基于ARM9和USB攝像頭的網(wǎng)絡(luò)視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷普及，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)采集視頻信息已經(jīng)成為遠(yuǎn)程視頻信息采集的主要手段。系統(tǒng)以ARM9處理器S3C2440為硬件平臺，通過USB攝像頭采集視頻信息。DM9000網(wǎng)卡作為以太網(wǎng)控制器，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下，通過移植視頻服務(wù)器MJPG-streamer，來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻信息的采集。此系統(tǒng)克服了現(xiàn)有視頻采集的距離問題，開發(fā)簡單，可移植性高，并且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：ARM9；S3C2440；USB攝像頭；MJPG-streamer

0 引言
    通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)普及到人類生活的各個方面，布控區(qū)域廣闊的網(wǎng)絡(luò)視頻采集系統(tǒng)也在迅速的發(fā)展，嵌入式視頻采集系統(tǒng)的服務(wù)器直接連入已經(jīng)建成的網(wǎng)絡(luò)，既沒有線纜長度的限制，也沒有信號衰減的限制，通過沒有距離概念的網(wǎng)絡(luò)，徹底拋棄了地域的限制。系統(tǒng)具有幾乎無限的無縫擴(kuò)展能力，所有設(shè)備都以IP地址劃分，增加設(shè)備只是意味著IP地址的增加，可組成非常復(fù)雜的視頻采集系統(tǒng)，服務(wù)器輸出的視頻數(shù)據(jù)已完成模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換并壓縮，采用TCP／IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，支持跨網(wǎng)關(guān)、跨路由器的遠(yuǎn)程視頻信息傳輸。
    本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)視頻采集的需要，將網(wǎng)絡(luò)傳輸與視頻采集相結(jié)合，設(shè)計(jì)了以S3C2440為核心的USB攝像頭視頻采集和嵌入式Linux系統(tǒng)下的視頻服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻信息采集。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)是以ARM9處理器S3C2440為核心，在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺下，通過USB攝像頭采集視頻信息，然后對所得到的視頻數(shù)據(jù)通過內(nèi)部總線送到視頻服務(wù)器MJPG-streamer上，視頻服務(wù)器經(jīng)過對圖像壓縮處理，經(jīng)過以太網(wǎng)傳輸出去，遠(yuǎn)端客戶機(jī)通過瀏覽器或者專用軟件訪問視頻服務(wù)器，即可瀏覽現(xiàn)場信息，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻采集。系統(tǒng)總體如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)處理器采用高性能ARM9處理器S3C2440，S3C2440是基于ARM920T核心的RISC處理器，主頻為400 MHz，實(shí)現(xiàn)了MMU，具有AMBA總線和哈佛結(jié)構(gòu)高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，有獨(dú)立的16 KB的指令緩存和16 KB的數(shù)據(jù)緩存。主要應(yīng)用于高性能，低價格，低功耗的嵌入式設(shè)備和手持設(shè)備。處理器內(nèi)部集成了完備的硬件資源，外部存儲控制器，4通道DMA，3通道的UART，2通道SPI，2通道USB主機(jī)和1通道USB設(shè)備，4通道PWM定時器和內(nèi)部看門狗定時器，130個GPIO等。
    NAND FLASH采用K9F2G08，該存儲芯片容量大，高達(dá)256 MB，改寫速度非?？?，易于使用，具有可靠的耐用性，適合用于大量數(shù)據(jù)存儲，該FLASH以512 B為塊進(jìn)行讀寫操作，通過輸入輸出接口傳送地址和命令，傳遞專門的數(shù)據(jù)接口與CPU相連，數(shù)據(jù)總線為8 b，寫入操作必須在空白區(qū)域進(jìn)行，所以在改寫數(shù)據(jù)時要先進(jìn)行擦除，然后再寫入。
