視頻監(jiān)控程序設(shè)計說明書

1、視頻監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計說明書1引言編寫目的本文主要說明視頻監(jiān)控系統(tǒng)的詳細設(shè)計與實現(xiàn)。本文詳細介紹了系統(tǒng)中各個模塊的設(shè)計與實現(xiàn)細節(jié)以及關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。其中，對每一個模塊會有相應(yīng)的文字說明以及相關(guān)設(shè)計流程圖給出。項目背景本項目是對本實驗課程中所介紹的課程的綜合應(yīng)用。本項目主要針對unix/linux系統(tǒng)編程和基于C+語言的GUI程序設(shè)計-QT進行針對性訓(xùn)練。旨在加強學(xué)生對unix/linux系統(tǒng)編程的理解和應(yīng)用，提高學(xué)生的實踐能力、編程能力以及分析問題和解決問題的能力。并且通過對本系統(tǒng)中客戶端的設(shè)計和實現(xiàn)，讓學(xué)生體會和熟悉面向?qū)ο缶幊痰乃枷牒鸵话惴椒?。定義本系統(tǒng)=視頻監(jiān)控系統(tǒng)本文=視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計說

2、明書2總體設(shè)計需求概述本系統(tǒng)是基于C/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要由負責(zé)圖形采集和傳輸?shù)腟erver端和負責(zé)監(jiān)控（顯示圖像）的Client端構(gòu)成。本系統(tǒng)Server端是基于Linux系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類軟件，主要由數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集部分利用v4l2（videoforlinuxII）對網(wǎng)絡(luò)攝像頭進行控制和訪問并且獲取由攝像頭捕獲到的視頻數(shù)據(jù)，然后再由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部分將獲取到的視頻數(shù)據(jù)進行封裝成http幀并利用http協(xié)議發(fā)送到客戶端。由于本系統(tǒng)Server端的數(shù)據(jù)發(fā)送是基于http協(xié)議的，所以本系統(tǒng)客戶端沒有平臺限制，只要支持以上的平臺就可以訪問本系統(tǒng)的服務(wù)。而且，本系統(tǒng)服務(wù)可以直

3、接通過web瀏覽器訪問（對firefox瀏覽器支持最佳）。為了提高傳輸效率我們還需要進行客戶端軟件的開發(fā)，由于對客戶端沒有平臺要求，所在Windows、Linux、Android、等平臺都可以實現(xiàn)。本文主將以linux為例用Qt實現(xiàn)一個簡易的客戶端軟件。軟件結(jié)構(gòu)serverclientdatacapturevideoservicedevicdconfigcreateservergetdatawaitconnectmovedatadatatransfer圖視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3程序描述Server:數(shù)據(jù)采集功能配置設(shè)備并從設(shè)備中獲取圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)備信息利用v4I2(videoforlinuxII

4、)通過ioctl對USB攝像頭進行配置，打開設(shè)備抓取功能開始采集并轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)，采集完畢以后關(guān)閉設(shè)備功能，最后關(guān)閉設(shè)備。技術(shù)概要本模塊涉及到大量的對于設(shè)備的I/O操作，主要通過videoforlinuxII(v4l2)框架對設(shè)備進行設(shè)置和控制。其中包括一些特殊的結(jié)構(gòu)體屬性的賦值以及一些特殊控制標(biāo)記的實際意義需要詳細查閱V4I2提供的AP。程序邏輯本節(jié)主要以流程圖的方式介紹Server端數(shù)據(jù)采集模塊的主要程序邏輯設(shè)計。開始開始end圖Server端數(shù)據(jù)采集流程圖圖主要描述了服務(wù)端數(shù)據(jù)采集部分的主要流程和編程步驟。下面將對每一個步驟進行詳細的介紹：1打開設(shè)備：打開視頻設(shè)備（這里指我們的USB攝像頭）。

