基于A(yíng)T2042的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王小團(tuán)，羅 杰

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州 225001）

0 引 言

目前，應(yīng)用于安防領(lǐng)域的視頻監(jiān)控設(shè)備是居民日常社會(huì)活動(dòng)中的重要輔助設(shè)備，具有很大的應(yīng)用空間。隨著Internet技術(shù)和嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備發(fā)展十分迅速。

針對(duì)嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備有幾種解決方案，其中最主要的是軟件解決方案和硬件解決方案。軟件解決方案主要是利用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）加網(wǎng)絡(luò)模塊，但DSP視頻處理算法實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，軟件開(kāi)發(fā)質(zhì)量不能保證。硬件解決方案主要是利用音視頻的硬件編解碼芯片實(shí)現(xiàn)音視頻的硬件編解碼，這樣開(kāi)發(fā)周期中對(duì)于視頻處理算法的開(kāi)發(fā)將大大減少，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期將縮短；同時(shí)由于集成芯片的快速發(fā)展，芯片價(jià)格大大降低，降低了項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)成本?；谏鲜鲈颍布鉀Q方案對(duì)于中小場(chǎng)合應(yīng)用比較合適［1］。

本文論述的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用硬件方案：專(zhuān)用音視頻處理芯片對(duì)音視頻進(jìn)行硬件編解碼，由嵌入式處理器進(jìn)行相應(yīng)的控制，可以滿(mǎn)足高實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、快速處理、開(kāi)發(fā)周期短的要求。本設(shè)計(jì)選用專(zhuān)用的音視頻處理芯片AT2042和嵌入式處理器芯片ARM9－S3C2410以及網(wǎng)絡(luò)芯片LAN91C111，基于B／S架構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。該視頻監(jiān)控系統(tǒng)還具備監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)圖像和報(bào)警的功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件主要包括ARM控制芯片和音視頻硬件編解碼芯片AT2042?？刂菩酒褂萌枪镜腁RM9芯片S3C2410，主要完成系統(tǒng)總體的控制，包括完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)模塊和AT2042的功能配置，用以實(shí)現(xiàn)視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸和編解碼，完成對(duì)存儲(chǔ)接口的配置，用以實(shí)現(xiàn)本地存儲(chǔ)。AT2042主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)音視頻的硬件編解碼。

如圖1系統(tǒng)硬件框圖所示，該系統(tǒng)的硬件核心部分為ARM9芯片S3C2410和音視頻硬件編解碼芯片AT2042。TVP5150和SAA7121通過(guò)I2C總線(xiàn)和主控制芯片S3C2410進(jìn)行通信［2］。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TVP5150負(fù)責(zé)把攝像頭采集的美國(guó)彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)（NTSC）或逐行倒相制式（PAL）模擬電視信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合AT2042編碼標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片SAA7121負(fù)責(zé)把經(jīng)過(guò)AT2042解碼的數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以在液晶顯示器（LCD）顯示屏上播放的模擬視頻信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)連接芯片LAN91C11主要用來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信連接。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

本系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新之處就是利用了音視頻編解碼芯片AT2042對(duì)音視頻進(jìn)行硬件編解碼。張菁等人的文章［3］提出AT2042具有以下的特點(diǎn)：

（1）支持動(dòng)態(tài)圖像專(zhuān)家組（MPEG）－1，MPEG－2，MPEG－4，H.263 和 M－JPEG 等多種視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)［4］。

（2）支持多種圖像分辨率和幀速率，支持固定比特率（CBR）、不定比特率（VBR）2種碼率控制方式。

（3）輸入輸出采用ITU－R 656／ITU－R 601接口標(biāo)準(zhǔn)，音頻則采用脈沖編碼調(diào)制（PCM）、串行數(shù)字音頻總線(xiàn)協(xié)議（I2S）商用接口標(biāo)準(zhǔn)。

（4）自動(dòng)運(yùn)動(dòng)偵測(cè)和幀掃描，運(yùn)動(dòng)偵測(cè)區(qū)域和靈敏度可選。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件采取B／S架構(gòu)，B／S架構(gòu)分成兩部分：瀏覽器端（Browser）和服務(wù)器端（Sever）［4］，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。用戶(hù)在瀏覽器（Browse）通過(guò)輸入嵌入式網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器的IP地址便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式WEB服務(wù)器的訪(fǎng)問(wèn)，并由嵌入式WEB服務(wù)器來(lái)完成用戶(hù)指令。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

本嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的工作流程簡(jiǎn)單：系統(tǒng)的用戶(hù)只需在WWW瀏覽器上輸入嵌入式WEB服務(wù)器的IP地址，WEB服務(wù)器接到用戶(hù)連接請(qǐng)求便反饋給瀏覽器1個(gè)ActiveX控件，用戶(hù)在該控件上便可由嵌入式WEB服務(wù)器完成相應(yīng)操作，如進(jìn)行錄像、抓拍、視頻傳輸?shù)取?/p>

