基于ARM嵌入式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前，嵌入式系統(tǒng)在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用越來越廣泛。伴隨著網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能，視頻監(jiān)控更側(cè)重網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方案，要求體積小、遠(yuǎn)程化、成本低、功耗小、操作界面人性化等。本系統(tǒng)基于嵌入式Linux 平臺(tái)上利用USB 攝像頭采集視頻圖像，通過視頻圖像壓縮及結(jié)合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻圖像傳輸，使遠(yuǎn)程監(jiān)控成為可能。

1 系統(tǒng)概述

視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)由4 部分組成， 分別為視頻圖像采集、視頻圖像處理、視頻圖像傳輸、視頻圖像顯示。視頻圖像采集部分由數(shù)字?jǐn)z像頭、USB 通道和嵌入式處理器構(gòu)成、視頻圖像處理主要是視頻圖像壓縮，由算法實(shí)現(xiàn)、視頻圖像傳輸主要利用視頻服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)、視頻圖像顯示主要是在遠(yuǎn)程的主機(jī)上實(shí)現(xiàn)視頻圖像的瀏覽、保存和處理等，Linux 主機(jī)上由應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，Windows 主機(jī)上通過瀏覽器上的JAVA 程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件

CPU 處理器使用Samsung S3C2440A, 主頻400 MHz,最高533 MHz;64 M SDRAM、32 bit 數(shù)據(jù)總線、SDRAM 時(shí)鐘頻率100 MHz;256 M/1 GB Nand Flash, 掉電非易失、2 M NorFlash,掉電非易失；統(tǒng)寶3.5 真彩LCD,屏集成4 線電阻式觸摸屏， 屏幕分辨率可以達(dá)到1024×768 象素；100 M 以太網(wǎng)RJ-45 接口（采用DM9000 網(wǎng)絡(luò)芯片）、串行口、USB Host、USB Slave B 型接口、SD 卡存儲(chǔ)接口、路立體聲音頻輸出接口， 麥克風(fēng)接口、JTAG 接口、4 USER Leds、6 USER buttONs（帶引出座）、I2C 總線AT24C08 芯片、20 pin 攝像頭接口；攝像頭用良田，兼容SN9C20X 系列芯片的驅(qū)動(dòng)，本系統(tǒng)的內(nèi)核中集成了該驅(qū)動(dòng)。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 Linux 內(nèi)核的移植

移植新內(nèi)核主要是為了給LCD 以及攝像頭添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)支持，在Fedora 9 中打開內(nèi)核的目錄，使用缺省配置文件進(jìn)行配置：在內(nèi)核中添加V4L 支持、添加萬能USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)GSPCA。

3.2 基于V4L2 的圖像采集程序

系統(tǒng)使用的交叉編譯工具為arm-linux-gcc-4.3.2.設(shè)計(jì)使用到的應(yīng)用程序都要通過該編譯器編譯后下載到開發(fā)板上運(yùn)行。將編好的應(yīng)用程序V4L2.c 交叉編譯后下載到板。

V4L（Video for Linux）是Linux 下提供的一個(gè)音視頻接口規(guī)范，所有的音視頻驅(qū)動(dòng)編寫都要用到這些接口。

V4L 從2.4.1.x 的內(nèi)核版本中開始出現(xiàn)， 設(shè)計(jì)使用的Video for Linux2（簡稱V4L2）是V4L 的改進(jìn)版，修復(fù)了第一代中的部分BUG。

設(shè)計(jì)的圖像采集及處理程序主要基于V4L2 架構(gòu)， 通過對一些ioctl 函數(shù)的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)視頻設(shè)備的打開，圖像的采集處理，圖像的顯示等。幾個(gè)主要的ioctl 函數(shù)的簡介：

1）ioctl（fd,VIDIOC_S_FMT, &fmt）：用于設(shè)置圖像的格式。

2）ioctl（fd, VIDIOC_REQBUFS, &req）：向內(nèi)存申請緩沖區(qū)，申請的buffer 個(gè)數(shù)存在count 中。

3）ioctl（fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf）：查詢已經(jīng)分配的V4L2 的視頻緩沖區(qū)的相關(guān)信息， 包括視頻緩沖區(qū)的使用狀態(tài)、在內(nèi)核空間的偏移地址、緩沖區(qū)長度等。

4）ioctl（fd, VIDIOC_QBUF, &buf）：放一個(gè)空的視頻緩沖區(qū)到視頻緩沖區(qū)輸入隊(duì)列中，函數(shù)執(zhí)行成功后，指令的視頻緩沖區(qū)進(jìn)入視頻輸入隊(duì)列，在啟動(dòng)視頻設(shè)備拍攝圖像時(shí)，相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)被保存到視頻輸入隊(duì)列相應(yīng)的視頻緩沖區(qū)中。

5）ioctl（fd, VIDIOC_STREAMON, &type）：啟動(dòng)視頻采集命令，應(yīng)用程序調(diào)用VIDIOC_STREAMON 啟動(dòng)視頻采集命令后，視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開始采集視頻數(shù)據(jù)，并把采集到的視頻數(shù)據(jù)保存到視頻驅(qū)動(dòng)的視頻緩沖區(qū)中。

