嵌入式MPEG-2遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1　系統(tǒng)介紹

    Vstar MPEG－2系列遠(yuǎn)程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)基于TCP／IP網(wǎng)絡(luò)的嵌入式遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)，采用嵌入式設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)穩(wěn)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(dá)DVD效果，能夠?qū)崿F(xiàn)單畫(huà)面輪流監(jiān)看和1～16個(gè)畫(huà)面同屏監(jiān)看，支持遠(yuǎn)程和本地云臺(tái)控制，支持多任務(wù)工作方式，而且圖像存儲(chǔ)、監(jiān)看、遠(yuǎn)程控制可同步進(jìn)行，監(jiān)控距離隨網(wǎng)絡(luò)延伸而不斷加長(zhǎng)。該系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控服務(wù)三部分，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)部分和監(jiān)控服務(wù)部分都安裝了MPEG－2圖像處理設(shè)備和有線網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備，軟件采用客戶(hù)／服務(wù)器（client／server）結(jié)構(gòu)，在遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的有線網(wǎng)絡(luò)接口上運(yùn)行的是服務(wù)器端軟件，監(jiān)控中心運(yùn)行客戶(hù)端軟件。遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的軟件在系統(tǒng)啟動(dòng)后要向監(jiān)控中心注冊(cè)，作為一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，必須有監(jiān)控點(diǎn)的名稱(chēng)、監(jiān)控點(diǎn)的特性描述的內(nèi)容。監(jiān)控中心在認(rèn)證該監(jiān)控點(diǎn)之前，為了避免與已經(jīng)存在的監(jiān)控點(diǎn)名稱(chēng)相同造成混淆，必須先檢測(cè)網(wǎng)上是否已經(jīng)存在名稱(chēng)相同的監(jiān)控點(diǎn)，如果有，則會(huì)提醒用戶(hù)更換名稱(chēng)。在通過(guò)權(quán)限認(rèn)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(shù)據(jù)和控制指令通信，客戶(hù)端可以在權(quán)限允許范圍內(nèi)根據(jù)需要通過(guò)監(jiān)控中心來(lái)調(diào)節(jié)服務(wù)器端的參數(shù)設(shè)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(yùn)行在監(jiān)控中心的PC上，提供相應(yīng)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(yùn)行在遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)PC104上，它的功能比較豐富，包括硬件的驅(qū)動(dòng)控制、通信線路管理、圖像數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)控制、攝像頭和云臺(tái)調(diào)節(jié)等等。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)　　　　

    硬件核心部分是MPEG－2視頻處理設(shè)備的設(shè)計(jì)，圖2中簡(jiǎn)單介紹了MPEG－2硬件視頻壓縮處理的結(jié)構(gòu)。MPEG－2視頻采集壓縮模塊以富士通MB86390芯片為核心，完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)（PAL或NTSC信號(hào)）的A／D轉(zhuǎn)換、MPEG－2壓縮以及與PC104主機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字視頻信號(hào)，然后進(jìn)行編碼預(yù)處理，編碼預(yù)處理是將接收的視頻信號(hào)處理為規(guī)定的格式，即，把視頻解碼輸出的CCIR601格式的信號(hào)轉(zhuǎn)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(chǔ)編碼完成后的碼流數(shù)據(jù)。PC104上的軟件則通過(guò)總線接口單元來(lái)控制編碼器的參數(shù)設(shè)置，及讀取編碼壓縮后的碼流數(shù)據(jù)。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(gòu)成的控制邏輯和總線接口單元?？偩€接口單元是在EPLD中實(shí)現(xiàn)的，它是本模塊與主機(jī)（PC104）進(jìn)行交互的通道，可以和主機(jī)進(jìn)行視頻碼流和控制數(shù)據(jù)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(diào)各模塊的工作，提供控制信號(hào)，通過(guò)EPLD編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊所需要的選通、緩沖、讀／寫(xiě)使能，以及數(shù)據(jù)總線和地址總線的切換等等。

