基于ARM平臺的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究

1、    基于ARM平臺的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究摘要介紹了一種基于S3C24401硬件平臺和嵌入式Linux操作系統(tǒng)2的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各部分功能特點(diǎn)，對系統(tǒng)視頻采集，MPEG-4壓縮的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出關(guān)鍵功能的軟件實(shí)現(xiàn)方法，與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)比較，該方案具有體積小，成本低，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞視頻采集；MPEG-4編碼；嵌入式Linux；驅(qū)動程序引言視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)的組成部分，它是一種防范能力較強(qiáng)的綜合摘要 介紹了一種基于S3C24401硬件平臺和嵌入式Linux操作系統(tǒng)2的遠(yuǎn)程

2、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各部分功能特點(diǎn)，對系統(tǒng)視頻采集，MPEG-4壓縮的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出關(guān)鍵功能的軟件實(shí)現(xiàn)方法，與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)比較，該方案具有體積小，成本低，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞 視頻采集；MPEG-4編碼；嵌入式Linux；驅(qū)動程序引言    視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)的組成部分，它是一種防范能力較強(qiáng)的綜合系統(tǒng)?，F(xiàn)今監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)步入了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化時代，即視頻從前端圖像采集設(shè)備輸出時即為數(shù)字信號，并以網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介，基于TCP/IP協(xié)議，采用流媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻在網(wǎng)上的多路復(fù)用傳輸。使用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程

3、視頻監(jiān)控技術(shù)，符合網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化的特點(diǎn)，對公安、安防等行業(yè)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。    視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用基于PC機(jī)平臺視頻采集卡的形式，該方案系統(tǒng)體積大、成本高，在遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)困難。本設(shè)計采用三星公司的S3C24401硬件平臺（CPU模塊化的結(jié)構(gòu)，較好滿足系統(tǒng)的需要。1.系統(tǒng)硬件設(shè)計    系統(tǒng)主要由視頻采集和傳輸部分組成。有嵌入式處理器、CMOS圖像傳感器、存儲器、以太網(wǎng)接口、串口、及電源管理電路。嵌入式處理器是韓國三星公司的基于ARM920T內(nèi)核的16/32 位RISC嵌入式微處理器（型號：S3C2440），主要面向高性

4、價比、低功耗的應(yīng)用。為了處理圖像數(shù)據(jù)，CPU的工作頻率可達(dá)400MHz。S3C2440的資源包括LCD控制器，SDRAM控制器，攝像頭接口，3路串行接口，IIC BUS接口，USB接口，觸摸屏接口。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了相關(guān)的擴(kuò)展，配置了32M Flash ROM和256MB SDRAM。在嵌入式處理器的控制下，CMOS圖像傳感器(片上)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)幀同步信號觸發(fā)產(chǎn)生中斷后被拷貝到SDRAM，經(jīng)過MPEG-4編碼后由網(wǎng)口發(fā)送到遠(yuǎn)端監(jiān)控中心顯示，系統(tǒng)框圖如圖一所示。1.1視頻采集模塊的設(shè)計     圖像傳感器接口電路是硬件設(shè)計的關(guān)鍵部分，如何

5、有效的采集數(shù)據(jù)也是系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。視頻采集模塊采用OV9640圖像傳感器3，它是一款高集成度、高分辨率（1280*960）的CMOS傳感芯片，內(nèi)部集成了時序電路，模擬信號處理電路，數(shù)字信號處理電路。該芯片支持RGB(4:2:2)，YUV(4:2:2),YCrCb(4:2:2)數(shù)據(jù)輸出格式，內(nèi)置138個設(shè)備控制寄存器，地址分    別從0x00到0x8A,通過SCCB（Serial Camera Control Bus）接口可以方便的設(shè)置傳感器視窗大小、增益、白平衡校正、曝光控制、飽和度、色調(diào)等。由于S3C2440芯片有一個專用的視頻接口，所以CPU可以直接和CMO

6、S圖像傳感器連接。圖像傳感器輸出的數(shù)據(jù)及控制信號包括像素時鐘(PCLK)、水平參考(HREF)、幀同步(VSYNC)和數(shù)據(jù)總線(D0-D7)，分別和主處理器的相應(yīng)信號相連。PCLK與HREF在處理器內(nèi)部相與后產(chǎn)生有效的像素時鐘信號，在有效時鐘信號的上升沿或下降沿將數(shù)據(jù)鎖定4。模塊和S3C2440接口電路如圖二所示。在OV9640圖像傳感器中，如果輸出YUV格式5，要用到數(shù)據(jù)線的Y2-Y9；如果輸出RGB格式，則要用數(shù)據(jù)線Y0-Y9。本設(shè)計中采用了YUV格式。圖二 視頻采集模塊接口1.2網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計    在S3C2440芯片上無網(wǎng)絡(luò)接口，為了實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)調(diào)試時，下

