基于Linux及S3C2440A的嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳 健，趙建軍，朱繼珍

(昆明理工大學(xué) 理學(xué)院，云南 昆明 650500)

隨著網(wǎng)絡(luò)、通信和數(shù)字信息技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)的組成模式也在快速變化和發(fā)展中，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合催生了全新的基于嵌入式Web服務(wù)器的監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的視頻采集監(jiān)控系統(tǒng)相比，它具有可靠性高、組網(wǎng)方便、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，因而更適用于機(jī)要部門、工廠、市場(chǎng)、交通運(yùn)輸?shù)陌卜辣O(jiān)控系統(tǒng)中[1]。

本文介紹了一種以S3C2440A開發(fā)板為基礎(chǔ)的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)基于嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)，在嵌入式硬件平臺(tái)和Linux操作系統(tǒng)下進(jìn)行。采用ov511芯片的網(wǎng)眼300CMOS攝像頭進(jìn)行數(shù)字圖像采集，利用JPEG圖像壓縮編碼方式，進(jìn)行視頻圖像入侵檢測(cè)，可以直接在以太網(wǎng)上解碼顯示。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的核心，它是承載軟件的實(shí)體，軟件通過(guò)它來(lái)控制各種接口。本系統(tǒng)中硬件的總體構(gòu)架包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器、外圍接口電路、電源及復(fù)位電路等幾個(gè)部分。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 S3C2440A處理器概述

本系統(tǒng)使用的微處理器是三星公司生產(chǎn)的S3C2440A芯片，該芯片采用ARM公司的ARM920T的32 bit CPU核，并集成了ARM結(jié)構(gòu)的MMU單元，各有16 KB的指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，最大尋址空間為1 GB，主頻為400 MHz(最 高 可 達(dá) 533 Hz)。

S3C2440A提供了豐富的片內(nèi)資源：64 MB SDRAM、256 MB NandFlash、2 MB 的 NOR Flash、LCD 控 制 器(STN/TFT)、DM9000E型網(wǎng)卡、4通道的 DMA、3通道的異步串口(UART)、兩通道的高速同步串行口(SPI)、4通道的帶脈寬調(diào)制的PWM定時(shí)器和1通道內(nèi)部定時(shí)器/看門狗定時(shí)器、雙端口的USB(主機(jī))、1端口的 USB(設(shè)備)、8通道 10 bit ADC、觸摸屏接口、鎖相環(huán)(PLL)片上時(shí)鐘發(fā)生器、通用I/O端口、相機(jī)接口、SD卡和MMC卡接口。其支持各種型號(hào)的ROM引導(dǎo) (Nor/NandFlash，EEPROM或其他)，1.2 V內(nèi)核供電，1.8 V/2.5 V/3.3 V存儲(chǔ)器供電，3.3 V外部I/O供電，具備16 KB的I-Cache和16 KB D Cache/MMU微處理器。

2 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)的建立

本系統(tǒng)使用Linux操作系統(tǒng)，編譯環(huán)境采用交叉編譯調(diào)試方式。內(nèi)核采用Linux 2.6.30.4版本，使用Cramfs根文件系統(tǒng)。

2.1 嵌入式交叉編譯環(huán)境搭建

在裁剪和定制嵌入式Linux之前，必須先建立起編譯環(huán)境。由于一般的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間有限，因此通常使用交叉編譯環(huán)境。簡(jiǎn)單地說(shuō)，交叉編譯就是在一個(gè)平臺(tái)上生成另一個(gè)平臺(tái)上的可執(zhí)行代碼，即在宿主機(jī)(PC機(jī))安裝開發(fā)工具，編輯、編譯開發(fā)板上的引導(dǎo)程序(Bootloader)、內(nèi)核和根文件系統(tǒng)，使其能在開發(fā)板上運(yùn)行。本系統(tǒng)使用的編譯系統(tǒng)為arm-linux-gcc-3.4.1版本。