    鏡頭云臺(tái)控制是通過(guò)PC104主機(jī)的RS232口進(jìn)行的，允許用戶(hù)根據(jù)自己的要求調(diào)節(jié)系統(tǒng)。用戶(hù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)鏡頭的景深（zoom）、焦距（focus）以及光圈（iris）來(lái)調(diào)整圖像質(zhì)量，還可以通過(guò)云臺(tái)的上下左右調(diào)節(jié)來(lái)獲取不同角度的圖像。由監(jiān)控中心的Client端軟件通過(guò)SOCKET網(wǎng)絡(luò)接口，把調(diào)整信息發(fā)送給Server端，Server接收到控制指令后，進(jìn)行指令識(shí)別，然后向?qū)?yīng)的RS232口發(fā)送指令去控制云臺(tái)，完成調(diào)整任務(wù)。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)　　　　

    傳統(tǒng)的應(yīng)用程序都是單線程的，即，在程序運(yùn)行期間，由單個(gè)線程獨(dú)占CPU的控制。在這種情況下，程序在執(zhí)行一些比較費(fèi)時(shí)的任務(wù)時(shí)，就無(wú)法及時(shí)響應(yīng)用戶(hù)的操作，影響了應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)性能。在監(jiān)控系統(tǒng)，特別是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用程序往往不但要及時(shí)把監(jiān)控對(duì)象的最新信息反饋給監(jiān)視客戶(hù)（通過(guò)圖形顯示），還要處理本地機(jī)與遠(yuǎn)程機(jī)之間的通信以及對(duì)控制對(duì)象的實(shí)時(shí)控制等任務(wù)，這時(shí)，僅僅由單個(gè)線程來(lái)完成所有任務(wù)，顯然無(wú)法滿(mǎn)足監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。為此，可引進(jìn)多線程機(jī)制，主線程專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)消息的響應(yīng)，使程序能夠響應(yīng)命令和其他事件。輔助線程可以用于完成其他比較費(fèi)時(shí)的工作，如通信、圖形顯示和后臺(tái)打印等，這樣就不至于影響主線程的運(yùn)行?？傊讯嗑€程機(jī)制引進(jìn)通信，有利于提高應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)性，充分利用系統(tǒng)資源。對(duì)于大型的工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，不同的線程完成不同的任務(wù)，也有利于提高程序的模塊化，便于維護(hù)和擴(kuò)展?！　　　?

    軟件采用了Client／Server結(jié)構(gòu)，兩端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立TCP／IP連接，按照自定義的數(shù)據(jù)通信協(xié)議交換數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)控制的功能。監(jiān)控中心的客戶(hù)端向服務(wù)器端申請(qǐng)建立連接，服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)到連接請(qǐng)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(hào)，服務(wù)器端向客戶(hù)端發(fā)送視頻碼流?！　　?BR>
   　服務(wù)器端軟件運(yùn)行在PC104上，編碼部分由于采用了硬件壓縮，不占用PC104的系統(tǒng)資源，所以，合理設(shè)計(jì)PC104上運(yùn)行的服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率有著重要的意義，系統(tǒng)性能也與之密切相關(guān)。軟件設(shè)計(jì)的主要思想如下：讀取線程，發(fā)送線程和控制線程之間的同步，防止有限資源的浪費(fèi)。

    在分析控制指令、碼流讀入、發(fā)送傳輸?shù)奶幚磉^(guò)程中，可能會(huì)存在時(shí)間冗余。以讀取碼流為例，系統(tǒng)從EPLD的FIFO中讀取視頻數(shù)據(jù)，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(yīng)狀態(tài)。此時(shí)雖然CPU被占用，但實(shí)際上系統(tǒng)沒(méi)有執(zhí)行有效的任務(wù)，造成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，而嵌入式系統(tǒng)的資源本來(lái)就非常緊張。為了充分利用CPU計(jì)算能力，提高系統(tǒng)的整體性能，在該系統(tǒng)中采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度?，F(xiàn)以遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理過(guò)程為例分析如下：　　　　

　　（1）讀取線程：負(fù)責(zé)控制硬件，從編碼器中讀取圖像數(shù)據(jù)到主機(jī)內(nèi)存；

　?。?）發(fā)送線程：負(fù)責(zé)視頻碼流的傳輸；