基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘要隨著計算機技術和圖像處理技術的開展，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛應用。隨著嵌入式技術和網(wǎng)絡技術的開展，出現(xiàn)了基于嵌入式和Internet的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。介紹了基于ARM微處理器的嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成，著重闡述了監(jiān)控系統(tǒng)的原理、設計方案，硬件模塊和軟件模塊的實現(xiàn)方法。關鍵字：嵌入式系統(tǒng)；遠程監(jiān)控；圖像處理；IP組播；數(shù)據(jù)壓縮一、前言監(jiān)控系統(tǒng)作為現(xiàn)代企業(yè)不可缺少的重要組成局部，已廣泛應用于交通、醫(yī)院、銀行、家居、視頻會議和視頻點播、證券、遠程教等諸多領域，可以有效地防止平安隱患的發(fā)生，保障員工人身平安和企業(yè)資產(chǎn)不受損失，實現(xiàn)無人值守。早期的模擬監(jiān)控系統(tǒng)不能聯(lián)網(wǎng)，只能與監(jiān)控中心進行點對點通信，隨著圖像與視頻處理技術、網(wǎng)絡技術和自動控制技術的開展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已過渡到數(shù)字化的網(wǎng)絡監(jiān)控。它以數(shù)字視頻的壓縮、傳輸、存儲和播放為核心，采用先進的數(shù)字圖像壓縮編／解碼技術和傳輸技術，將智能圖像處理與識別技術用于圖像顯示、調(diào)整、跟蹤，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境智能調(diào)節(jié)攝像機的位置及清晰度，對物體進行跟蹤識別，對圖像進行分析和處理。此視頻監(jiān)控系統(tǒng)是通過在某些地點安裝攝像頭等視頻采集設備對現(xiàn)場進行拍攝監(jiān)控，然后通過一定的傳輸網(wǎng)絡將視頻采集設備采集到的視頻信號傳送到指定的監(jiān)控中心，視屏信號送往基于三星S3C2440芯片作為處理效勞器，外接LCD屏做為顯示端.但就監(jiān)控業(yè)界而言，系統(tǒng)組成一直沒得到明確的劃分，這使工程商和用戶之間談到視頻監(jiān)控系統(tǒng)時溝通很不方便。對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)各局部功能的不同，我們將整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)劃分為七層——表現(xiàn)層、控制層、處理層、傳輸層、執(zhí)行層、支撐層、采集層。當然，由于設備集成化越來越高，對于局部系統(tǒng)而言，某些設備可能會同時以多個層的身份存在于系統(tǒng)中。1、表現(xiàn)層表現(xiàn)城是我們最直觀感受到的，它展現(xiàn)了整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)的品質(zhì)。如監(jiān)控電視墻、監(jiān)視器、高音報警喇叭、報警自動駁接等等都屬于這一層。2、控制層控制層是整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它是系統(tǒng)科技水平的最明確表達。通常我們的控制方式有兩種——模擬控制和數(shù)字控制。模擬控制是早期的控制方式，其控制臺通常由控制器或者模擬控制矩陣構(gòu)成，適用于小型局部視頻監(jiān)控系統(tǒng)，這種控制方式本錢較低，故障率較小。但對于中大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，這種方式就顯得操作復雜且無任何價格優(yōu)勢了，這時我們更為明智的選擇應該是數(shù)字控制。數(shù)字控制是將工控計算機作為監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，它將復雜的模擬控制操作變?yōu)楹唵蔚氖髽它c擊操作，將巨大的模擬控制器堆疊縮小為一個工控計算機，將復雜而數(shù)量龐大的控制電纜變?yōu)橐桓芯€。它將中遠程監(jiān)控變?yōu)槭聦?、為Internet遠程監(jiān)控提供可能。但數(shù)字控制也不是那么十全十美，控制主機的價格十分昂貴、模塊浪費的情況、系統(tǒng)可能出現(xiàn)全線崩潰的危機、控制較為滯后等等問題仍然存在。3、處理層處理層或許該稱為音視頻處理層，它將有傳輸層送過來的音視頻信號加以分配、放大、分割等等處理，有機的將表現(xiàn)層與控制層加以連接。