7、載操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)映像，及在系統(tǒng)運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ埽栽谙到y(tǒng)中擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口模塊（DM90000）。該芯片為10M/100M以太網(wǎng)物理層芯片，具有通用的處理器接口。模塊與2440接口如圖三所示：其中CMD為命令類型引腳，在高電平時為數(shù)據(jù)周期，在低電平時為地址周期?？赏ㄟ^CMD與數(shù)據(jù)總線訪問內(nèi)部54個控制及狀態(tài)寄存器。當(dāng)AS9-AS8設(shè)置成高，SA7設(shè)置成低，SA6-4與TXD2-0匹配時，DM90000由AEN引腳唯一控制是否被選中。此外，DM9000工作在正常模式，TEST1-4依次為1、1、0、0。為了保證DM90000收發(fā)正常，還要加上25M的晶振。2.系統(tǒng)的軟件設(shè)

8、計2好后，主要工作就變成在操作系統(tǒng)下編寫驅(qū)動程序。在這里我們著重介紹OV9640的驅(qū)動程序的開發(fā)及MPEG-4編碼的實(shí)現(xiàn)。圖三：以太網(wǎng)模塊接口2.1 OV9640驅(qū)動的開發(fā)6    在Linux下編寫OV9640 CMOS圖像傳感器驅(qū)動，首先要初使化OV9640。通過SCCB總線設(shè)置OV9640的工作模式，各種參數(shù)，分配連續(xù)內(nèi)存空間，容量與采集圖像的點(diǎn)陣數(shù)相匹配。然后用request_irq()函數(shù)為OV9640登記中斷，其中斷號為06。當(dāng)S3C2440捕捉到VSYNC信號時觸發(fā)中斷，把一幀圖像數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間。如此反復(fù)，視頻數(shù)據(jù)源源不斷的被采集到SDRAM。軟

9、件流程如圖四所示。                       圖四 讀取OV9640數(shù)據(jù)流程     我們知道，用戶進(jìn)程是通過設(shè)備文件同硬件打交道，對設(shè)備文件的操作就是一些系統(tǒng)調(diào)用。要想把系統(tǒng)調(diào)用和設(shè)備驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來，必須用到一個非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：struct file_operations 。因此編寫設(shè)備驅(qū)動的主要工作就是編寫數(shù)據(jù)

10、結(jié)構(gòu)中定義的子函數(shù)，并填充file_operations的各個域。    攝像頭file_operations的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下static struct file_operations cam_fops =  owner  :  THIS_MODULE,    open   :  cam_open,    read   :  cam_read,    ioctl  : 

11、 cam_ioctl,    release : cam_release,；    編寫好成員函數(shù)后，接下來編寫module_init()和module_exit()。module_init()是驅(qū)動程序的入口，當(dāng)用insmod命令加載模塊時自動運(yùn)行。此函數(shù)中包括初使化CMOS圖像傳感器分配連續(xù)內(nèi)存地址空間注冊設(shè)備文件登記中斷。module_exit()函數(shù)在rmmod卸載模塊時調(diào)用。函數(shù)功能包括釋放內(nèi)存空間釋放中斷注銷設(shè)備文件。    至此，驅(qū)動模塊編寫好了，編譯加載后，我們就可以像操作普通文件一樣對攝

12、像頭進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)了2.2基于MPEG4的數(shù)據(jù)壓縮算法的實(shí)現(xiàn)7壓縮標(biāo)準(zhǔn)    數(shù)字視頻流的數(shù)據(jù)量是巨大的,以QVGA圖像，每秒20幀為例，每秒鐘的數(shù)據(jù)量為2.92M,假設(shè)系統(tǒng)有十路傳感器，如果不經(jīng)過壓縮，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)上的多路復(fù)用傳輸是相當(dāng)困難的，為了系統(tǒng)可靠的運(yùn)行，本設(shè)計采用高壓縮率的MPEG-4視頻壓縮編碼。MPEG-4最顯著的特點(diǎn)是基于內(nèi)容的編碼方法，即把一段視頻序列看成有不同的視頻對象VO組成，編碼器根據(jù)實(shí)際情況對各個視頻對象面VOP進(jìn)行編碼,其最大壓縮率可達(dá)到100:1。    XVID是一種開源的MPEG-4視頻編碼軟件，是目

13、前所有開源視頻編碼軟件中比較優(yōu)秀的一個，它嚴(yán)格按照GPL發(fā)布，圖像質(zhì)量可以達(dá)到DVD    經(jīng)過測試，XVID的壓縮比是很高的，可達(dá)到20:1，最重要的是編碼速度快，壓縮解壓后的圖像質(zhì)量稍有降低，完全可以達(dá)到實(shí)用的要求。3.結(jié)束語利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控符合數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，具有布線集中，設(shè)備簡單，體積小，成本低等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控方案比較有不可比擬的優(yōu)越性。前端采集部分采用S3C2440微處理器，利用其自身提供的視頻接口，圖像采集的速度完全可以達(dá)到動態(tài)顯示的要求（在400M的時鐘頻率下，QVGA圖像可以達(dá)到20幀/秒的顯示速率）。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：采用圖像壓縮編碼和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的多路復(fù)用傳輸。監(jiān)控端采用基于MPEG-4的視頻對象分割方法，利用相鄰幀視頻對象的差異，實(shí)現(xiàn)智能報警的功能。該系統(tǒng)性價比較高，使用方便，值得推廣使用。4.參考文獻(xiàn)1S3C2440X RISC MICROPROCESSO