基于ARM9的嵌入式3G無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

國內(nèi)外市場上主要推出的是數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字視頻監(jiān)控兩類產(chǎn)品。前者的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，產(chǎn)品性能穩(wěn)定， 在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用。

后者是新近崛起的以計算機(jī)技術(shù)及圖像視頻壓縮技術(shù)為核心的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 該系統(tǒng)在解決模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的部分弊端的基礎(chǔ)上迅速崛起。在互聯(lián)網(wǎng)的普遍推廣和網(wǎng)絡(luò)帶寬逐漸提高的背景下，視頻監(jiān)控技術(shù)飛速發(fā)展， 出現(xiàn)了集多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)于一體的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

目前國內(nèi)嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究有了很大的發(fā)展， 但是國內(nèi)對嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究還比較少。本文介紹了自主開發(fā)的基于ARM 的嵌入式無線視頻采集系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案采用S3C2410 嵌入式處理器和ARMLinux 操作系統(tǒng)， 利用通過自行開發(fā)的視頻服務(wù)器軟件，通過3G無線上網(wǎng)卡完成客戶端與視頻服務(wù)器的通信。介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、服務(wù)器端軟件的總體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動程序的構(gòu)建、圖像的采集和壓縮以及傳輸模塊的設(shè)計，并進(jìn)行了測試。實驗結(jié)果表明， 系統(tǒng)采用H.264 編碼技術(shù)在保證視頻傳輸質(zhì)量的同時具有良好的帶寬適應(yīng)能力。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由監(jiān)控現(xiàn)場攝像頭、嵌入式視頻服務(wù)器、客戶端三部分組成。監(jiān)控現(xiàn)場的攝像頭實現(xiàn)圖像的采集，并把采集的圖像信息通過內(nèi)部總線傳送給嵌入式視頻服務(wù)器。嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于S3C2410處理器、H.264 壓縮、Web 服務(wù)器和Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)， 它的主要功能是對攝像頭采集到的圖像進(jìn)行H.264 壓縮編碼， 并對編碼后的圖像通過3G 無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?？蛻舳酥饕瓿蓤D像的接收和解壓縮， 用戶可以通過Web 瀏覽器訪問嵌入式視頻服務(wù)器來觀看攝像頭采集到的圖像，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件由圖像傳感器MI360 、3G 無線模塊MC8630 、圖像壓縮芯片ZC0301 、微處理器芯片S3C2410 、以太網(wǎng)控制芯片、SDRAM 等芯片組成。S3C2410 具有低功耗、精簡而出色的全靜態(tài)設(shè)計等特點(diǎn)，具備MMU 存儲器管理功能， 擁有獨(dú)立的16 KB 指令和16 KB 數(shù)據(jù)緩存，在高性能和低功耗特性方面提供了可靠的性能。無線模塊選用中興3G 模塊MC8630， 數(shù)據(jù)速率為前向：3.1 Mb/smax，反向：1.8 Mb/s max 。

為了降低成本， 簡化設(shè)計， 本方案選用中星微的ZC0301 作為視頻壓縮編碼芯片，Vimicro ZC0301 主要由系統(tǒng)控制、圖像信號處理、次取樣和水平掃描、JPEG 編碼器和USB 設(shè)備控制五大功能模塊組成。CMOS 圖像傳感器選擇美光的MI360 ， 它采用VGA 標(biāo)準(zhǔn)（30 萬像素） ，感光面積為1/4 英寸， 有效像素649H ×489H， 采用低噪聲技術(shù)，噪聲等級達(dá)到CCD 標(biāo)準(zhǔn)。MI360 和ZC0301 壓縮編碼芯片完成視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮和編碼。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件由攝像頭驅(qū)動模塊、圖像采集模塊、H.264 圖像壓縮模塊、嵌入式Web 服務(wù)器組成。攝像頭驅(qū)動模塊實現(xiàn)攝像頭在Linux 操作系統(tǒng)下的正常工作， 并為應(yīng)用程序提供接口。圖像采集程序獲取攝像頭傳送過來的圖像信息并進(jìn)行暫存。H.264壓縮模塊完成對原始圖像的編碼處理。嵌入式Web 服務(wù)器實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)傳輸。嵌入式Web 服務(wù)器一般由5 個主要模塊組成： 嵌入式HTTP 引擎、安全模塊、應(yīng)用程序接口、文件系統(tǒng)和配置模塊[ 2]。由于開發(fā)平臺采用的嵌入式操作系統(tǒng)為ARMLinux ， 具有成熟的文件系統(tǒng)， 提供文件訪問的接口， 可以直接使用文件系統(tǒng)提供的讀寫接口訪問嵌入式Web 資源文件， 不需要另外設(shè)計文件系統(tǒng)。嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3 所示。[!--empirenews.page--]

