基于嵌入式linux的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p>　　基于嵌入式Linux的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　摘要：在軟硬件協(xié)同設(shè)計的指導(dǎo)思想下，提出了在ARM微處理器平臺上移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，并完成視頻采集、壓縮、控制等任務(wù)。為降低產(chǎn)品成本，系統(tǒng)采用ARM9微處理器S3C2410X作為主處理器，采用普通30萬像素的USB攝像頭作為圖像采集設(shè)備，用軟件對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行MPEG-4壓縮?？梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳到中心服務(wù)器顯示并保存。實(shí)

2、現(xiàn)了一種體積小、成本低廉、數(shù)字化的監(jiān)控解決方案，具有廣泛的應(yīng)用價值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：嵌入式， 視頻采集， 視頻監(jiān)控 </p><p>　　The design of Video Surveillance System based on Embedded Linux</p><p>　　Abstract: Hardware and software

3、 co-design of the guiding ideology, put forward in the ARM microprocessor platform porting embedded Linux operating system, and complete video capture, compression, control and other tasks. In order to reduce produ

4、ct cost, the system uses ARM9 microprocessor S3C2410X as the main processor, the ordinary 30-megapixel USB camera as an image acquisition device, with software for MPEG-4 video data compression. Data can be transmitted t

5、hrough the network to a centr</p><p>　　Keyword: Embedded, Video Capture, Video Surveillance</p><p><b>　　一、引言</b></p><p>　　最近幾年，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)飛速發(fā)展，各通信領(lǐng)域發(fā)展趨勢必然是全面數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，傳

6、統(tǒng)的模擬閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)有很多局限性：傳輸距離有限、無法聯(lián)網(wǎng)，而且模擬視頻信號數(shù)據(jù)的存儲會耗費(fèi)大量的存儲介質(zhì)(如錄像帶)，查詢?nèi)∽C時十分煩瑣。利用嵌入式設(shè)備進(jìn)行數(shù)字處理傳送成為可能。嵌入式設(shè)備具有體積小、功耗低、數(shù)字化、安裝方便、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此基于嵌入式的視頻采集和監(jiān)控成為了當(dāng)前嵌入式應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域的一個熱門課題。</p><p>　　由于這種系統(tǒng)的硬件是一個同處理器和操作系統(tǒng)捆綁較為緊密、功能專一、專門設(shè)計

7、的獨(dú)立的設(shè)備，不像插卡系統(tǒng)那樣受通用計算機(jī)系統(tǒng)中其它軟件硬件的影響，因此相比較傳統(tǒng)的視頻采集監(jiān)控系統(tǒng)，它具有高可靠性、組網(wǎng)方便、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，且便于安裝、維護(hù)，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，便于管理、維護(hù)。因而更適用于工業(yè)控制、銀行、政府部門的安防系統(tǒng)中。本文所介紹的是基于ARM920T內(nèi)核的S3C2410X開發(fā)板為基礎(chǔ)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)是基于嵌入式硬件平臺和Linux操作系統(tǒng)下進(jìn)行的，采用USB接口的攝像頭來進(jìn)行數(shù)字圖

8、像采集，利用MPEG-4視頻壓縮編碼方式，可以直接掛到以太網(wǎng)解碼播放。</p><p>　　二、系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計</p><p><b>　　1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　在基于嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)控應(yīng)用結(jié)構(gòu)中，前端采用模擬攝像機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器，將模擬視頻經(jīng)過數(shù)字化、壓縮、打包等過程變成基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的視頻流或采用一體化的網(wǎng)絡(luò)攝像

9、機(jī)，在視頻監(jiān)控的前端完成網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，視頻流通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，發(fā)送到視頻需求者。視頻的使用者可利用軟件進(jìn)行解碼，在PC機(jī)上進(jìn)行顯示和處理，也可通過硬件解碼，解出模擬視頻信號輸出到監(jiān)視器，利用鍵盤進(jìn)行控制，利用分布在網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器或其他類型的網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備根據(jù)需要進(jìn)行錄像，利用網(wǎng)管系統(tǒng)代替視頻矩陣。由于沒有監(jiān)控中心的概念，任何授權(quán)的用戶都可根據(jù)權(quán)限進(jìn)行視頻監(jiān)控、錄像。</p><p>　　在計算機(jī)設(shè)計中，硬件設(shè)計被