2.2 Linux系統(tǒng)的移植

從網(wǎng)上下載標(biāo)準(zhǔn)的Linux-2.6.30.4版本內(nèi)核，使用解壓命令 #tra xvfj linux2.6.30.4tra.bz-C/opt/EmbedSky/，然后解壓到PC的“opt/EmbedSky”目錄下。由于系統(tǒng)還不支持ARM，因此必須在系統(tǒng)中添加對(duì)ARM的支持，進(jìn)入內(nèi)核源碼， 修改 “Makefile” 文件， 將 “ARCH？=(SUBARCH)”修改為“ARCH=arm”，將“CROSS_COMPILE？=”修改為“CROSS_COMPILE=arm_linux_”，進(jìn)行保存。在配置單中導(dǎo)入對(duì)內(nèi)核的默認(rèn)配置，再在此基礎(chǔ)上選擇需要的功能，如 Nand Flash、Video4Linux編程接口函數(shù)，MTD設(shè)備、USB設(shè)備的支持及Cramfs文件系統(tǒng)的支持。再使用Cramfs制作工具mkcramfs把根文件目錄制作成映像文件，最后安裝DM9000E芯片網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序，即完成了系統(tǒng)移植。

3 視頻數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

3.1 基于V4L的視頻采集設(shè)計(jì)

Linux對(duì)于視頻數(shù)據(jù)采集設(shè)備的支持是通過(guò)Video4Linux(V4L)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。V4L是在Linux下用于視頻和音頻數(shù)據(jù)的API接口，它為視頻設(shè)備的應(yīng)用程序提供了一系列的接口函數(shù)。這些視頻設(shè)備包括市場(chǎng)上常見的電視捕獲卡和USB接口的攝像頭等[2]。

在編寫圖像采集程序時(shí)，根據(jù)需要定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)保存采集過(guò)程中需要的各種參數(shù)。該結(jié)構(gòu)體如下：

圖2 視頻采集流程圖

從上面的結(jié)構(gòu)體可以看出，想要完成視頻數(shù)據(jù)的采集，首先要獲得對(duì)應(yīng)視頻采集設(shè)備的信息和圖像的信息，同時(shí)需要對(duì)采集的窗口、顏色模式和幀的狀態(tài)進(jìn)行初始化，然后才能進(jìn)行視頻圖像的采集。視頻采集流程如圖2所示。

下面對(duì)V4L編程中使用的函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

(1)打開視頻設(shè)備，調(diào)用函數(shù) int v4l_open(char*dev，v4l_device*vd)；函數(shù)調(diào)用成功后，返回的文件描述就代表了所捕獲的設(shè)備硬件。

下面的幾步都會(huì)用到ioctl()函數(shù)來(lái)和設(shè)備進(jìn)行“對(duì)話”，ioctl是 input output control的縮寫，函數(shù)原型是 int ioctl(int fd，ind cmd，…)。其中，fd表示設(shè)備的文件描述，cmd表示用于程序?qū)υO(shè)備的控制命令，省略號(hào)一般是一個(gè)類型的參數(shù)，也可省略。

(2)讀取設(shè)備信息。用ioctl()函數(shù)讀取struct video_capability中有關(guān)攝像頭的信息。該函數(shù)成功返回后，將結(jié)果存放到vd-＞capability中。程序如下：

(3)讀取視頻信息。同樣使用 ioctl()函數(shù)，從 struct video_picture中讀取視頻信息，函數(shù)成功返回后，將結(jié)果存放在vd-＞picture中。調(diào)用的函數(shù)如下：

(4)視頻圖像截取。有兩種方法截取視頻圖像：直接讀取設(shè)備(read())和內(nèi)存映射方式(mmap())。本系統(tǒng)采用內(nèi)存映射方式，mmap()系統(tǒng)調(diào)用使得進(jìn)程之間通過(guò)映射同一個(gè)普通文件實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享。將普通文件映射到進(jìn)程的地址空間中，進(jìn)程就可以像訪問普通內(nèi)存一樣訪問文件，無(wú)需再調(diào)用 read()、write()等操作。所調(diào)用的 mmap代碼如下：