該系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)表1所示的技術(shù)參數(shù)以及配置相應(yīng)的TCP／IP協(xié)議。技術(shù)參數(shù)包括：動(dòng)態(tài)視頻的 MPEG－1，2，4和圖像 M－JPEG編碼模式可選、編碼的像素點(diǎn)為720×576（D1）、352×240（10萬(wàn)像素）可選，編碼幀率每秒25幀及生成打包基本碼流（PES）來(lái)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

服務(wù)器需要完成的軟件編寫(xiě)工作包括引導(dǎo)程序（Bootloader）的編寫(xiě)、Linux內(nèi)核的移植與配置、應(yīng)用軟件的編寫(xiě)、網(wǎng)絡(luò)通信的配置以及硬件系統(tǒng)中各個(gè)芯片的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)等工作。本文主要介紹服務(wù)器端的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)通信配置和運(yùn)動(dòng)報(bào)警檢測(cè)等功能的實(shí)現(xiàn)。

表1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)參數(shù)及相應(yīng)的CP／IP協(xié)議

2.1 多線(xiàn)程程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)應(yīng)用程序采用多線(xiàn)程設(shè)計(jì)。用戶(hù)應(yīng)用程序不但要及時(shí)地把監(jiān)控區(qū)域的最新視頻圖像反饋給瀏覽器，對(duì)視頻監(jiān)控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)報(bào)警，對(duì)視頻監(jiān)控對(duì)象抓拍；還要處理客戶(hù)端與服務(wù)器之間的通信，對(duì)云臺(tái)、攝像頭的實(shí)時(shí)控制以及對(duì)視頻文件的一系列處理（上傳，保存）等任務(wù)。這時(shí)，僅僅由單個(gè)線(xiàn)程來(lái)完成所有任務(wù)，顯然無(wú)法滿(mǎn)足監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。為此，本系統(tǒng)采用多線(xiàn)程機(jī)制，各線(xiàn)程分別負(fù)責(zé)完成不同的任務(wù)［5］。系統(tǒng)軟件的多線(xiàn)程程序設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件的多線(xiàn)程程序設(shè)計(jì)框圖

視頻傳輸線(xiàn)程主要完成動(dòng)態(tài)視頻從服務(wù)器端到客戶(hù)端的實(shí)時(shí)傳輸，圖像的傳輸線(xiàn)程主要完成抓拍圖片從服務(wù)器到客戶(hù)端的實(shí)時(shí)傳輸。同時(shí)，由讀取子線(xiàn)程和發(fā)送子線(xiàn)程分別完成視頻和圖像數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送。

本系統(tǒng)主要是在局域網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。為了監(jiān)聽(tīng)到從網(wǎng)上發(fā)來(lái)的連接請(qǐng)求，服務(wù)器必須先建立一個(gè)監(jiān)聽(tīng)套接字，端口號(hào)是SERVER＿PORT；然后建立一個(gè)線(xiàn)程用于等待用戶(hù)連接并傳輸視頻數(shù)據(jù)。在視頻傳輸線(xiàn)程中，服務(wù)器首先等待客戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求，服務(wù)器接受客戶(hù)連接后，會(huì)為該客戶(hù)創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程來(lái)專(zhuān)門(mén)與這個(gè)客戶(hù)端進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳送，這樣使服務(wù)器可以同時(shí)與多個(gè)客戶(hù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而提高效率。當(dāng)傳輸線(xiàn)程啟動(dòng)后，這個(gè)線(xiàn)程將負(fù)責(zé)把視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶(hù)。

配置線(xiàn)程主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的配置以及控制參數(shù)的配置，包括傳輸比特率、視頻或圖像的編碼模式以及視頻分辨率等、服務(wù)器要實(shí)現(xiàn)哪種操作（比如遠(yuǎn)程錄像、遠(yuǎn)程抓拍、云臺(tái)操作等）。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)通信主要由socket套接字實(shí)現(xiàn)，socket套接字實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與瀏覽器通信。本視頻服務(wù)器的視頻和圖像傳輸是面向無(wú)連接的，配置該服務(wù)器的socket時(shí)，socket客戶(hù)端通過(guò)調(diào)用connect函數(shù)在socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中保存本地和遠(yuǎn)端信息。無(wú)連接的socket的客戶(hù)端和服務(wù)端通過(guò)調(diào)用bind函數(shù)來(lái)配置本地信息。在配置系統(tǒng)參數(shù)時(shí)使用面向連接的socket套接字，用于保證系統(tǒng)參數(shù)配置的安全準(zhǔn)確。

該嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)利用傳輸控制協(xié)議／網(wǎng)際協(xié)議（TCP／IP）協(xié)議簇，在傳輸層對(duì)于實(shí)時(shí)視頻播放本系統(tǒng)選用面向無(wú)連接的用戶(hù)數(shù)據(jù)協(xié)議（UDP），可以保證數(shù)據(jù)量較大的視頻能夠?qū)崟r(shí)播放；對(duì)于客戶(hù)端的控制指令等參數(shù)本系統(tǒng)選用面向連接的TCP協(xié)議，可以保證控制指令安全準(zhǔn)確完成。