10、看作基礎(chǔ)，軟件設(shè)計被視為靈魂。由于嵌入式系統(tǒng)軟硬件是可裁減的，因此在嵌入式系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的確定，直接決定了軟件的編寫和運(yùn)行效率。本設(shè)計中硬件總體框架主要包括系統(tǒng)存儲電路，外圍接口電路，電源及復(fù)位電路等幾個部分，系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。</p><p>　　2、S3C2410X處理器概括</p><p>　　S3C2410X是Samsung公司推出的具有ARM920T內(nèi)核的16-/32-

11、bit的嵌入式微處理器，它的低功耗、精簡和全靜態(tài)設(shè)計特別適合對成本和功耗敏感的應(yīng)用。S3C2410X提供了豐富的片內(nèi)資源：獨(dú)立的16KB指令和16KB數(shù)據(jù)的緩存，用于虛擬內(nèi)存管理的MMU單元，LCD控制器（STN&TFT），非線性（NAND）FLASH的引導(dǎo)單元， 系統(tǒng)管理器（ 包括片選邏輯控制和SDRAM控制器），3個通道的異步串口（UART），4個通道的DMA，4個通道的帶脈寬調(diào)制（PWM）的定時器，輸入輸出端口，實(shí)時時鐘單

12、元（RTC），帶有觸摸屏接口的8個通道的10-bitADC，IIC總線接口，IIS總線接口，USB的主機(jī)單元，USB的設(shè)備接口，SD卡和MMC（multimedia card）卡接口，2個通道的SPI接口和鎖相環(huán)（PLL） 時鐘發(fā)生單元。MPLL產(chǎn)生主時鐘，能夠使處理器穩(wěn)定工作在200MHz，使其可以輕松運(yùn)行WinCE，Linux等嵌入式操作系統(tǒng)。S3C2410X支持從NAND Flash啟動，NAND Flash具有容量大，價格低等特

13、點(diǎn)。系統(tǒng)采用NAND Flash與SDROM組合</p><p><b>　　3、系統(tǒng)工作過程</b></p><p>　　本系統(tǒng)中采用了OV511芯片的網(wǎng)眼300CMOS攝像頭，基于S3C2410X處理器的開發(fā)板上加載USB及V4L驅(qū)動，并在此基礎(chǔ)上完成攝像頭的驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)圖像采集與壓縮，借助Mencoder編碼工具可以將多幅JEPG圖片合成AVI視頻流，并實(shí)現(xiàn)視頻回

14、放。最后，如果需要系統(tǒng)還可以通過以太網(wǎng)或UART口將保存的圖片和視頻流傳到指定位置，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)路監(jiān)控。</p><p>　　三、嵌入式Linux環(huán)境設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)選用開源的Linux操作系統(tǒng)，編譯環(huán)境采用交叉編譯調(diào)試的方式。嵌入式Linux由內(nèi)核Kernel采用2.4.18版本，根文件系統(tǒng)使用ramdisk。</p><p>　　1、搭建交叉編譯環(huán)境&

15、lt;/p><p>　　大多數(shù)的Linux 件開發(fā)都是以native方式進(jìn)行的，即本機(jī)開發(fā)、調(diào)試，本機(jī)運(yùn)行的方式。這種方式通常不適合于嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)，因?yàn)閷τ谇度胧较到y(tǒng)的開發(fā)，沒有足夠的資源在本機(jī)（即板上系統(tǒng)）運(yùn)行開發(fā)工具和調(diào)試工具。本系統(tǒng)編譯環(huán)境采用交叉編譯調(diào)試的方式。交叉編譯調(diào)試環(huán)境建立在宿主機(jī)（即一臺PC 機(jī)）上，我們這里采用的交叉編譯器為arm-linux-gcc，交叉編譯環(huán)境的建立需要許多的軟件模塊協(xié)

16、同工作，具體安裝不再贅述。</p><p>　　2、USB攝像頭在Linux下的驅(qū)動安裝</p><p>　　本系統(tǒng)選用OV511芯片的網(wǎng)眼300CMOS攝像頭，攝像頭想要正常運(yùn)行必須要有驅(qū)動程序的支持，Linux自帶該芯片的驅(qū)動，攝像頭的驅(qū)動加載采用的是編進(jìn)內(nèi)核的方法，具體操作為：</p><p>　?。?）在Linux的kernel目錄下執(zhí)行make menuc

