基于ARM11的校園網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計

許 玲，李吉彪

（河南機電高等?？茖W校 自動控制系，新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

隨著數字技術、計算機技術和網絡技術的發(fā)展，基于互聯網的各種業(yè)務呈幾何指數規(guī)律飛速增長，網絡視頻監(jiān)控作為基于互聯網的一種全新業(yè)務也得到了飛速的發(fā)展。網絡視頻監(jiān)控平臺已經被廣泛應用于生活小區(qū)、會展中心、銀行、大型企業(yè)等場所[1]。安全防范是校園安全管理的一個重要組成部分，也是體現安全保衛(wèi)功能先進性的重要環(huán)節(jié)。學校校園監(jiān)控因為學校管理人員少，學生多，給學校的安全管理帶來許多不便之處，為隨時掌握學校動態(tài)，發(fā)現安全隱患，記錄異常情況的視頻影像，以便立即防范或作為事后分析處理的客觀依據。因此，學校安裝監(jiān)控設施就成為了一種趨勢。實踐中，充分發(fā)揮計算機無人值日、全天候安全監(jiān)控的功能，是一種節(jié)省人力物力的最佳輔助安全管理方案。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)[2,3]是指一套由攝像、傳輸、控制、顯示和記錄登記五部分組成，為客戶提供圖像、聲音和各種報警信號, 并進行遠程采集、傳輸、存儲、處理與轉播的系統(tǒng)。而融合互聯網、電視技術、通信技術的基于互聯網平臺的視頻監(jiān)控網絡化是必然的趨勢。本文采用ARM公司最新的ARM11 RISC 處理器進行開發(fā)，使用其內部模塊MFC 完成H.264 的編解碼，在嵌入式和網絡環(huán)境下，完成視頻的采集、傳輸、實時顯示、存儲等功能。

1 ARM11處理器

ARM11處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器[4,5]，它是ARM新指令架構——ARMv6的第一代設計實現。ARM11處理器的流水線和以前的ARM內核不同，它由8級流水線組成，8級流水線可以使8條指令同時被執(zhí)行，比以前的ARM內核提高了至少40%的吞吐量。ARM11處理器提供動態(tài)預測和靜態(tài)預測兩種技術來對跳轉作出預測。

在ARM11處理器中，指令和數據可以更長時間的被保存在Cache中。一方面是由于物理地址Cache的實現，使上下文切換避免了反復重載Cache；另一方面是由于ARM11的Cache還有很多其它新穎的技術特點。在ARM11處理器中，內核和Cache及協處理器之間的數據通路是64位的，因此可以提供64位處理器性能的解決方案。ARM11內核在運行于極高頻率的同時，也能非常容易的被集成在SoC設計中。同時，ARM11處理器提供的向上兼容性，使OEM可以放心的選用任何基于ARM的產品。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 整體設計方案

在學校大門、圍墻、重要通道、教師家屬院及家屬院出入口等重點部位安裝攝像機，24小時的監(jiān)控和錄像。監(jiān)視大門人員出入情況及車牌號，并能發(fā)現可疑目標進行跟蹤監(jiān)視。同時在學校大門內側廣場區(qū)域、主干道、湖面附近、圖書館天井處等地方安裝紅外云臺攝像機。在校園內距離小于300米的攝像機采用視頻線直接傳輸，在距離大于300

校園網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計充分考慮了它與信息時代數字化的匹配。本系統(tǒng)設計了一個總控室，有14孔位的電視墻，16路硬盤錄像機4臺，4聯操作臺及4臺顯示器，利用監(jiān)控室監(jiān)視器作為監(jiān)視單元分別對分控區(qū)域內的信號進行輪巡顯示。采用專用的文件系統(tǒng)，無磁盤碎片，數據保密性高，單硬盤容量不受限制，并具有硬盤休眠技術和SMART技術，支持硬盤狀態(tài)報警；硬盤錄像機功能強大，具備斷電重啟的功能，真正能夠達到無人值守的目的?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本方案設計硬盤時除了系統(tǒng)本身的內置硬盤以外，還可以采用外掛硬盤存儲系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)硬件架構圖

2.2 硬件設計

基于ARM11的校園網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件架構圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件部分主要包括：ARM1176JZF-S為內核的S3C6410微處理器及存儲電路模塊，電源，時鐘和復位電路模塊，外圍接口電路模塊等。S3C6410處理器負責控制接收攝像頭的視頻信號，其內部集成的多媒體編解碼器（MFC）進行基于H.264的壓縮編碼。而NAND FLASH用于各種固化程序的存儲，SDRAM用于存取系統(tǒng)運行時程序，JTAG用于下載程序，串口用于打印信息的輸出及調試程序。

