼。MPEG系列編碼如今已經(jīng)發(fā)展到了MPEG-4，從1999年開始實施，這一系列主要針對于高質(zhì)量壓縮交互式操作以及自然物體與人造物體相融合的一種表達方式，在游泳的過程當中也充分強調(diào)了這個系列最為廣泛的適應(yīng)性以及延展性。

2.3 流媒體技術(shù)

流媒體技術(shù)指的是一種從互聯(lián)網(wǎng)上獲取音頻以及視頻等一些媒體數(shù)據(jù)的新型技術(shù)，這個技術(shù)可以支持多媒體數(shù)據(jù)流的實時下載以及在線回放，也就是說，可以通過服務(wù)器終端向客戶端發(fā)送較為穩(wěn)定并且持續(xù)地數(shù)據(jù)流。客戶端的用戶可以在接收數(shù)據(jù)的同時進行穩(wěn)定的回放，在一定程度上減少了客戶端用戶的使用缺陷。具體來說，在實際運行的過程當中，流媒體在播放前可以將開始的部分存入服務(wù)器內(nèi)存當中，在傳送的過程當中可以進行隨時播放。這種傳輸過程，一般是在客戶端用戶選擇某一媒體服務(wù)之后，利用瀏覽器進行交換控制信息，將自己所需要的數(shù)據(jù)進行實時傳輸，并進行信息檢索。

3 ARM平臺視角下醫(yī)院嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)總體功能需求分析

以用戶對產(chǎn)品的設(shè)計需求為基本，嵌入式視頻監(jiān)控設(shè)備可以具備以下基本功能。（1）可以根據(jù)用戶的需求設(shè)定特定的分辨率輸出率，進而使圖像質(zhì)量達到定制效果；（2）可以在不影響圖像質(zhì)量的前提下，將圖像進行最大程度的壓縮；（3）可以通過RS232提供設(shè)備的本地配置；（4）在系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的前提下，采用嵌入式操作系統(tǒng)。在使用嵌入式視頻監(jiān)控設(shè)備的功能需求時，應(yīng)當具備兩個方面的監(jiān)控應(yīng)用，分別是遠程監(jiān)控以及無線監(jiān)控。遠程監(jiān)控主要應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)編輯的所有網(wǎng)域，對于無線監(jiān)控，則需要應(yīng)用在電線線纜難以到位的重點場所，設(shè)備可以根據(jù)實際的監(jiān)控情況形成無線設(shè)備網(wǎng)。系統(tǒng)應(yīng)用場景圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)應(yīng)用場景圖Fig.1 System application scenario diagram

3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

從我國現(xiàn)有的技術(shù)來看，目前最為典型的水平監(jiān)控設(shè)計方案，大多采用嵌入式處理器的方式對視頻的芯片進行壓縮處理，視頻采集芯片在對采集到的圖像信息處理之后，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并進行壓縮進而采用嵌入式處理器進行儲存。從技術(shù)角度分析，使用DSP處理器對視頻進行壓縮處理，具有靈活性的明顯特征，同時所產(chǎn)出的畫面質(zhì)量十分優(yōu)異，并且在系統(tǒng)上系維護方面也比較容易，但這種處理器存在系統(tǒng)開發(fā)周期較長以及成本過高等缺點。若是采用視頻壓縮芯片實現(xiàn)硬件水平的壓縮，便會存在畫面質(zhì)量一般系統(tǒng)難以維護升級的問題。

綜合來看，當前許多數(shù)字視頻監(jiān)控的成本較高，不僅是處理器價格較高，并且視頻壓縮芯片的成本也過于高昂，針對于醫(yī)院的具體需求分析，應(yīng)當盡可能的降低成本。本設(shè)計方案主要采用USB攝像頭以及嵌入式處理器的方案來組建數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。盡管這樣圖像質(zhì)量可能也無法達到專用芯片的效果，但可以省去安裝芯片所需要的硬件以及軟件資源，可以在安裝的過程當中大大的降低成本。總體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)平臺圖Fig.2 Hardware system platform diagram