17、onfig命令；</p><p>　　（2）選擇Multimedia device->下的Video for linux；</p><p>　　（3）在usb support->目錄下選擇support for usb和usb cameraov511 support；</p><p>　?。?）保存配置退出。</p><p>　　

18、經(jīng)過上面的操作就可以將攝像頭驅(qū)動加載到內(nèi)核里了，這樣攝像就可以正常的工作。</p><p>　　3、Linux內(nèi)核的定制與移植</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定的硬件平臺和實(shí)現(xiàn)特定功能的，對于用不到的功能沒有必要移植進(jìn)來占用嵌入式系統(tǒng)寶貴的資源，因此對Linux內(nèi)核進(jìn)行裁減是一件非常必要的事情。標(biāo)準(zhǔn)的2.4.18 Linux內(nèi)核還不支持S3C2410X處理器，要想內(nèi)核支持處理器

19、，需要打補(bǔ)丁，具體操作如下：</p><p>　　#tar xfzv linux-2.4.18.tar.gz</p><p>　　#gzip -dc patch-2.4.18-rmk6.gz</p><p>　　#gzip -dc patch-2.4.18-rmk6-swl.gz</p><p><b>　　#cd linux<

20、;/b></p><p>　　#patch -pl patch-2.4.18-rmk6</p><p>　　#patch -pl patch-2.4.18-rmk6-swl</p><p>　　此時內(nèi)核已經(jīng)支持處理器了，需要對內(nèi)核進(jìn)行配置輸入#make menuconfig，選擇需要的配置的選項(xiàng)，一定要選上為USB視頻采集提供口的V4L模塊。配置完后保存退出，

21、在通過內(nèi)核編譯，具體如下：</p><p><b>　　#make dep</b></p><p>　　#make zImage</p><p>　　#make modules</p><p>　　此時在目錄/arch/arm/boot下的zImage就是我們需要的內(nèi)核文件。</p><p>　　

22、4、根文件系統(tǒng)的建立</p><p>　　文件系統(tǒng)是Linux系統(tǒng)必備的一個部分，主要是一些系統(tǒng)文件和應(yīng)用文件存儲的地方，但是通常使用的PC上的文件系統(tǒng)包括很多功能，但是體積比較大通常有幾百兆之多，但是在嵌入式系統(tǒng)中要使用這樣的文件系統(tǒng)是不可能的，所以，嵌入式系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)是一個簡化版，包括必須的幾個目錄和文件，完成需要的功能即可。ramdisk是一個存在于內(nèi)存中的文件系統(tǒng)，由于它非常靈活而且可以壓縮，所以在嵌

23、入式系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)選擇ramdisk 作為根文件</p><p><b>　　系統(tǒng)。</b></p><p>　　四、視頻采集監(jiān)控軟件平臺的設(shè)計</p><p>　　1、基于V4L的視頻采集設(shè)計</p><p>　　Linux對于視頻采集設(shè)備的支持， 是通過Video4Linux實(shí)現(xiàn)的，通常可以簡稱為V4L

24、，現(xiàn)在較高版本的Linux內(nèi)核都已經(jīng)包含了V4L。Video4Linux是為各種電視卡、以及并口和USB接口的音、視頻采集設(shè)備提供同一的編程接口，在Linux下，視頻采集設(shè)備的正常使用依賴于對Video4Linux 標(biāo)準(zhǔn)的支持。它為針對視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)。Video4Linux編程中定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　typedef struct v4l_struct{</p&g

25、t;<p><b>　　int fd；</b></p><p>　　struct video_capability capability；</p><p>　　struct video_channel channel[4]；</p><p>　　struct video_picture picture；</p>&l

26、t;p>　　struct video_window window；</p><p>　　struct video_capture capture；</p><p>　　struct video_buffer buffer；</p><p>　　struct video_mmap mmap；</p><p>　　struct video_

27、mbuf mbuf；</p><p>　　unsigned char *map；</p><p>　　int frame；</p><p>　　int framestar[2]；</p><p>　　}v4l_device；</p><p>　　從上面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)看，想要完成USB的視頻數(shù)據(jù)采集，先要獲得相關(guān)視頻采集設(shè)備