圖像采集處理流程圖如圖2 所示。

圖2 圖像采集處理流程圖

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3.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

系統(tǒng)采用Boa 服務(wù)器。Boa 是一種非常小巧的Web 服務(wù)器， 其可執(zhí)行代碼只有大約60 kB 左右。作為一種單任務(wù)Web 服務(wù)器，Boa 只能依次完成用戶的請求，Boa 支持CGI,能夠?yàn)镃GI 程序fork 出一個(gè)進(jìn)程來執(zhí)行。板上移植該服務(wù)器，Boa 服務(wù)器默認(rèn)開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，配置conf 文件。

服務(wù)器端應(yīng)用程序使用servfox, servfox-R1_1_3 解壓修改Makefile 文件：CC=arm-linux-gcc,編譯后得到可執(zhí)行文件servfox,下載到板上，輸入命令chmod +x servfox 為它添加可執(zhí)行屬性。

客戶端程序使用spcawiew, 該程序用于在Linux 主機(jī)上對服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)控，無需移植。在Linux 上編譯spcaview.由于此軟件包依賴與libsdl,所以在安裝spcaview 之前，需要安裝SDL-1.2.13. 安裝spcaview 軟件后，在源文件目錄上有3 個(gè)可執(zhí)行文件，spcacat :簡單圖片的抓取工具，不能用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視客戶端，Spcaserv:流媒體服務(wù)器，Spcaview: 用來紀(jì)錄數(shù)據(jù)流，也能用來播放數(shù)據(jù)，也能作為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視客戶端用。

4 監(jiān)控過程

4.1 在Linux 操作系統(tǒng)上的監(jiān)控

正常啟動(dòng)運(yùn)行開發(fā)板，運(yùn)行服務(wù)器端程序servfox: servfox-d /dev/video0-s 320x240-w 7070。

在Linux 上運(yùn)行： ./spcaview-g-s 320x240-w 10.1.91.230:7070

其中10.1.91.230 是服務(wù)器的IP 地址，這樣就可以在PC機(jī)上看見USB 攝像頭采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)了。

系統(tǒng)是裝在虛擬機(jī)中的fedora 9 linux 系統(tǒng)，可以流暢地觀察到攝像頭監(jiān)控區(qū)域的情況。

4.2 Windows 操作系統(tǒng)上的監(jiān)控

對于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的客戶端，能夠跨平臺(tái)的工具目前只有瀏覽器，通過瀏覽器來監(jiān)控，無論是Linux、Windows、MacOS 或者其他的UNIX 系統(tǒng)，只要有圖形界面的瀏覽器，在桌面環(huán)境下都可以對遠(yuǎn)程的攝像頭所“控制”的范圍進(jìn)行監(jiān)控。

Mini2440 上已經(jīng)有Boa 服務(wù)器可供使用，Spcaview 中的http-java-applet 文件夾中已經(jīng)包含了一個(gè)可以監(jiān)控使用的web 頁面，將該文件夾復(fù)制到Boa 服務(wù)器的主文件夾/www 下。

由于http-java-applet 文件夾內(nèi)含的WEB 主頁面（Index.html）包含了JAVA 控件，所以先在主機(jī)上安裝JAVA 環(huán)境，讓瀏覽器支持JAVA 插件。

安裝好JRE 后， 在瀏覽器的地址欄上輸入服務(wù)器地址，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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4.3 遠(yuǎn)程抓拍

通過web 表單提交CGI 來運(yùn)行應(yīng)用程序。

通用網(wǎng)關(guān)接口（CGI）規(guī)范允許Web 服務(wù)器執(zhí)行其他的程序并將它們的輸出儲(chǔ)存在發(fā)送給Web 瀏覽器的文本、圖形和音頻中。服務(wù)器與CGI 程序的結(jié)合能夠擴(kuò)充World WideWeb 的能力。

CGI 程序可以由C、Perl 或者UNIX Shell 腳本等流行編程語言編寫。

在本設(shè)計(jì)中，網(wǎng)頁上的按鈕shoot the picture 提交了一個(gè)名為V4L 的CGI 文件v4l.cgi,該文件是用shell 腳本編寫的，用于在板上運(yùn)行已編譯好的圖像采集程序并對抓拍的圖片返回到新打開的網(wǎng)頁中進(jìn)行查看。

Shell 腳本（v4l.cgi）內(nèi)容如下：

#! /bin/sh

/www/http-java-applet/v4l2

echo “Content-type: text/html; charset=gb2312”

echo

echo “……”

echo “<div class=”img“><img src=”1.jpg“ /></div>”

exit 0

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用開源的Linux 系統(tǒng)，降低了開發(fā)成本，可以任意裁剪和制定內(nèi)核，方便移植。與傳統(tǒng)PC 機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有體積小、成本低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢。本系統(tǒng)還具有一定的擴(kuò)展性，可以增加適當(dāng)?shù)墓δ軘U(kuò)展來滿足用戶更高的要求， 如在圖像采集端加入設(shè)置入侵檢測或者報(bào)警等控制功能。