在這個系統(tǒng)當中，USB攝像頭所采集的信息主要通過USB口傳輸給電腦CPU處理器，隨后由CPU處理器對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行壓縮打包，并通過以太網(wǎng)進行發(fā)送。無論是哪一種類型的監(jiān)控，終端都可以通過連接互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來觀看攝像頭所拍攝到的視頻信息，在這個過程中，PC機可以通過串行口對相關(guān)視頻進行相應(yīng)的控制。這個系統(tǒng)主要的功能結(jié)構(gòu)可以分為兩個部分，首先是嵌入式視頻服務(wù)器通過相關(guān)運行實現(xiàn)視頻圖像采集，并對這些視頻圖像進行存儲以及壓縮編碼工作，隨后通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳輸圖像功能傳輸?shù)竭h端主機當中；其次是PC機端可以對所采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)進行解壓處理，同時也可以通過信息之間的交互，對某一臺設(shè)備的終端進行遠程控制，比如設(shè)置攝像頭采集圖像過程當中的分辨率以及對比度等一些較為細節(jié)的參數(shù)等。

3.2.2 嵌入式系統(tǒng)硬件操作平臺及開發(fā)環(huán)境

隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)已經(jīng)逐步滲透到各個領(lǐng)域當中，在醫(yī)院內(nèi)部應(yīng)用嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)屬于大勢所趨。但由于醫(yī)院內(nèi)部的復(fù)雜程度變化很大，因此對于嵌入式系統(tǒng)本身的性能以及體系結(jié)構(gòu)有著十分嚴格的要求，這就導(dǎo)致所應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)，必須具備多樣性的特征。在眾多嵌入式處理器當中，ARM嵌入式微處理器擁有體積小、功耗低、成本低以及性能高等多個特點。并且在過去幾年里，ARM體系結(jié)構(gòu)正在發(fā)展的過程當中逐步替代較為流行的x86處理器結(jié)構(gòu)。這個處理器作為一種嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的熱門處理器，必將在社會大眾的督促下，對自身進行不斷地完善，因此可靠性較強。

ARM就屬于嵌入式微處理器，其自身具備較為完整的體系結(jié)構(gòu)，并且由于其自身功能消耗降低、成本使用較低及性能較高等多種特點，可以根據(jù)嵌入的對象在不同的運行當中進行自身優(yōu)勢的拓展。在醫(yī)院當中使用這種嵌入式微處理器可以大大的減少成本，提高數(shù)字監(jiān)控的性價比。也就是說，嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)成功運行的關(guān)鍵所在，這個系統(tǒng)往往具備較為基本的操作功能，比如任務(wù)調(diào)度中斷處理以及相對應(yīng)的文件功能等。在所有的操作系統(tǒng)當中，基于ARM平臺視角的嵌入式系統(tǒng)擁有十分豐富的資源，并且價格低廉，因此十分適用于醫(yī)院等場所。

從嚴格意義上來講，嵌入式操作系統(tǒng)指的是操作系統(tǒng)的內(nèi)核或者是微內(nèi)核。嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，可以在一定程度上提高系統(tǒng)開發(fā)的效率，減少系統(tǒng)開發(fā)的整體工作量。在醫(yī)院里采用嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)，可以使醫(yī)院內(nèi)部的應(yīng)用程序在沒有操作的情況下直接在芯片上進行運行，但為了可以更加合理的調(diào)度多個任務(wù)，醫(yī)院內(nèi)部的相關(guān)工作人員應(yīng)當充分利用系統(tǒng)資源以及系統(tǒng)函數(shù)與數(shù)據(jù)庫進行對接，也就是說必須選擇嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)平臺，這樣才可以保證醫(yī)院相關(guān)程序，在執(zhí)行過程當中的可靠性以及實時性。

嵌入式系統(tǒng)最為核心的便是處理器。傳統(tǒng)的嵌入式處理器可以根據(jù)實際的應(yīng)用情況分為兩個類別，一種是以單片機為主的微處理器。這一種的芯片產(chǎn)品具有較多的單片機，并且單片機體積較小，抗干擾能力較強并且使用成本較低；另外一種是注重數(shù)字化結(jié)合的數(shù)字信號處理器DSP，這種處理器可以進行快速算法，在許多數(shù)據(jù)計算領(lǐng)域有著運算速度快并且吞吐量大的特點。

4 結(jié)語

隨著各項技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)院與數(shù)字視頻監(jiān)控的結(jié)合屬于大勢所趨，這種新監(jiān)控技術(shù)可以為醫(yī)院起到更好地輔助作用，因此在ARM平臺視角下進行醫(yī)院嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)研究時，需要根據(jù)醫(yī)院的實際發(fā)展情況選擇最為合適的嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，了解醫(yī)院日常的監(jiān)控運行目的，選擇最為合適的嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控處理器，促進醫(yī)院的長久發(fā)展。