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1 系統介紹 Vstar MPEG－2系列遠程數字視頻監控系統是一個(gè)基于TCP／IP網(wǎng)絡(luò )的嵌入式遠程圖像監控系統，采用嵌入式設計方案，系統穩定性高，采用MPEG－2視頻壓縮技術(shù)，圖像高清晰，畫(huà)質(zhì)可達DVD效果，能夠實(shí)現單畫(huà)面輪流監看和1～16個(gè)畫(huà)面同屏監看，支持遠程和本地云臺控制，支持多任務(wù)工作方式，而且圖像存儲、監看、遠程控制可同步進(jìn)行，監控距離隨網(wǎng)絡(luò )延伸而不斷加長(cháng)。該系統分為遠程現場(chǎng)、通信網(wǎng)絡(luò )和監控服務(wù)三部分，結構圖如圖1所示。 遠程現場(chǎng)部分和監控服務(wù)部分都安裝了MPEG－2圖像處理設備和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口設備，軟件采用客戶(hù)／服務(wù)器（client／server）結構，在遠程現場(chǎng)的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口上運行的是服務(wù)器端軟件，監控中心運行客戶(hù)端軟件。遠程現場(chǎng)的軟件在系統啟動(dòng)后要向監控中心注冊，作為一個(gè)監控系統，必須有監控點(diǎn)的名稱(chēng)、監控點(diǎn)的特性描述的內容。監控中心在認證該監控點(diǎn)之前，為了避免與已經(jīng)存在的監控點(diǎn)名稱(chēng)相同造成混淆，必須先檢測網(wǎng)上是否已經(jīng)存在名稱(chēng)相同的監控點(diǎn)，如果有，則會(huì )提醒用戶(hù)更換名稱(chēng)。在通過(guò)權限認證后，客戶(hù)端可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與服務(wù)器端建立TCP／IP連接，兩端的通信包括圖像數據和控制指令通信，客戶(hù)端可以在權限允許范圍內根據需要通過(guò)監控中心來(lái)調節服務(wù)器端的參數設置和工作方式，服務(wù)器端則向客戶(hù)端發(fā)送經(jīng)過(guò)編碼處理后的MPEG－2視頻碼流。 客戶(hù)端軟件運行在監控中心的PC上，提供相應的用戶(hù)控制接口。用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與服務(wù)器端建立不同類(lèi)型的連接，從而獲取不同的服務(wù)。服務(wù)器端軟件運行在遠程現場(chǎng)PC104上，它的功能比較豐富，包括硬件的驅動(dòng)控制、通信線(xiàn)路管理、圖像數據傳輸、系統控制、攝像頭和云臺調節等等。 2 系統硬件設計 硬件核心部分是MPEG－2視頻處理設備的設計，圖2中簡(jiǎn)單介紹了MPEG－2硬件視頻壓縮處理的結構。MPEG－2視頻采集壓縮模塊以富士通MB86390芯片為核心，完成對標準視頻信號（PAL或NTSC信號）的A／D轉換、MPEG－2壓縮以及與PC104主機之間的通信功能。圖2中視頻解碼A／D從攝像頭輸入的模擬視頻信號轉化為數字視頻信號，然后進(jìn)行編碼預處理，編碼預處理是將接收的視頻信號處理為規定的格式，即，把視頻解碼輸出的CCIR601格式的信號轉化為編碼器可以處理的CIF或QCIF格式，然后再進(jìn)行MPEG－2壓縮編碼。圖中的SRAM用來(lái)作為編碼所需的幀存和存儲編碼完成后的碼流數據。PC104上的軟件則通過(guò)總線(xiàn)接口單元來(lái)控制編碼器的參數設置，及讀取編碼壓縮后的碼流數據。該模塊包括以下功能單元：以SAA6252為核心的視頻A／D單元，以MB86390為核心的MPEG－2視頻壓縮單元，以AT89C51與EPM7128（EPLD）為核心構成的控制邏輯和總線(xiàn)接口單元�？偩�(xiàn)接口單元是在EPLD中實(shí)現的，它是本模塊與主機（PC104）進(jìn)行交互的通道，可以和主機進(jìn)行視頻碼流和控制數據的交換�？