音視頻分配器、音視頻放大器、視頻分割器、音視頻切換器等等設備都屬于這一層。4、傳輸層傳輸層相當于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的血脈。在小型視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，我們最常見的傳輸層設備是視頻線、音頻線，對于中遠程監(jiān)控系統(tǒng)而言，我們常使用的是射頻線、微波，對于遠程監(jiān)控而言，我們通常使用Internet這一廉價載體。值得一提的是，新出現(xiàn)的傳輸層介質(zhì)——網(wǎng)線光纖。大多數(shù)人在數(shù)字安防監(jiān)控上存在一個誤區(qū)，他們認為控制層使用的數(shù)字控制的視頻監(jiān)控系統(tǒng)就是數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)了，其實不然。純數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)一定是網(wǎng)線或光纖。信號從采集層出來時，就已經(jīng)調(diào)制成數(shù)字信號了，數(shù)字信號在目前已趨成熟的網(wǎng)絡上跑，理論上是無衰減的，這就保證遠程監(jiān)控圖像的無損失顯示，這是模擬傳輸無法比較的。當然，高性能的回報也需要高本錢的投入，這是純數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)無法普及最重要的原因之一5、執(zhí)行層指令的命令對象，在某些時候，它和我們后面所說的支撐誠、采集層不太好截然分開，我們認為受控對象即為執(zhí)行層設備。比方：云臺、鏡頭、解碼器、球等等6、支撐層顧名思義，支撐層是用于后端設備的支撐，保護和支撐采集層、執(zhí)行層設備。它包括支架、防護罩等等輔助設備。7.采集層采集層是整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)品質(zhì)好壞的關鍵因素，也是系統(tǒng)本錢開銷最大的地方。它包括鏡頭、監(jiān)控攝像報警傳感器等等。二、數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成監(jiān)控中心具有電視墻、磁盤陣列、效勞器、交換機和路由器等網(wǎng)絡設備，還可以通過多級級聯(lián)構(gòu)成多級監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控站點主要由視頻效勞器和攝像機組成，整個系統(tǒng)組網(wǎng)靈活；可以突破地域限制，進行大規(guī)模、遠距離的實時圖像監(jiān)控和報警處理。如圖1所示。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件包括客戶端、效勞器端軟件兩局部以及相互之間的通信。在實際工作中，根據(jù)實際情況，在需要的地方安裝相應的前端監(jiān)控設備(彩色或黑白攝像機、固定或活動云臺、定焦或變焦)和相應的軟件系統(tǒng)。三、視頻效勞器的硬件實現(xiàn)圖1中的每個監(jiān)控站點主要由攝像頭、云臺控制器、網(wǎng)絡視頻效勞器組成，可配置可變鏡頭、麥克風、揚聲器等外設，如圖2所示。其中網(wǎng)絡視頻效勞器以嵌入式微處理器為核心，由視頻采集編碼模塊、網(wǎng)絡功能模塊、實時時鐘模塊、攝像頭云臺控制模塊等組成。3．1嵌入式微處理器嵌入式微處理器是硬件局部的核心，采用SAMSUNG的微處理$3C4510B該微處理器內(nèi)置了ARM公司設計的16／32位ARMTTDMI內(nèi)核，可以執(zhí)行32位的ARM指令或16位的Thumb指令，操作頻率最高達50MHz，專為以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的集線器和路由器而設計，提供了8K字節(jié)的Cache和以太網(wǎng)控制器，內(nèi)置2通道的HDLC(高級數(shù)據(jù)鏈路控制)，2個UART(通用異步收發(fā))通道，32位定時器和18個通用可編程I／O端口具有低成和高性能的特點。3．2云臺控制器云臺控制器配有標準RS232接口，與視頻效勞器的串口相連，由視頻效勞器對云臺進行控制。監(jiān)控中心或授權用戶可以通過網(wǎng)絡發(fā)送命令給視頻效勞器，通過視頻效勞器上的RS232串口，發(fā)送控制指令給云臺控制器，控制云臺中各個電源開關的開合，從而實現(xiàn)對云臺上、下、左、右、自動等動作的控制以及攝像頭的變焦、變倍、拉伸等的控制。3．3視頻采集壓縮模塊設計視頻采集壓縮模塊由視頻數(shù)據(jù)采集和視頻數(shù)據(jù)壓縮兩局部組成。