5、利用linux系統(tǒng)提供的接口函數(shù)open來對設(shè)備進行打開的操作。圖對這一過程進行了詳細的描述。2查詢設(shè)備信息（或者叫獲取設(shè)備信息）：查詢設(shè)備驅(qū)動相關(guān)信息以及和視頻采集相關(guān)的參數(shù)，根據(jù)獲取到的信息初步判斷設(shè)備類型以及將要處理的數(shù)據(jù)類型。利用ioctl函數(shù)以及v4l2提供的v4l2_capbility和v4l2_format兩個結(jié)構(gòu)體來保存獲取到的設(shè)備驅(qū)動信息和幀信息。詳細流程見圖。VIDIOC_G_FMT等屬性的含義需查詢V4I2提供的AP。fd=-1、ffd=open()start圖打開設(shè)備子圖2structv4l2_capabilitycapstructv4l2formatfmtw1mems

6、et(&cap,0,sizeof(cap);memset(&fmt,0,sizefo(fmt);=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE=V4L2_FIELD_ANYgetinfo:圖獲取設(shè)備信息子圖3. 設(shè)置采集方式設(shè)置視頻設(shè)備（這里指USB攝像頭）的采集方式，例如采集圖像的分辨率，幀的采集速率（既每秒采集幀的數(shù)量）等選項的設(shè)置。用到v4l2中的v4l2_format和v4l2_streamparm兩個結(jié)構(gòu)體以及VIDIOC_S_PARM口VIDIOC_SFMT兩個標(biāo)記，相關(guān)介紹請查閱v4l2框架的API信息。實現(xiàn)步驟詳見圖。/本模塊用到的宏定義#defineWIDTH320

7、structv4l2_formatfmt2#defineHEIGTH240structv4l2_streamparmparm#defineFPS5memset(&parm,0,sizeof(parm);memset(&fmt,0,sizefo(fmt);=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE=V4L2_FIELD_ANY=WIDTH圖設(shè)置采集方式子圖4. 申請緩存向驅(qū)動申請幾塊緩沖區(qū)（此處緩沖區(qū)是由內(nèi)核管理的，所以需要申請），用來存放設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)。用到v4l2中的v4l2_requestbuffer結(jié)構(gòu)體和VIDIOC_REQBUF標(biāo)記來向設(shè)備驅(qū)動申請緩沖區(qū)。實現(xiàn)步驟詳見

8、圖structv4l2_requestbuffer3rb/本模塊用到的宏定義/表示申請緩沖區(qū)的數(shù)量#defineNB_BUFFER5memset(&rb,0,sizeof(rb);=NB_BUFFER=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE=V4L2_MEMORY_MMAPioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&rb)NerrorYreturn4圖申請緩存子圖5. 設(shè)置緩存屬性對申請到的緩存進行設(shè)置，包括設(shè)置緩存的訪問方式（使用內(nèi)存映射訪問方式），對緩存進行映射，建立緩存隊列。4structv4l2_bufferbufunsignedchar*mem_listmem_

9、list=(uchar*)calloc(NB_BUFFER,sizeof(uchar);inti=0;圖設(shè)置緩存子圖5.處理數(shù)據(jù)通過對設(shè)備設(shè)置VIDIOC_STREAMO和VIDIOC_STREAMOF來控制設(shè)備開始/停止采集數(shù)據(jù)，在設(shè)置開始和停止之間通過對緩存的輪換讀取獲得設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)并對其進行處理（這里的數(shù)據(jù)處理主要做對圖像壓縮和傳輸兩部分工作會在后面做詳細介紹）。通過利用VIDIOC_QBU和VIDIOC_DQBU兩個控制位來對緩沖隊列進行入/出隊列的控制，從而獲得設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)。詳見圖。5structv4l2_bufferbufmemset(&buf,0,sizeof(buf);