應(yīng)用層協(xié)議包括實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的越文本傳輸協(xié)議（HTTP）、用于遠(yuǎn)程調(diào)試的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議（TENLENT）以及用于遠(yuǎn)程下載監(jiān)控視頻的文件傳輸協(xié)議（TFTP）。

2.3 視頻錄像軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻錄像操作，用戶(hù)通過(guò)在客戶(hù)端操作ActiveX控件上的相應(yīng)指令，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)視頻的遠(yuǎn)程錄像。當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊錄像按鈕時(shí)，WEB服務(wù)器接收到該指令，便開(kāi)啟AT2042的編碼功能，設(shè)置AT2042的相關(guān)參數(shù)，配置相關(guān)寄存器，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的編碼模式、編碼像素點(diǎn)等設(shè)置，然后從Mux FIFO讀取編碼數(shù)據(jù)，存入到系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊中（系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊由S3C410的USB接口實(shí)現(xiàn)）。本設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的錄像存儲(chǔ)，通過(guò)在嵌入式WEB服務(wù)器安裝FTP服務(wù)器，遠(yuǎn)端用戶(hù)可以在PC機(jī)上通過(guò)該FTP服務(wù)器來(lái)調(diào)用存儲(chǔ)的視頻文件和圖像文件。

為了方便用戶(hù)日后回放錄像文件，本設(shè)計(jì)采取文件分段的方法來(lái)保存視頻文件，并以系統(tǒng)時(shí)間來(lái)命名。每隔30 min對(duì)所錄視頻進(jìn)行存儲(chǔ)1次，并調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)time，timelocal獲取系統(tǒng)時(shí)間，按照系統(tǒng)時(shí)間命名該段視頻文件［6］。對(duì)于動(dòng)態(tài)視頻文件，本設(shè)計(jì)采用“.VIDEO”為結(jié)尾來(lái)命名該視頻文件，對(duì)于抓拍的靜態(tài)圖像文件，本設(shè)計(jì)采用“.PICTURE”為結(jié)尾來(lái)命名該圖像文件。

2.4 運(yùn)動(dòng)圖像檢測(cè)報(bào)警軟件實(shí)現(xiàn)

音視頻編解碼器AT2042有自動(dòng)運(yùn)動(dòng)偵測(cè)和幀掃描、運(yùn)動(dòng)偵測(cè)區(qū)域和靈敏度可選的功能。本設(shè)計(jì)為了滿(mǎn)足對(duì)于無(wú)人值守的區(qū)域或者時(shí)間段內(nèi)的監(jiān)控報(bào)警需求，可以選擇是否開(kāi)啟AT2042的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)報(bào)警功能。

AT2042提供的硬件運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法不僅考慮了亮度在相鄰框架內(nèi)的差異，也考慮了實(shí)際移動(dòng)向量。它提供了非常精確的運(yùn)動(dòng)甚至很多噪音視頻上的檢測(cè)。為了滿(mǎn)足不同的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)強(qiáng)度等特點(diǎn)（如不同的視頻情況和不同的應(yīng)用系統(tǒng)），它還提供實(shí)際用戶(hù)可以調(diào)整的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)（除I－VO和P－VOP以外，BVOP等共5個(gè)）靈敏度參數(shù)。它們可以調(diào)整為每個(gè)通道的獨(dú)立通道編碼。用戶(hù)可以為每個(gè)通道設(shè)置獨(dú)立運(yùn)動(dòng)檢測(cè)區(qū)和靈敏度參量。

本系統(tǒng)利用AT2042的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)控制視頻錄像存儲(chǔ)的功能。當(dāng)開(kāi)啟運(yùn)動(dòng)檢測(cè)時(shí)，如果系統(tǒng)檢測(cè)區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的物體，即無(wú)法啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)報(bào)警信號(hào)，這時(shí)AT2042不會(huì)開(kāi)啟視頻編碼，不會(huì)存儲(chǔ)相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的視頻。當(dāng)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出運(yùn)動(dòng)物體報(bào)警信號(hào)，該信號(hào)通知AT2042開(kāi)啟視頻編碼功能，同時(shí)開(kāi)啟視頻存儲(chǔ)功能。

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)報(bào)警功能的工作流程圖如圖4所示。首先WEB服務(wù)器設(shè)置監(jiān)測(cè)區(qū)域和靈敏度等參數(shù)，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，視頻信號(hào)編碼后暫時(shí)存放在緩沖區(qū)中；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域后，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將緩沖區(qū)中的視頻信號(hào)存入到存儲(chǔ)模塊中；當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)停止存儲(chǔ)緩沖區(qū)中的視頻信號(hào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在PC監(jiān)控端輸入視頻服務(wù)器的IP地址，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)器上下載Active X控件后，顯示如圖5所示的界面。由畫(huà)面可得，網(wǎng)頁(yè)上視頻播放較為流暢，實(shí)現(xiàn)了720X576的分辨率和25幀每秒的播放速度，如圖5 IE瀏覽器上網(wǎng)絡(luò)視頻播放界面所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)報(bào)警的流程圖

圖5 IE瀏覽器上網(wǎng)絡(luò)視頻播放界面

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