執(zhí)行完mmap之后，便可以進(jìn)行真正的圖像采集，需要調(diào)用兩次iotcl()函數(shù)，命令代碼是 VIDIOCMCAPTURE和VIDIOCSYNC。VIDIOCMCAPTURE的作用是告知ioctl()將圖像數(shù)據(jù)采集到mmap所映射的內(nèi)存中。如果調(diào)用成功，就開始一幀圖像的截取，VIDIOCSYNC用來(lái)判斷這一幀的截取的否成功，若成功，就表明這一幀的截取已完成，可以開始下一幀的截取。本系統(tǒng)采用連續(xù)幀采集方式，具體的代碼就不在這贅述了[3]。

3.2 視頻數(shù)據(jù)壓縮

在獲得視頻數(shù)據(jù)后，由于原始的圖像數(shù)據(jù)量較大，網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，需要在網(wǎng)絡(luò)傳輸前進(jìn)行壓縮。本系統(tǒng)由于硬件條件的限制，為了達(dá)到遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的效果，采用基于MJPEG算法進(jìn)行視頻壓縮。其主要特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)使用JPEG算法，基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨(dú)對(duì)某一幀進(jìn)行JPEG壓縮，配合嵌入式Web服務(wù)器，采用基于Socket的編程，實(shí)現(xiàn)了面向用戶端的視頻監(jiān)控[4]。

對(duì)于Linux下的JPEG圖像數(shù)據(jù)壓縮，可以使用Libjpeg庫(kù)實(shí)現(xiàn)。Libjpeg是Linux下的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)而常用的庫(kù)，它的功能是將圖片以一定的壓縮比率壓縮成如JPEG格式的圖片，或者對(duì)JPEG圖片進(jìn)行解壓縮以及其他一些對(duì)JPEG圖片進(jìn)行處理的功能。Libjpeg的主要文件有jpeglib.h、libjpeg.a和libjpeg.so等?？梢匀ゾW(wǎng)上下載Libjpeg的源碼，取得文件 jpegsrc.v6b.tar.gz，放于/usr/src目錄下。依次執(zhí)行：

執(zhí)行完上述命令后，jpeglib.h被拷到/usr/include目錄下，libjpeg.a和 libjpeg.so被拷到/usr/local/lib目錄下，至此，Libjpeg庫(kù)的安裝配置完成。

3.3 視頻圖像的入侵檢測(cè)

視頻序列檢測(cè)是為了能夠?qū)崿F(xiàn)在監(jiān)控過(guò)程中的自動(dòng)報(bào)警。報(bào)警系統(tǒng)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)中不可或缺的一部分。在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，圖像序列的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)及報(bào)警不僅可以自行替代監(jiān)視人員的部分工作，提高監(jiān)視系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，而且還可以提高監(jiān)控存儲(chǔ)效率。

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)視頻是否有入侵對(duì)象進(jìn)行分析檢測(cè)，一旦畫面上出現(xiàn)超過(guò)閾值的變化就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的方法主要可以分為幀差法、流光法和背景差法三種。本系統(tǒng)使用背景差法，因?yàn)橐曨l監(jiān)控系統(tǒng)主要使用規(guī)定的攝像機(jī)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行監(jiān)控，場(chǎng)景固定。背景差法的基本思想是通過(guò)輸入圖像與背景模型進(jìn)行比較的方法檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)[5]。

本文結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的方向，給出了一種基于嵌入式ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并給出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。本系統(tǒng)采用了基于模塊的設(shè)計(jì)方法，各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性和靈活性，當(dāng)需要更換其中一個(gè)模塊時(shí)，其他模塊并不需要進(jìn)行很大的改動(dòng)，有利于系統(tǒng)的更新?lián)Q代。

[1]于明，范書瑞，普祥燁.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]張曉東，李秀娟，張杰.基于ARM的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(6)：22-23.

[3]楊穎，陳之龍，黃志.基于 USB攝像頭的嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].安防科技，2007(3)：24-26.

[4]蘇日建，宋勝利.嵌入式圖像采集系統(tǒng)的JPEG算法改進(jìn)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，20(11)：75-76.

[5]付思華，張小虎.基于序列圖像的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法[J].光學(xué)技術(shù)，2004，30(2)：215-217.