圖3 嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

3.1 攝像頭驅(qū)動程序設(shè)計

圖像的采集工作由圖像傳感器MI360 和視頻壓縮芯片ZC0301 完成，ZC0301 通過USB 接口和S3C2410 相連，因此驅(qū)動程序主要是對Linux 下USB 驅(qū)動程序的開發(fā)，ZC0301 的驅(qū)動獨(dú)立開發(fā)難度較大， 主要是既要考慮圖像采集芯片的驅(qū)動， 還要考慮USB 的驅(qū)動， 且Vimicro 沒有公布ZC0301 的詳細(xì)技術(shù)資料。Linux 下ZC0301 的驅(qū)動程序有開源代碼， 根據(jù)本系統(tǒng)的開發(fā)平臺進(jìn)行修改、移植、重新編譯內(nèi)核等操作可以完成ZC0301 的驅(qū)動程序。

3.2 圖像采集模塊設(shè)計

Video4linux(V4L) 是Linux 的影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是Linux Kernel 中支持影像設(shè)備的一組APIs ， 配合適當(dāng)?shù)囊曨l采集卡與視頻采集卡驅(qū)動程序，可以實現(xiàn)影像采集、AM/FM 無線廣播、影像CODEC、視頻切換等功能。Video4linux 為二層式架構(gòu)， 上層為Video4linux 驅(qū)動程序本身， 下層架構(gòu)則是影像設(shè)備的驅(qū)動程序。這里用到的是Video4linux 的上層驅(qū)動程序， 即Video4linux 本身所提供給程序開發(fā)人員的APIs 。

Video4linux 視頻圖像采集流程如圖4 所示。

圖4 Video4linux 視頻圖像采集流程圖

3.3 H.264 圖像壓縮模塊設(shè)計

H.264 是ITU-T 視頻編碼專家組(VCEG) 和ISO/IEC活動圖像編碼專家組(MPEG) 的聯(lián)合視頻組（JVT） 開發(fā)的一個新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。在技術(shù)上，H.264 標(biāo)準(zhǔn)有很多優(yōu)勢，如統(tǒng)一的VLC 符號編碼，高精度、多模式的位移估計，基于4×4 塊的整數(shù)變換、分層的編碼語法等。這些措施使得H.264 算法具有很高的編碼效率， 在相同的重建圖像質(zhì)量下能夠比H.263 降低50%左右的碼率。

H.264 的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)， 增加了差錯恢復(fù)能力， 能夠很好地適應(yīng)IP 和無線網(wǎng)絡(luò)。H.264 能以較低的數(shù)據(jù)速率傳送基于IP 的視頻流， 在視頻質(zhì)量、壓縮效率和數(shù)據(jù)包恢復(fù)丟失等方面，超越了現(xiàn)有的MPEG-2、MPEG-4 和H.26x 視頻通信標(biāo)準(zhǔn)， 更適合窄帶傳輸，是目前監(jiān)控系統(tǒng)最為理想的信源壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。[!--empirenews.page--]