2.3 軟件平臺的設計

軟件平臺由U-boot引導程序，Linux內核和設備驅動程序共同形成運行環(huán)境，而應用層由視頻采集、視頻壓縮編碼模塊、視頻顯示、視頻傳輸等主要模塊組成。網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現的具體過程如下：首先，啟動嵌入式系統(tǒng)上的服務程序，服務程序啟動后等待客戶端的連接。如果有客戶端發(fā)出連接請求，服務程序不斷的將從攝像頭采集的實時視頻數據壓縮處理，然后通過基于JRTPLIB庫的RTP/RTCP協議傳輸到一組播地址。客戶端加入組播，不斷獲取視頻數據，并將視頻數據解碼顯示出來，最終實現實時監(jiān)控。

1）視頻采集模塊

該模塊負責USB攝像頭初始化。啟動采集線程程序，將采集到的圖像數據，放到一環(huán)行緩沖區(qū)，供視頻壓縮模塊使用。另外，該模塊負責接受控制管理指令，可改變采樣速率、分辨率大小，顏色等。

2）視頻壓縮編碼模塊

該模塊的主要任務是接受視頻采集模塊的數據，并進行相應編碼壓縮，再將壓縮后的視頻數據，存放在該模塊的環(huán)形緩沖區(qū)。

3）視頻顯示模塊

Linux 下的視頻采集是針對視頻設備的應用程序編程提供一系列接口函數。 這些視頻設備包括現今市場上流行的TV 卡、視頻捕捉卡和USB 攝像頭等。在應用程序中可以利用V4L 結合I/ O 控制函數來操作攝像頭進行視頻數據采集。視頻采集的流程圖如圖2 所示。

4）視頻圖像的解碼模塊

由于攝像頭采集的是JPEG 格式的視頻圖像，客戶端接收到后要進行解碼為RGB 格式才能正常顯示，這是通過調用來init _ jpeg _ decoder()函數來實現的。init _ jpeg _decoder()函數主要完成為圖像數據預分配空間，查詢圖像質量等級表和哈夫曼表，進行反DCT 變換等工作來實現圖像的解碼。視頻的播放是利用SDL來實現的。利用SDL實現視頻的播放主要包括以下五個步驟：（1）初始化SDL 庫；（2）設置視頻圖像顯示分辨率；（3）調用JPEG 解碼后視頻圖像數據；（4）設置播放窗口標題；（5）掃描數據到屏幕上, 實現視頻播放。

圖2 視頻采集的流程圖

3 系統(tǒng)測試與分析

通過實驗測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定, 在1024×768大小的分辨率下,在局域網內測得視頻幀率可達到16 幀/s, 基本可以滿足網絡視頻監(jiān)控的要求。測試過程中的CPU 最高占有率為8.9% , CPU 平均占用率是5.6% , 說明該系統(tǒng)運行效率較高。

4 結論

本文設計了基于ARM11處理器的校園網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現了視頻采集、H.264 壓縮編碼和網絡傳輸等視頻服務功能，同事將嵌入式視頻監(jiān)控與網絡技術結合起來,實現實時傳輸，節(jié)省了成本,更具有便攜、低功耗等優(yōu)點。該系統(tǒng)便于通訊, 具有廣泛的應用價值和市場前景。下一步工作可在提高傳輸質量上和差錯恢復上做進一步研究。

[1] 馮延蓬, 仵博, 蔡學軍. 基于J2EE的遠程視頻監(jiān)控平臺的設計[J]. 煤炭技術, 2010, 29(5): 50-51.

[2] 王永利. 分布式網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構[J]. 自動化儀表, 2010, 31(7): 42-44.

[3] 梁篤國, 張艷霞, 鄭澤民, 等. 網絡視頻監(jiān)控技術及應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2009: 11-16.

[4] 錢華明, 劉英明, 張振旅. 基于S3C2410 嵌入無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J]. 計算機測量與控制, 2009, 17(6): 1132-1134.

[5] Rahul Vanam Eve A. Riskin H.264/MPEG-4 AVC Encoder Parameter Selection Algorithms for Complexity Distortion Tradeoff. IEEE Data Compression Conference, 2009.