    NAND FLAsH在本系統(tǒng)中用來存放bootloader引導(dǎo)代碼，Linux內(nèi)核代碼以及Yaffs文件系統(tǒng)。SDRAM為同步動態(tài)隨機(jī)存儲器，類似于PC機(jī)的內(nèi)存，在系統(tǒng)啟動時，先將內(nèi)核代碼從FLASH復(fù)制到SDRAM中，用來程序的讀取，存儲，執(zhí)行，從而提高CPU讀取和寫入數(shù)據(jù)的速度。本采用2片32 MB的HY57V作為系統(tǒng)內(nèi)存，把他們并聯(lián)起來形成32位的數(shù)據(jù)總線，提高CPU的訪問速度，增加運(yùn)行Linux系統(tǒng)的流暢性。由于SDRAM掉電不能保存數(shù)據(jù)，所以要不斷的進(jìn)行動態(tài)刷新來保存數(shù)據(jù)，使用之前要進(jìn)行初始化。
    目前最流行的以太網(wǎng)控制器是DAVICOM公司的DM9000網(wǎng)卡芯片，該芯片自適應(yīng)10 Mb／s和100 Mb／s的網(wǎng)絡(luò)，處理器通過GPIO與網(wǎng)卡相連，支持3．3 V接口電壓，32位接口存儲器可以方便直接與S3C2440相連，在連接RJ-45接口，即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的連接。設(shè)備驅(qū)動程序在Linux操作系統(tǒng)下可以方便的移植，故選擇此網(wǎng)卡芯片作為以太網(wǎng)控制器。攝像頭采用市場普通USB攝像頭，即插即用，處理器通過USB控制器控制攝像頭。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件可分為Bootloader，Linux內(nèi)核，Yaffs文件系統(tǒng)和MJPG-streamer視頻服務(wù)器，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    “Bootloader是在操作系統(tǒng)運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序，來完成硬件設(shè)備的初始化，從而將系統(tǒng)軟硬件環(huán)境帶到合適狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)做好準(zhǔn)備”。Bootloader可以從SAMSUNG公司官方網(wǎng)站下載，經(jīng)過交叉編譯生成Bin文件，下載到板子上。
    Linux內(nèi)核采用Linux 2．6．32版本，運(yùn)行make menuconfig配置萬能驅(qū)動USB攝像頭，在Device Drivers下，選擇Multimedia device，選擇Video Capture adapters，選擇V4L USB devices，選擇GSPA based webcams，即可選擇萬能驅(qū)動USB攝像頭。
    系統(tǒng)采用Yaffs文件系統(tǒng)，Yaffs是專為嵌入式系統(tǒng)使用NAND型閃存而設(shè)計(jì)的一種日志型文件系統(tǒng)。它減少了一些功能，速度更快，掛載時間很短，對內(nèi)存的占用較小，所以系統(tǒng)采用Yaffs文件系統(tǒng)。
    MJPG-streamer是一款免費(fèi)基于IP地址的視頻流服務(wù)器，它的輸入插件從攝像頭讀取視頻數(shù)據(jù)，這個輸入插件產(chǎn)生視頻數(shù)據(jù)并將視頻數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存中，它有多個輸出插件將這些視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，其中最重要的輸出插件是網(wǎng)站服務(wù)器插件，它將視頻數(shù)據(jù)傳送到用戶瀏覽器中，MJPG-streamer的工作就是將其中的一個輸入插件和多個輸出插件綁定在一起，所有的工作都是通過它的各個插件完成的。MJPG-stream er源碼包可從SourceForge網(wǎng)站下載使用。各個文件如下：
    (1)input_testpicture．so。這是一個圖像測試插件，它將預(yù)設(shè)好的圖像編譯成一個頭文件，可以在沒有攝像頭的情況下傳輸圖像，從而方便調(diào)試程序。
    (2)input_uvc．so。此文件調(diào)用USB攝像頭驅(qū)動程序V4L2，從攝像頭讀取視頻數(shù)據(jù)。
    (3)input_control．so。這個文件實(shí)現(xiàn)對攝像頭轉(zhuǎn)動的控制接口。
    (4)output_http．so。這是一個功能齊全的網(wǎng)站服務(wù)器，它不僅可以從單一文件夾中處理文件，還可以執(zhí)行一定的命令，它可以從輸入插件中處理一幅圖像，也可以將輸入插件的視頻文件根據(jù)現(xiàn)有M-JPEG標(biāo)準(zhǔn)以HTTP視頻數(shù)據(jù)服務(wù)流形式輸出。
    (5)output_file．so。這個插件的功能是將輸入插件的JPEG圖像存儲到特定的文件夾下，它可以用來抓取圖像。