相對于有線網(wǎng)絡(luò)而言,無線網(wǎng)絡(luò)狀況更不穩(wěn)定,除去網(wǎng)絡(luò)流量所造成的傳輸速率的波動外, 設(shè)備的移動速度和所在位置也會嚴(yán)重地影響到傳輸速率。其次, 無線信道的環(huán)境也要比有線信道惡劣得多，數(shù)據(jù)的誤碼率也要高許多,而高壓縮的碼流對傳輸錯誤非常敏感, 還會造成錯誤向后面的圖像擴(kuò)散, 因此無線流媒體在信源和信道編碼上需要很好的容錯技術(shù)。錯誤恢復(fù)的工具隨著視頻壓縮編碼技術(shù)的提高在不斷改進(jìn)。舊的標(biāo)準(zhǔn)(H.261、H.263、MPEG-2 的第二部分)中,使用片和宏塊組的劃分、幀內(nèi)編碼宏塊、幀內(nèi)編碼片和幀內(nèi)編碼圖像來防止錯誤的擴(kuò)散。之后改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)(H.263+，MPEG-4)中,使用多幀參考和數(shù)據(jù)分割技術(shù)來恢復(fù)錯誤。H.264 標(biāo)準(zhǔn)在以前的基礎(chǔ)上提出了三種關(guān)鍵技術(shù)來進(jìn)行錯誤的恢復(fù)， 分別是參數(shù)集合、靈活的宏塊次序(FMO)和冗余片(RS)。FMO 是H.264 的一大特色，可以是一幀中的宏塊順序分割，使分割后的片的尺寸小于無線網(wǎng)絡(luò)的MTU 尺寸，避免在網(wǎng)絡(luò)層再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)分割，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)念~外開銷。

3.4 嵌入式Web 服務(wù)器設(shè)計

本系統(tǒng)選用適合嵌入式系統(tǒng)的Boa 服務(wù)器， 它是單任務(wù)HTTP 服務(wù)器， 占用空間小， 另外支持動態(tài)Web 技術(shù)的CGI 技術(shù)， 源代碼開放， 性能高。嵌入式Boa 服務(wù)器移植到Linux 系統(tǒng)中的網(wǎng)上相關(guān)資料很多， 不再贅述。

下面重點(diǎn)介紹應(yīng)用程序接口CGI 程序設(shè)計。

公共網(wǎng)關(guān)接口CGI 是HTTP 服務(wù)器與其他機(jī)器上的程序進(jìn)行“ 交談” 的一種工具， 其程序須運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上。CGI 是一個用于Web 服務(wù)器與外部程序之間通信方式的標(biāo)準(zhǔn)， 使得外部程序能生成HTML、圖像或其他內(nèi)容，而服務(wù)器處理的方式與那些非外部程序生成的HTML、圖像或其他內(nèi)容的處理方式是相同的。使用CGI的原因在于它是一個定義良好并被廣泛支持的標(biāo)準(zhǔn)， 沒有CGI 就不可能實現(xiàn)動態(tài)的Web 頁面， 除非使用一些服務(wù)器中提供的特殊方法。

CGI 程序入口為main () 函數(shù)， 函數(shù)首先執(zhí)行初始化用到的變量， 然后根據(jù)提供的環(huán)境變量Environmentv 獲取當(dāng)前訪問用戶的用戶名， 判斷用戶的訪問權(quán)限， 然后根據(jù)REQUESM 得到用戶的請求方法。如果是POST， 則根據(jù)Contentl 獲取用戶請求內(nèi)容并分析；如果是GET， 則根據(jù)Querys 獲取信息并分析請求內(nèi)容， 最后根據(jù)用戶權(quán)限做出相應(yīng)的處理；如果是其他的請求方法， 則返回錯誤， 不支持該請求方法。流程圖如圖5 所示。

圖5 CGI 程序處理流程

S3C2410 憑借其高性價比、豐富的接口以及對網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大支持, 使其非常適合做網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的Web視頻服務(wù)器的處理器。H.264 算法具有很高的編碼效率， 在相同的重建圖像質(zhì)量下， 能夠比H.263 降低50%左右的碼率。H.264 的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)， 增加了差錯恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP 和無線網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)支持動態(tài)IP, 可以直接連入以太網(wǎng), 能夠即插即看。通過局域網(wǎng)(100 Mb/s 以太網(wǎng)) 內(nèi)部測試, 可以達(dá)到25 幀/秒CIF 圖像(320×240) 要求, 傳輸延遲0.6 s 以內(nèi)， 編碼后的碼率150 Kbit/s ， 由客戶端軟件解碼恢復(fù)后的視頻圖像清晰、流暢、沒有抖動現(xiàn)象， 能獲得較好的視頻質(zhì)量。