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

龍世瑜，魏 武，盧碧燕

（湛江師范學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 湛江 524048）

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Fig.1 System block diagram

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 Nor Flash，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 1 024×768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[1]。

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[2]。

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Fig.2 Image sampling flow chart

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[3]。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[5]。

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[5]。

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[5]。

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 Wide Web 的能力[6]。

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：

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。

[1]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[2]科波特.LINUX設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[M].3版.北京：中國電力出版社，2006.

[3]斯洛斯.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[4]劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)與Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[5]凌明.嵌入式系統(tǒng)高級C語言編程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[6]楊水清.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解（珍藏版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009