視頻數(shù)據(jù)采集芯片選用Omnivition公司的彩色數(shù)字圖像傳感器OV7620，負責采集攝像機發(fā)送來的模擬視頻數(shù)據(jù)并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將處理后的數(shù)字化視頻YUV數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)緩沖器1。該芯片支持VGA／QVGA兩種格式的圖像，最高像素達326688：幀速率可達30fps，數(shù)據(jù)格式包括YCrCb4：2：2，GRB4：2：2，RGBRawData三種，可調(diào)節(jié)圖像的亮度、比照度、飽和度等，支持CCIR601，CCIR656，ZVport等數(shù)字視頻接El，在功能及圖像品質(zhì)上到達要求。視頻數(shù)據(jù)壓縮局部的功能是從數(shù)據(jù)緩沖存儲器1中讀出YUV格式的視頻數(shù)據(jù)，進行MPEG4格式的壓縮，然后通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)存儲到另一個緩沖存儲器2中，由$3C4510B進行處理。該壓縮芯片采用美國Vweb公司生產(chǎn)的VW2023，這是一種常用的實時視音頻壓縮／解壓縮芯片，兼容MPEG一1、2、4，H．263標準，具有很高的實用性和性價比，計算能力強大，可以以每秒25幀或30幀的采樣速度對視頻信號進行實時、動態(tài)的捕獲和壓縮。VW2023芯片在圖像壓縮完成后或當數(shù)據(jù)緩沖存儲器半滿時，會產(chǎn)生中斷，通知系統(tǒng)圖像壓縮任務己經(jīng)完成，或者緩沖區(qū)等待取走數(shù)據(jù)，以便存儲新的數(shù)據(jù)。3．4網(wǎng)絡接口模塊設計網(wǎng)絡接口模塊負責與遠程的通信，接收遠程發(fā)送來的控制命令，或?qū)嚎s處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡中，它直接由$3C4510B芯片內(nèi)集成的10／100M以太網(wǎng)接口控制器與以太網(wǎng)接口芯片RTL8201以及RJ45網(wǎng)絡接口組成。以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口(Physi—calLayer,PHY)兩大局部構(gòu)成。$3C4510B內(nèi)嵌一個以太網(wǎng)MAC控制器，支持媒體獨立接口(MediaIndependentInterface，MII)和帶緩沖的DMA接口，但并未提供物理層接口，故需外接網(wǎng)絡協(xié)議芯片作為以太網(wǎng)的物理層接口，以提供以太網(wǎng)的接人通道。本系統(tǒng)采用的物理層接口芯片是Realtek公司生產(chǎn)的單片、單端口IO／IOOMRTL8201芯片，它提供MII接口和傳統(tǒng)7線制網(wǎng)絡接口，可以方便地與$3C4510B配合使用，再通過網(wǎng)絡變壓器接人RJ45與以太網(wǎng)相連。3．4實時時鐘模塊設計監(jiān)控系統(tǒng)需要在出現(xiàn)報警或者發(fā)生特殊事件時，記錄發(fā)生的時間。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是定時采樣，沒有具體的時間記錄，因此只能記錄數(shù)據(jù)而無法準確記錄其出現(xiàn)的時間，而且需要占用硬件資源，因此需采用實時時鐘RTC(RealTimeClock)芯片。RTC通過電路板上的電池來供電，而不是通過電源來供電的，當關掉電源后，RTC仍然能夠繼續(xù)工作，以便在斷電后仍然能保持時間?？梢赃x擇12小時模式或24小時模式。3.5cmos攝像頭攝像頭與實驗板上cmos攝像頭接口相連。四、監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)4．1監(jiān)控效勞器端軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)視頻效勞器上運行¨CLinux操作系統(tǒng)和應用程序，應用程序建立在斗CLinux操作系統(tǒng)根底之上，通過斗CLinux的設備驅(qū)動程序?qū)τ布M行控制，如圖3所示。效勞器端軟件開發(fā)采用宿主機／目標機模式，在宿主機上開發(fā)后，通過串口、以太網(wǎng)接口或JTAG接口將應用程序下載到數(shù)字視頻效勞器中。視頻效勞器端軟件的主要功能是對攝像機攝取的圖像進行采集、壓縮、存儲、傳送、播放等操作，當操作系統(tǒng)啟動后，啟動實時時鐘，系統(tǒng)加載串口、USB等驅(qū)動模塊，等待拍照的完成，然后不斷重復采集圖片，發(fā)送圖片的操作。