10、=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE=V4L2_MEMORY_MMAPioctl(fd,VIDIOC_STREAMON,&buf)數(shù)據(jù)處理ioctl(fd,VIDIOC_STREAMON,&buf)Nerror圖數(shù)據(jù)處理子圖Server:數(shù)據(jù)處理功能完成圖像壓縮，建立web服務(wù)供客戶端訪問。對攝像頭采集到的數(shù)據(jù)進行一次huffman編碼把圖片轉(zhuǎn)換成jpeg或者jpg格式（這個步驟也可以在客戶端完成，但是瀏覽器不支持此種實現(xiàn)）。建立一個基于TCP/IP的web服務(wù)器，當(dāng)有客戶端連接本服務(wù)時利用HTTP協(xié)議發(fā)送轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)技術(shù)概要本模塊主要涉及到對原始圖像數(shù)據(jù)的壓縮以及基于C語

11、言的網(wǎng)絡(luò)和多線程的編程。關(guān)于圖像壓縮的部分在本項目中不做研究所以只是簡單的調(diào)用已有接口。對于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能以及多任務(wù)的處理功能的實現(xiàn)都是本項目要涉及到的重要內(nèi)容，這里需要對基于C語言的TCP編程和多線程編程比較熟悉，可以參考UNIX環(huán)境高級編程。程序邏輯本模塊的作用實際是上一個模塊中的“數(shù)據(jù)處理”部分。由于設(shè)備采集到到的每一幀數(shù)據(jù)經(jīng)過huffman編碼以后會變成一張完整的圖片，所以我們在下面發(fā)送數(shù)據(jù)的部分要做一個簡單的封裝，下面分別給出程序流程圖（圖）和數(shù)據(jù)封裝格式（圖）。startYendContent-type:typeContent-length:length空行圖數(shù)據(jù)處理http響應(yīng)頭：

12、boundary幀頭部圖片數(shù)據(jù)boundary幀頭部圖片數(shù)據(jù)boundaryJFContent-type:typeContent-length:lengthi空行圖服務(wù)端幀封裝結(jié)構(gòu)Client:獲取數(shù)據(jù)功能向服務(wù)器發(fā)送請求，根據(jù)服務(wù)器的響應(yīng)信息接收數(shù)據(jù)并根據(jù)響應(yīng)信息按照一定的格式接收數(shù)據(jù)。與服務(wù)器建立基于TCP的連接，向服務(wù)器發(fā)送http請求，接收服務(wù)器返回的響應(yīng)信息，技術(shù)概要本模塊主要涉及到基于TCP的客戶端編程，關(guān)于各戶端編程的方法比較靈活，在語言框架選擇方面也比較廣泛，像JavaGUIMFC、QT等都可以實現(xiàn)。在這里我們QT為例來實現(xiàn)客戶端程序。程序邏輯這里主要涉及到TCP客戶端編程和對

13、服務(wù)器數(shù)據(jù)分較程式化有統(tǒng)一的編程步驟和一般流程，數(shù)據(jù)分割需要根據(jù)服務(wù)端數(shù)據(jù)發(fā)送情況的來確定。絡(luò)編程流程割，TCP客戶端的編程比TCP網(wǎng)絡(luò)編程流程（圖）和數(shù)據(jù)分割步驟（圖圖TCP網(wǎng)ocket()socket。bind()listen()I?從socket中讀取一行onnect()SERVERrecl三次握CLIENTrite()accept()ad()Nite()Yose()ose()start圖客戶端數(shù)據(jù)分割流程Client:顯示功能通過信號控制QT控件刷新圖片。我們看到連續(xù)的圖像是由一張一張的單獨的圖片不斷刷新形成的，所以本模塊主要功能是接收上一模塊的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號后將新的圖像數(shù)據(jù)加載到控件并刷新控件，從而形成連續(xù)的圖像。技術(shù)概要本模塊主要涉及到QT的編程和使用，包括對一些控件的控制和線程控制由于循環(huán)顯示圖像時候會阻塞圖形界面，所以用