刂七壿嬍且曨l采集壓縮模塊的核心，它控制并協(xié)調各模塊的工作，提供控制信號，通過(guò)EPLD編程實(shí)現系統各模塊所需要的選通、緩沖、讀／寫(xiě)使能，以及數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)的切換等等。 鏡頭云臺控制是通過(guò)PC104主機的RS232口進(jìn)行的，允許用戶(hù)根據自己的要求調節系統。用戶(hù)可以通過(guò)調節鏡頭的景深（zoom）、焦距（focus）以及光圈（iris）來(lái)調整圖像質(zhì)量，還可以通過(guò)云臺的上下左右調節來(lái)獲取不同角度的圖像。由監控中心的Client端軟件通過(guò)SOCKET網(wǎng)絡(luò )接口，把調整信息發(fā)送給Server端，Server接收到控制指令后，進(jìn)行指令識別，然后向對應的RS232口發(fā)送指令去控制云臺，完成調整任務(wù)。 3 系統軟件設計 傳統的應用程序都是單線(xiàn)程的，即，在程序運行期間，由單個(gè)線(xiàn)程獨占CPU的控制。在這種情況下，程序在執行一些比較費時(shí)的任務(wù)時(shí)，就無(wú)法及時(shí)響應用戶(hù)的操作，影響了應用程序的實(shí)時(shí)性能。在監控系統，特別是遠程監控系統中，應用程序往往不但要及時(shí)把監控對象的最新信息反饋給監視客戶(hù)（通過(guò)圖形顯示），還要處理本地機與遠程機之間的通信以及對控制對象的實(shí)時(shí)控制等任務(wù)，這時(shí)，僅僅由單個(gè)線(xiàn)程來(lái)完成所有任務(wù)，顯然無(wú)法滿(mǎn)足監控系統的實(shí)時(shí)性要求。為此，可引進(jìn)多線(xiàn)程機制，主線(xiàn)程專(zhuān)門(mén)負責消息的響應，使程序能夠響應命令和其他事件。輔助線(xiàn)程可以用于完成其他比較費時(shí)的工作，如通信、圖形顯示和后臺打印等，這樣就不至于影響主線(xiàn)程的運行�？傊�，把多線(xiàn)程機制引進(jìn)通信，有利于提高應用程序的實(shí)時(shí)性，充分利用系統資源。對于大型的工程應用來(lái)說(shuō)，不同的線(xiàn)程完成不同的任務(wù)，也有利于提高程序的模塊化，便于維護和擴展。 軟件采用了Client／Server結構，兩端通過(guò)網(wǎng)絡(luò )建立TCP／IP 連接，按照自定義的數據通信協(xié)議交換數據，完成數據通信和系統控制的功能。監控中心的客戶(hù)端向服務(wù)器端申請建立連接，服務(wù)器監聽(tīng)到連接請求之后，和客戶(hù)端建立SOCKET連接，客戶(hù)端向服務(wù)器發(fā)送控制信號，服務(wù)器端向客戶(hù)端發(fā)送視頻碼流。服務(wù)器端軟件運行在PC104上，編碼部分由于采用了硬件壓縮，不占用PC104的系統資源，所以，合理設計PC104上運行的服務(wù)器軟件結構，對于提高整個(gè)系統的工作效率有著(zhù)重要的意義，系統性能也與之密切相關(guān)。軟件設計的主要思想如下：讀取線(xiàn)程，發(fā)送線(xiàn)程和控制線(xiàn)程之間的同步，防止有限資源的浪費。 在分析控制指令、碼流讀入、發(fā)送傳輸的處理過(guò)程中，可能會(huì )存在時(shí)間冗余。以讀取碼流為例，系統從EPLD的FIFO中讀取視頻數據，如果CPU讀取的速度比編碼器的速度快，可能會(huì )處于等待的編碼器硬件響應狀態(tài)。此時(shí)雖然CPU被占用，但實(shí)際上系統沒(méi)有執行有效的任務(wù)，造成計算機系統資源的浪費，而嵌入式系統的資源本來(lái)就非常緊張。為了充分利用CPU計算能力，提高系統的整體性能，在該系統中采用多線(xiàn)程技術(shù)實(shí)現任務(wù)的調度�，F以遠程現場(chǎng)數據處理過(guò)程為例分析如下： （1）讀取線(xiàn)程：負責控制硬件，從編碼器中讀取圖像數據到主機內存； （2）發(fā)送線(xiàn)程：負責視頻碼流的傳輸； （3）控制線(xiàn)程：負責云臺、攝像頭的控制以及編碼器的參數設置。 