    將MJPG-streamer視頻流服務(wù)器移植到目標(biāo)板上運(yùn)行，從而可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)的采集，具體移植過程：
    (1)首先移植MJPG-streamer依賴的jpeg庫。在／usr／local目錄下解壓源碼包tar xvzf jpegsrc．v8b．tar．gz。
    (2)修改配置文件．／configure--prefix=／usr／video／jpeg--host=arm-linux-gnueabi，編譯：make，安裝：make install，最后將／usr／local／video／jpeg／lib目錄下的libjpeg．so．8文件拷貝到文件系統(tǒng)中的lib目錄下。
    (3)解壓源碼包：tar zxvf mjpg-streamer．tar．gz；
    (4)修改源碼：修改頂層Makefile及plugins目錄中的各級Makefile將所有CC=gcc修改為CC=arm-linux-gcc。修改／usr／local／mjpg-streamer-r63／plugins／input_uvc目錄下的Makfile文件，在CFLAGS+=-O2-DLINUX-D_GNU_SOURCE-Wall-shared-fPIC后加上I／／usr／loc al／video／jpeg／／include，把$(CC)$(CFLAGS)-ljpeg-o$＠input_uvc．c v412uvc．lo jpeg_utils．lodynctrl．lo代碼修改為$(CC)$(CFLAGS)-ljpeg-L／usr／local／video／jpeg／lib-o$＠input_uvc．c v412uvc．lojpeg_utils．lo dynctrl．lo，從而加載前面編譯安裝的jpeg庫文件，使得MJPG-streamer能夠調(diào)用到j(luò)peg庫。
    (5)交叉編譯：make CC=arm-linux-gcc，交叉編譯器為arm-linux-gcc4．3．2，生成ARM板可執(zhí)行的二進(jìn)制文件。
    網(wǎng)絡(luò)視頻采集系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試
    將應(yīng)用程序通過超級終端工具傳輸?shù)紸RM板上，設(shè)置視頻服務(wù)器應(yīng)用程序start_uvc．sh開機(jī)啟動，將交換機(jī)引出的雙絞線通過RJ-45接口連接到ARM板，在超級終端下進(jìn)入ARM板，用ifconfig命令配置服務(wù)器相應(yīng)網(wǎng)段的IP地址，將板子上電之后即可執(zhí)行視頻采集程序。從客戶端瀏覽器輸入ARM板IP地址發(fā)出訪問請求，服務(wù)器接收到請求后與客戶端建立連接，將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端監(jiān)聽端口，客戶端就可以得到連續(xù)的現(xiàn)場現(xiàn)場畫面，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻采集功能。客戶端測試畫面如圖5所示。

5 結(jié)語
    隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，視頻信息采集進(jìn)入到一個新的時代，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于S3C2440的高速信息處理能力和豐富的硬件接口，在網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大的Linux操作系統(tǒng)平臺下，移植MJPG-streamer視頻流服務(wù)器，模塊結(jié)構(gòu)清晰，易于管理，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，很容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)視頻采集，克服了現(xiàn)有視頻采集的距離問題，開發(fā)簡單，可移植性高，并且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。
    系統(tǒng)改進(jìn)思路：無線局域網(wǎng)WLAN成為無線通信使用熱點(diǎn)，通過移植WIFI模塊可以實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)視頻采集，從而擺脫網(wǎng)線的限制，更加方便使用，在MJPG-streamer軟件中有一個input_control．so的輸入插件沒有用到，加上該插件可以實(shí)現(xiàn)攝像頭的位置的控制，比如自動跟蹤的功能，另外可以加入智能模式識別算法，從攝像頭讀取的視頻信息識別物體，辨別出人、動物、汽車等物體，從而是系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大。