4．2客戶端軟件客戶端指的是監(jiān)控中心或者遠端的一個授權用戶，可以接收來自視頻監(jiān)控效勞器傳送的數(shù)據(jù)。其功能主要包括接收數(shù)據(jù)、瀏覽數(shù)據(jù)、播放圖像(解壓圖形)，數(shù)據(jù)分析，文件存儲。當客戶端接收到數(shù)據(jù)后，首先根據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)標準對截獲的數(shù)據(jù)進行分析，剝離出協(xié)議頭，分析下層數(shù)據(jù)，一層層進行直至得到最終用戶數(shù)據(jù)，并對其中的用戶信息和流量進行統(tǒng)計，再對這兩個局部信息進行存儲或傳給相應的顯示模塊。為了查看以前的記錄，在顯示結(jié)果的同時，也要把結(jié)果記錄下來，保存在監(jiān)控中心的磁盤陣列上，以備日后取出核對檢查。4．3客戶端與效勞器端的通信多個不同的客戶端有可能同時要求接收／查看一個通道的圖像，因此為了減輕網(wǎng)絡負擔，并提高數(shù)據(jù)傳輸率，采用組播技術。視頻效勞器發(fā)送一個信息，網(wǎng)絡中的多個IP站點可以同時接收該信息，這樣可以減少網(wǎng)絡流量，防止資源浪費。對每個攝像頭都建立一個名字唯一的組播組，每個想實時監(jiān)控某攝像點的主機都申請參加該攝像點的組播組，由視頻效勞器自動維護組員和組之間的關系，明確知道某報文是否應發(fā)送到某個子網(wǎng)。視頻監(jiān)控器還負責組播地址和端口的分配、客戶端視頻和其他信號采集參數(shù)的設置以及遠程監(jiān)控規(guī)那么的更新。在軟件設計中通過使用socket編程，來實現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)控制和傳輸程序。系統(tǒng)中客戶應用程序向效勞器應用程序請求效勞，建立連接。效勞器應用程序一般在一個周知地址上偵聽(1isten)效勞請求。其主要的流程可通過圖4來表示。五、系統(tǒng)中的關鍵技術介紹5.1視頻圖像數(shù)據(jù)的采集視頻采集壓縮模塊由視頻數(shù)據(jù)采集和視頻數(shù)據(jù)壓縮兩局部組視頻數(shù)據(jù)采集芯片選用Omnivition公司的彩色數(shù)字圖像傳感器OV7620負責采集攝像機發(fā)送來的模擬視頻數(shù)據(jù)并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后將字化視頻YUV數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖器1。該芯片支持VGA/QVGA兩種格的圖像,最高像素達326688,幀速率可達30fps,數(shù)據(jù)格式包括YCrCb4:2:2,GRB4:2:2,RGBRawData三種,可調(diào)節(jié)圖像的亮度、比照度、飽和度等,支持CCIR601,CCIR656,ZVport等數(shù)字視頻接口,在功能及圖像品質(zhì)上到達要求。5.2視屏圖像數(shù)據(jù)的壓縮視頻數(shù)據(jù)壓縮局部的功能是從數(shù)據(jù)緩沖存儲器1中讀出YUV格式的視頻數(shù)據(jù),進行MPEG4格式的壓縮,然后通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)存儲到另一個緩沖存儲器2中,由S3C2440進行處理。該壓縮芯片采用美國Vweb公司生產(chǎn)的VW2023,這是一種常用的實時視音頻壓縮/解壓縮芯片,兼容MPEG-1、2、4,H.263標準,具有很高的實用性和性價比,計算能力強大,可以以每秒25幀或30幀的采樣速度對視頻信號進行實時、動態(tài)的捕獲和壓縮。VW2023芯片在圖像壓縮完成后或當數(shù)據(jù)緩沖存儲器半滿時,會產(chǎn)生中斷,通知系統(tǒng)圖像壓縮任務己經(jīng)完成,或者緩沖區(qū)等待取走數(shù)據(jù),以便存儲新的數(shù)據(jù)。5.3移動目標的識別〔算法〕對復雜背景下的多個移動物體進行目標快速識別與跟蹤的復合算法。該算法中采用對連續(xù)圖像進行差影計算來確定移動目標區(qū)域，從而能去除復雜背景干擾，可以明顯提高目標識別的速度和準確率。5.4視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸六、結(jié)束語嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有抗干擾能力強，適合遠距離傳輸，能夠加密，可用計算機對圖像信息進行壓縮、分析、存儲和顯示，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡資源