28、的信息和圖像信息，同時需要對采集窗口、顏色模式、幀的狀態(tài)初始化，然后才能進(jìn)行視頻圖像的采集?；赩4L的視頻采集流程如圖2 所示。在Video4Linux編程中使用的函數(shù)簡單的介紹</p><p>　　（1）int v4l_open(char*dev，v4l_device*vd)；</p><p>　　打開視頻設(shè)備，該函數(shù)調(diào)用成功返回的文件描述符就代表了捕獲設(shè)備硬件。</p>

29、<p>　?。?）int v4l_get_capability(v4l_device *vd)； </p><p>　　讀取設(shè)備基本信息，利用ioct1()函數(shù)讀取structvideo_capability 中有關(guān)攝像頭信息。該函數(shù)成功返回后，將起存放vd->capability 中。調(diào)用程序如下：</p><p>　　i f ( i o c t 1 ( v d - &

30、gt; f d， VIDIOCGCAP， &(vd-</p><p>　　>capability))<0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　perror(“camera_get_capability：”)；</p><p>　　return -1；</p>&

31、lt;p><b>　　}</b></p><p>　?。?）int v4l_get_picture(v4l_device*vd)；</p><p>　　通過ioctl(vd_fd， VIDIOCGPIT，&(vd_picture))讀取攝像頭緩沖區(qū)中圖像屬性。調(diào)用程序如下：</p><p>　　if(ioct1(vd->fd

32、，VIDIOCGCAP，&(vd->picture))<0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　perror(“camera_get_picture：”)；</p><p>　　return -1；</p><p><b>　　}</b></p&g

33、t;<p>　?。?）v4l_grab_image(video_device *vd)； </p><p>　　獲取視頻圖像函數(shù)。本系統(tǒng)采用內(nèi)存映射法， 可以通過操作名為VIDIOCGCAPTURE和VIDIOCSYNC的ioct1()函數(shù)調(diào)用啟動捕獲過程，這樣就可以完成一幀完整圖像的捕獲并且保存到內(nèi)存映射區(qū)。</p><p><b>　　調(diào)用程序如下：</b

34、></p><p>　　vd->vmmap.frame=frame；</p><p>　　if(ioct1(vd->fd， VIDIOCGCAPTURE， &(vd-</p><p>　　>mmap))<0){</p><p>　　perror(“camera_get_picture：”)；</p&

35、gt;<p>　　return -1；</p><p><b>　　}</b></p><p>　　vd->frame_rsing[frame]=TRUE；</p><p>　　vd->frame_current=frame；</p><p>　　i f ( i o c t 1 ( v d -

36、> f d， VIDIOCSYNC， &(vd-</p><p>　　>frame_current))<0){</p><p>　　perror(“v4l_grab_sync”)；</p><p><b>　　}</b></p><p>　　vd->frame_using[vd->f

37、rame_current]=FALSE；</p><p>　?。?）int v4l_close(v4l_device *vd)；關(guān)閉設(shè)備。</p><p>　　int v4l_close(v4l_device *vd){</p><p>　　close(vd->fd)；</p><p><b>　　return 0；</

38、b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　2、視頻數(shù)據(jù)的壓縮</b></p><p>　　視頻壓縮技術(shù)被稱為新一代網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)。我們都知道未壓縮的捕獲來的原始圖像數(shù)據(jù)較大，本系統(tǒng)采集的圖像很多，因此必須對原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。新一代基于對象的編碼標(biāo)準(zhǔn)MIPEG-4 以高壓

39、縮率、高質(zhì)量成為目前網(wǎng)路多媒體傳輸?shù)闹饕袷胶蜆?biāo)準(zhǔn)</p><p>　　MPEG-4是MPEG于1998年制定的第二階段解碼方案，其開放的編碼系統(tǒng)，可隨時擴(kuò)展豐富的基于內(nèi)容的編碼算法，采用了包括小波變換等多種變換，可獲得更小的硬盤空間，更高的清晰度。特別是其對象分離的控制，交互性、重用性更強(qiáng)，基于內(nèi)容的分級擴(kuò)展，保證了同時在低高帶寬下的最佳畫面質(zhì)量。</p><p>　　MPEG-4在64