視頻傳輸中，在服務(wù)器端要求碼流讀取和發(fā)送互不干擾，避免讀取和發(fā)送相互等待或相互沖突的情況出現，同樣，在客戶(hù)端解碼和接收也存在這個(gè)關(guān)系。本設計采用了一種基于環(huán)形緩沖區的多線(xiàn)程視頻傳輸技術(shù)，較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。主機的環(huán)形緩沖區除了達到數據分離互斥作用外，還可以起到平滑碼流的作用。讀取線(xiàn)程和發(fā)送線(xiàn)程是互斥關(guān)系，讀入的視頻數據供傳輸線(xiàn)程處理，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的消費者和生產(chǎn)者的關(guān)系問(wèn)題，只要不進(jìn)入臨界區，兩個(gè)線(xiàn)程可以同時(shí)工作，用環(huán)形緩沖區和互斥鎖完全可以解決這兩個(gè)線(xiàn)程的同步問(wèn)題。線(xiàn)程之間通過(guò)同步實(shí)現了CPU時(shí)間片的合理分配，以及硬件訪(fǎng)問(wèn)管理、內存緩沖區的訪(fǎng)問(wèn)管理等等，大大地提高了該系統的處理性能。 客戶(hù)端提供用戶(hù)的控制接口，用戶(hù)通過(guò)它要求各種服務(wù)。用戶(hù)可以連接到服務(wù)主機，按照自己的要求改變系統的工作方式和工作狀態(tài)。最高權限可以調整服務(wù)器端的工作方式，修改系統的管理信息，獲取所有不同類(lèi)型的服務(wù)。 系統定義了自己的指令系統和指令傳輸協(xié)議。指令可以分為以下幾類(lèi)：工作控制（傳輸開(kāi)始、傳輸停止、存儲控制等），鏡頭云臺控制（焦距、光圈、自動(dòng)轉動(dòng)等），系統設置（用戶(hù)管理、通信參數設置等）。每條指令前面都有其唯一的識別標志，服務(wù)器接收到后可以用來(lái)和其它指令進(jìn)行區分。服務(wù)器的IP固定，主線(xiàn)程在啟動(dòng)時(shí)創(chuàng )建了與監控中心的Socket的連接，在指定的服務(wù)端口進(jìn)行監聽(tīng)，當有用戶(hù)要求連接時(shí)，為其創(chuàng )建指令通信線(xiàn)路連接，不同權限的用戶(hù)對系統有不同的控制權。從而實(shí)現了監控中心對該系統的控制。 監控中心客戶(hù)軟件還支持圖像的存儲和回放。用戶(hù)可以將實(shí)際監控中的圖像存儲在本地硬盤(pán)上，并按照不同的方式檢索回放。 4 結束語(yǔ) Vstar MPEG－2系列遠程數字監控系統支持標準視頻信號和高分辨率的圖像采集、壓縮，支持基于Internet的數據傳輸，C／S的結構體系允許用戶(hù)進(jìn)行遠端操作系統的工作方式。系統的各個(gè)子模塊相對獨立，可以實(shí)現以下功能： （1）實(shí)時(shí)性：MPEG－2編碼設備可確保數字視頻信號實(shí)時(shí)傳輸與接收。保證監控中心接收到的監視信息與現場(chǎng)情況不存在不可接受的時(shí)差； （2）連續性：基于嵌入式技術(shù)的MPEG－2編解碼設備可確保PAL制視頻的幀速率為：25幀／秒，NTSC制為30幀／秒。并確保監控中心看到的圖像清晰可辨以及通信暢通，全天候不間斷可靠運行。 （3）可控性：監控中心可遠程對各個(gè)分中心圖像進(jìn)行取舍和控制。系統參數設置方便快捷，可以對視頻源的任何參數進(jìn)行設置，并可實(shí)現帶寬的動(dòng)態(tài)調整。 （4）可擴展性：可以根據實(shí)際情況修改系統結構，系統規模的擴展只需增加相應的編解碼器，中心的控制功能具有可擴展性，可與辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接，實(shí)現多址異地分控；中心的功能也可擴展，還可在適當增加編解碼器的情況下實(shí)現遠程視頻會(huì )議功能，從而滿(mǎn)足不同方面的需要。 該系列遠程數字監控系統目前已經(jīng)在銀行監控、高速公路監控、地圖航拍、家用監控等方面有著(zhù)廣泛的應用。 |
