基于Android的MJPEG網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計

　　深入研究了MJPEG視頻壓縮算法，闡述了算法實現(xiàn)過程，并設(shè)計出基于Android操作系統(tǒng)的3G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)客戶端軟件。本系統(tǒng)通過實地安裝與測試達(dá)到了預(yù)期效果，突破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)客戶端固定地域的限制，有良好的應(yīng)用前景。

　　1 系統(tǒng)硬件組成與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　攝像機(jī)硬件核心采用三星公司推出的基于ARM9架構(gòu)的S3C2440A芯片，該處理器主頻達(dá)到400 MHz可以滿足實時壓縮，MJPEG視頻流可以達(dá)到320&TImes;240分辨率25 fps的性能要求。外圍搭配64 MB SDRAM、256 MBNAND Flash，網(wǎng)絡(luò)功能由DM9000以太網(wǎng)MAC控制芯片負(fù)責(zé)，攝像頭模塊由USB控制器控制，系統(tǒng)供電由3片LM71117組成，分別輸出3.3 V、1.8 V、1.25 V電壓，輔助外圍接口構(gòu)成攝像機(jī)硬件結(jié)構(gòu)。S3C2440A系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

　　網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是互聯(lián)網(wǎng)上的TCP/IP設(shè)備，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。其中在家庭區(qū)域內(nèi)根據(jù)安防的特點在大門走廊、客廳內(nèi)、陽臺區(qū)域分別布置攝像機(jī)，再由網(wǎng)線連接到路由器，配置路由器參數(shù)映射每個攝像機(jī)獨立端口與IP地址，即完成Internet接入。遠(yuǎn)端由固定位置的PC機(jī)，移動位置的3G筆記本和隨身攜帶的3G Android手機(jī)組成，PC機(jī)可以通過WEB瀏覽器訪問與控制網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，Android手機(jī)通過客戶端實現(xiàn)實時訪問。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)軟件設(shè)計

　　搭建攝像機(jī)需要Linux系統(tǒng)環(huán)境，首先移植Bootloader，對Linux 2.6.32內(nèi)核進(jìn)行裁剪，加載Linux UVC(USB video device class)驅(qū)動及相關(guān)驅(qū)動，將編譯好的Linux系統(tǒng)鏡像燒寫到ARM板Nand Flash中，對Bootloader沒置啟動引導(dǎo)地址，即完成軟件運行環(huán)境搭建。

　　分析網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)性能需求與拓展性，須滿足下列條件：

　　◆視頻監(jiān)控實時性;

　　◆支持多客戶端同時連接;

　　◆圖像識別算法或預(yù)留接口;

　　◆功能模塊化滿足后期開發(fā)可擴(kuò)展。

　　因此，采用多線程架構(gòu)與互斥鎖機(jī)制來保證實時性、模塊化的思想設(shè)計代碼結(jié)構(gòu)。軟件程序主流程如圖3所示。

　　其中主要實現(xiàn)如下功能。

　?、俪跏蓟疞inux V4L2接口，必須按照V4L2標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)初始化結(jié)構(gòu)體，其中包括struct v412_capability cap;struct v412_format fmt;struct v412_buffer buf;struct v412_requestbuffers rb;struct v412_streamparm setfps。此外將視頻設(shè)備名、視頻寬度、視頻高度、幀率、視頻格式和抓取方法傳遞給函數(shù)init_videoIn(struct vdIn*vd，char*device，int width，intheight，int fps，int format，int grabmethod)實現(xiàn)初始化。值得注意的是眾多USB camera并不支持JPEG格式視頻流直接抓取，針對YUYV格式抓取卻有廣泛支持。后期進(jìn)行圖像識別算法操作時直接分析YUYV原始圖像數(shù)據(jù)，將節(jié)省JPEG壓縮數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為原始圖像數(shù)據(jù)的大量運算開銷，因此采用YUYV抓取模式。

　?、趧?chuàng)建核心圖像處理線程。在該線程內(nèi)實現(xiàn)：抓取功能。

　　◆UVC設(shè)備單幀抓取，uvcGrab(struct vdIn*vd)函數(shù)實現(xiàn)單幀YUYV格式的原始圖像拷貝到內(nèi)存，采用高效的mmap內(nèi)存映射方法讀取;

　　◆JPEG核心算法實現(xiàn)，JPEG壓縮算法占用大量CPU時間，下一小節(jié)將詳細(xì)討論。

　?、蹌?chuàng)建套接字接口。為實現(xiàn)多用戶同時連接網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，必須采用socket服務(wù)線程，每當(dāng)有新用戶連接同時產(chǎn)生一個新線程與之對應(yīng)，實現(xiàn)多用戶端同步監(jiān)控。

　?、艽罱ɑ赪eb瀏覽器訪問方式的Web主頁。嵌入式設(shè)備資源有限，輕量級的Web Server主要有：Boa、Httpd、Thttpd等。本設(shè)計選用開源的Boa、交叉編譯Boa源碼配置boa.conf文件，配置系統(tǒng)etc自啟動shell加入Boa程序，將編寫HTML頁面文件放入系統(tǒng)中對應(yīng)的www目錄后即可正常工作。