40、Kbit/s以下的低速率視音頻編碼十分有效，因此基于MPEG-4的實(shí)時傳輸技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)流媒體傳輸技術(shù)是必要和有意義的。所以本系統(tǒng)選用MPEG-4視頻壓縮編碼方式。其圖像壓縮編碼的過程概括如下：首先對視頻序列進(jìn)行分析，從原始圖像中分割出各個視頻對象。其中包括利用中值濾波對原始視頻/圖像進(jìn)行簡化、對視頻/圖像進(jìn)行特征提取、確定分割決策等。然后針對不用的視頻對象VO采用不同的編碼策略，利用VOP視頻編碼技術(shù)對視頻對象進(jìn)行編碼。最后各個視頻對象

41、的碼流進(jìn)行復(fù)合后輸出。</p><p>　　MPEG-4視頻壓縮編碼環(huán)境建立的具體步驟如下：</p><p>　?。?）解壓xvidcore軟件的源代碼：</p><p>　　#tar-jxvf xvidcore-1.1.0-beta2.tar.bz2；</p><p>　?。?）執(zhí)行配置命令生成makefile文件并修改安裝路徑：</

42、p><p>　　#CC=arm-linux-gcc./configure-disable-assemblyprefix=/</p><p>　　home/myproject；</p><p>　?。?）通過#make，#make install安裝動態(tài)連接庫，安裝目錄為/home/myproject/lib；</p><p>　?。?）將生成的庫

43、文件拷貝到交叉編譯器的工作目錄下。</p><p>　　3、視頻數(shù)據(jù)傳輸和播放</p><p>　　基于Linux系統(tǒng)的USB攝像頭視頻采集系統(tǒng)編程完成以后。系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)每秒規(guī)定幀的圖像的采集了，可以直接連續(xù)顯示到屏幕上構(gòu)成實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)了，也可以借助Mencoder編碼工具可以將多幅JEPG圖片合成AVI視頻流，并實(shí)現(xiàn)視頻回放。用播放器播放出去。如果需要系統(tǒng)還可以通過以太網(wǎng)或UART口將

44、保存的圖片和視頻流傳到指定位置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的網(wǎng)路監(jiān)控具體的操作我們這里就不詳細(xì)介紹了。</p><p><b>　　4、控制系統(tǒng)</b></p><p>　　目前很多監(jiān)控系統(tǒng)采用 Windows操作系統(tǒng)，因?yàn)閃indows提供大量的圖形界面，有各種外部設(shè)備及應(yīng)用程序，所以系統(tǒng)的開發(fā)就容易很多。但Windows系統(tǒng)龐大復(fù)雜，占用CPU資源大，外圍硬件較為復(fù)雜，穩(wěn)定性、可靠

45、性不如 RTOS系統(tǒng)。為監(jiān)控專門設(shè)計的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的特點(diǎn)在于系統(tǒng)簡單，去掉了與監(jiān)控?zé)o關(guān)的功能，減少了出問題的幾率。由于開發(fā)者掌握源代碼，可隨時解決硬件沖突及優(yōu)化系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶對前端設(shè)備如鏡頭、云臺和畫面切換的控制。服務(wù)器在接收到由客戶中心監(jiān)控終端發(fā)送過來的控制信息幀后，對其進(jìn)行判斷解析，并送入各個相應(yīng)的控制部件接口，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。</p><p><b>　　五、結(jié)束語</b&

46、gt;</p><p>　　本文提出了一種基于ARMLinux嵌入式S3C2410X微處理器的實(shí)時視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 該系統(tǒng)通過利用Video4Linux完成了圖像采集的功能，采集完的圖像經(jīng)過MPEG-4的編碼壓縮，得到了較高的壓縮比。Web服務(wù)器直接連入網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸，沒有線纜長度和信號衰減的限制，同時網(wǎng)絡(luò)是沒有距離概念的，徹底拋棄了地域的概念，擴(kuò)展了布控區(qū)域?？蛻舳耸盏骄W(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)包，在本地對數(shù)據(jù)包

47、進(jìn)行實(shí)時解碼和播放，也可以將數(shù)據(jù)包掛到網(wǎng)絡(luò)上面去實(shí)現(xiàn)實(shí)時解碼和播放。整個系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定可靠、安裝簡便、成本低廉等特點(diǎn)，無需專人管理，非常適合于無人值守的環(huán)境。隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求會越來越高。相信該系統(tǒng)在工業(yè)控制、可視電話、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><

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