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視頻監控系統在工業(yè)、軍事、民用領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，為這些行業(yè)的安全防范和環(huán)境監控起到了不可忽視的作用。視頻監控系統正逐步由模擬化走向數字化，隨著(zhù)半導體技術(shù)的飛速發(fā)展和多媒體視頻編解碼技術(shù)的日益成熟，高性能、復雜的視頻流壓縮算法在嵌入式系統中的應用成為了現實(shí)。如今監控系統多采用專(zhuān)用處理器或RISC嵌入式處理器與DSP相結合的方法實(shí)現，本文探討的是用ARM處理器與軟件壓縮相結合的辦法實(shí)現。 視頻臨控系統總體設計 首先需要對系統進(jìn)行總體規劃，將系統劃分成幾個(gè)功能模塊，確定各個(gè)模塊的實(shí)現方法。整個(gè)視頻監控系統采用C/S結構，從主體上分為兩部分：服務(wù)器端和客戶(hù)端。服務(wù)器端主要包括S3C2410平臺上運行的采集、壓縮、傳輸程序，客戶(hù)端是PC機上運行的接收、解壓、回放程序。視頻監控終端從現場(chǎng)的攝像頭捕獲實(shí)時(shí)的視頻信息，壓縮之后通過(guò)以太網(wǎng)傳輸到視頻監控服務(wù)器上。 如系統結構圖（圖1）所示，視頻圖像采集和打包發(fā)送在服務(wù)器端完成，圖像的接收解包和回放將在客戶(hù)端完成。 系統的硬件設計 系統采用模塊化設計方案，主要包括以下幾個(gè)模塊：主控制器模塊、儲存電路模塊、外圍接口電路模塊、電源和復位電路，如圖2所示。 S3C2410主控器模塊 主控器模塊是整個(gè)系統的核心，采用的S3C2410處理器是Samsung公司基于A(yíng)RM920T處理器核的16/32位微控制器，該處理器最高運行頻率可達到203MHz，它的低功耗、精簡(jiǎn)和全靜態(tài)設計特別適合于對成本和功耗敏感的應用。S3C2410提供了豐富的片內資源，支持Linux，是本系統的合適選擇。它能完成整個(gè)系統的調度工作，在系統上電時(shí)配置所有需工作的芯片的功能寄存器，完成視頻流的編碼，并通過(guò)以太網(wǎng)控制器控制物理層芯片發(fā)送視頻碼流。 系統存儲電路模塊 主控器還需一些外圍存儲單元如Nand Flash，和SDRAM。Nand Flash 中包含Linux 的Bootloader、系統內核、文件系統、應用程序以及環(huán)境變量和系統配置文件等；SDRAM讀寫(xiě)速度快，系統運行時(shí)把它作為內存單元使用。設計采用了64M的Nand Flash和64M的SDRAM。 外圍電路模塊 本設計用到的外設有USB接口，網(wǎng)卡接口，RS232接口和JTAG接口。 視頻監控終端的USB主控制器模塊通過(guò)專(zhuān)用的USB集線(xiàn)器與多個(gè)USB攝像頭相連。在實(shí)時(shí)監控狀態(tài)下，各個(gè)攝像頭上捕獲的圖像數據通過(guò)USB集線(xiàn)器傳輸到視頻監控終端的USB主控制器模塊上，然后再由USB主控制器模塊交由S3C2410處理器集中處理。S3C2410對采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼壓縮，編碼之后的碼流直接傳輸到發(fā)送緩沖區中，等候發(fā)送。 本設計采用CS8900A擴展網(wǎng)絡(luò )接口，它是CIRRUSLOGIC公司生產(chǎn)的16位以太網(wǎng)控制器，通過(guò)內部寄存器的設置來(lái)適應不同的應用環(huán)境。S3C2410通過(guò)地址、數據、控制線(xiàn)以及片選信號線(xiàn)對CS8900A網(wǎng)絡(luò )芯片進(jìn)行控制和通信。CS8900A與S3C2410的連接如圖3所示，CS8900A由S3C2410的nGCS3信號選通，CS8900A的INTRQ0端用來(lái)產(chǎn)生中斷信號，與S3C2410的16位數據總線(xiàn)相連，地址線(xiàn)使用了A[24:0]。 CS8900A以太網(wǎng)控制芯片通過(guò)DMA通道進(jìn)行數據的傳輸。首先設置好傳輸控制和傳輸地址寄存器的參數，依次從指定的數據存儲區域讀取數據，送入內部發(fā)送緩沖器中，用MAC對數據進(jìn)行封裝發(fā)送。一組數據發(fā)送完后，請求DMA中斷，由S3C2410進(jìn)行處理。 RS-232接口與PC機串行總線(xiàn)相連，通過(guò)PC機對嵌入式系統進(jìn)行相關(guān)信息顯示和控制。而JTAG接口主要是對系統進(jìn)行調試，還可將程序燒寫(xiě)到Flash中。 系統的軟件設計 視頻監控終端的軟件設計主要完成兩方面的工作： �。�1）在硬件上搭建一個(gè)軟件平臺，搭建嵌入式Linux軟件開(kāi)發(fā)平臺需要完成UBOOT移植、嵌入式Linux操作系統內核移植以及嵌入式Linux操作系統的設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)等工作。 �。�2）在軟件平臺的基礎上，開(kāi)發(fā)系統的應用程序。借助交叉編譯工具,開(kāi)發(fā)視頻監控終端上運行的采集、壓縮、傳輸程序。 構建基于S3C2410的Linux平臺 Linux具有許多優(yōu)點(diǎn)，如開(kāi)放源碼；功能強大的內核，支持多用戶(hù)、多線(xiàn)程、多進(jìn)程、實(shí)時(shí)性好、功能強大穩定；大小功能可定制；支持多種體系結構。 構建嵌入式Linux開(kāi)發(fā)平臺需要先構建交叉編譯環(huán)境，如圖4所示。一套完整的交叉編譯環(huán)境包括主機和目標機。在開(kāi)發(fā)中主機是一臺裝有紅帽公司的FedoreCore 2操作系統的PC機，目標機是基于S3C2410的視頻監控終端。選用的交叉編譯器是GCC3.3.4 for ARM版，嵌入式Linux內核源代碼包版本號為2.6.8RC。 2.6.8RC版的Linux內核源代碼包中包含了所有的功能模塊。系統中只用到了其中的一部分。因此，編譯內核之前首先要配置內核，裁減掉冗余的功能模塊，經(jīng)過(guò)定制的內核才符合系統設計。具體步驟如下： �。�1）鍵入命令makemenuconfig，對內核進(jìn)行配置，選擇YAFFS文件系統，支持NFS啟動(dòng)，系統使用的是USB接口的攝像頭，故要啟用USB設備支持模塊，包括USB設備文件支持模塊、USB主控制器驅動(dòng)模塊等。此外，USB攝像頭屬于視頻設備，為了使應用程序能夠訪(fǎng)問(wèn)它，還需要啟用Video4Linux模塊。 �。�2）用make dep命令生成內核程序間依賴(lài)關(guān)系。 �。�3）make zImage命令生成內核映像文件。 �。�4）make modules和make modules_install命令生成系統可加載模塊。 這樣就生成了zImage內核映像文件，把它下載到目標平臺的Flash中。 本設計采用USB外置攝像頭，在內核配置時(shí)要求以模塊形式加載。首先要完成驅動(dòng)程序，驅動(dòng)中需要提供基本的I/O操作接口函數open、read、write、close的實(shí)現，對中斷的處理實(shí)現，內存映射功能以及對I/O通道的控制接口函數ioctl等，并把他們定義在structfile_operations中。這樣當應用程序對設備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等，系統調用操作時(shí)，嵌入式Linux內核將通過(guò)file_operations結構訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)程序提供的函數。接著(zhù)把USB驅動(dòng)程序編譯成可以動(dòng)態(tài)加載的模塊，這樣攝像頭就可正常工作了。 視頻監控終端軟件的設計 視頻監控終端軟件按功能分為三部分：視頻采集、壓縮、傳輸。這個(gè)軟件的開(kāi)發(fā)都是基于先前配置好的嵌入式內核。 (1）視頻采集部分 使用Video4Linux接口函數訪(fǎng)問(wèn)USB攝像頭設備，捕獲實(shí)時(shí)的視頻流。首先完成v4l_struct數據結構的定義，如設備基本信息，圖像屬性，各個(gè)信號源屬性等；采集模塊一方面通過(guò)USB集線(xiàn)器采集USB攝像頭中的圖像，另一方面啟動(dòng)多個(gè)采集線(xiàn)程，分別在不同的端口上監聽(tīng)，一旦有請求連接，采集線(xiàn)程立即從設備緩沖區中把視頻流數據讀出，放入到視頻處理緩沖區中進(jìn)行下一步的處理。 (2）視頻數據的壓縮部分 在視頻監控系統中，大量的數據需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸，為了保證傳輸質(zhì)量和傳輸實(shí)時(shí)性，就需要在傳輸之前進(jìn)行編碼壓縮以減少數據量，本文采用MPEG-4編碼標準進(jìn)行數據壓縮。在網(wǎng)絡(luò )上可以下載到開(kāi)源的xvidcore軟件作為視頻壓縮的核心算法，xvidcore是一個(gè)高效的、移植性很強的多媒體編碼軟件，將它在PC機上進(jìn)行交叉編譯，生成的文件拷貝到目標系統下。 (3) 視頻數據傳輸部分 傳輸模塊的作用在于把壓縮之后的視頻流傳送到遠程的PC機客戶(hù)上，視頻流數據的傳輸是基于TCP/IP協(xié)議。視頻傳輸采用了標準的RTP傳輸協(xié)議。RTP是目前解決流媒體實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題的最好辦法，在Linux平臺上進(jìn)行實(shí)時(shí)流媒體編程，需要使用一些開(kāi)放源代碼的RTP庫，如LIBRTP、JRTPLIB等。定義一種較為簡(jiǎn)單的握手協(xié)議：PC機端的采集程序不停地發(fā)請求數據包到采集終端，采集終端把已經(jīng)捕獲的圖像打包返回給主機。每個(gè)RTP信息包被封裝在UDP消息段中，然后再封裝在IP數據包中發(fā)送出去。接收方自動(dòng)組裝接收到的數據幀，還原成視頻數據。 結束語(yǔ) 本文介紹了一種基于A(yíng)RM的視頻監控系統的設計方案，采用軟壓縮算法，討論了系統的硬件和軟件設計。本系統和市場(chǎng)上其它視頻監控系統相比，開(kāi)發(fā)周期短，價(jià)格低廉，適用于對視頻圖像要求不太高的場(chǎng)合。 |
