基于嵌入式的遠程圖像采集傳輸系統(tǒng)的研究

摘 要：本文就嵌入式系統(tǒng)的一些相關(guān)技術(shù)，以及一些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展結(jié)合起來，介紹嵌入式系統(tǒng)的一些模塊的程序設(shè)計，通過實質(zhì)性的一些技術(shù)研究，來實現(xiàn)遠程圖像的采集以及傳輸。在傳輸過程中，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對嵌入式系統(tǒng)中的圖像傳送提出了一些新的要求，實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；遠程監(jiān)控系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)傳輸；圖像采集

中圖分類號：TP274.2

在日常的生活中，通常都是通過眼睛來傳遞信息，百分之九十以上的信息量都來自視覺。但人的眼睛要受到生理結(jié)構(gòu)的一些限制，在很多方面受到距離和信息量的限制。新時代以來，通訊技術(shù)和半導體技術(shù)的廣泛應用，電子在獲取信息的方面的技術(shù)逐漸的成熟起來，電子設(shè)備被迅速地應用到獲取圖像信息的領(lǐng)域上來，這一技術(shù)的代表就是電子眼的廣泛應用。電子眼能夠代替人眼，并且能夠克服很多不利的自然因素，高質(zhì)量的獲取圖像資料，并且能夠做到采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

電子眼技術(shù)的迅速發(fā)展給人類帶來了新的獲取視覺信息的途徑，具有很重要的現(xiàn)實意義。電子眼的使用中，可以利用遠程的傳輸技術(shù)，克服人眼在距離上不利的因素，給人們的生活的帶來了極大地改善和方便。人們可以在辦公室實現(xiàn)遠程的操控，并且能夠準確及時的獲取信息，隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，遠程傳輸技術(shù)也變得容易起來，圖像的遠程傳輸必將在未來獲取信息方面占據(jù)重要地位，并且大大的減少人力資源的浪費，同時也能做到人力所不能做到的事情。

在遠程圖像采集和傳輸發(fā)展的過程中，嵌入式技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，無疑是圖像采集和傳輸?shù)囊粓龈锩?，在嵌入式技術(shù)的基礎(chǔ)上，圖像的采集和傳輸有了更強的穩(wěn)定性，同時在成本上也大大的降低，以下就基于嵌入式技術(shù)的圖像采集和傳輸做出研究，分析國內(nèi)外現(xiàn)狀，并系統(tǒng)的總結(jié)嵌入式技術(shù)的要點和關(guān)鍵技術(shù)。

1 圖像信息的采集和傳輸發(fā)展現(xiàn)狀

圖像采集是伴隨著監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展而發(fā)展的，并在圖像采集的歷史中主要是在監(jiān)控系統(tǒng)中的使用。視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)歷了三個階段：

第一代是本地模擬視頻監(jiān)控。它采用全模擬視頻信號，保存錄像帶形式來記錄信息。模擬顯示裝置的技術(shù)落后，從而產(chǎn)生視頻信號的傳輸距離受到限制、圖像質(zhì)量不佳等問題。點對點的方式監(jiān)視現(xiàn)場，布線工作量非常的大。模擬視頻信號的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[1]的主要特點是單一的、單向的信息收集網(wǎng)絡(luò)，不具備媒體特有的功能，所以即使這個系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到一個較高水平的，也沒有太多潛力可挖，而且其局限性依然存在，不能以滿足圖像采集和傳輸?shù)母咭螅虼藬?shù)字化是必由之路。

第二代基于PC的遠程視頻監(jiān)控出現(xiàn)在20世紀90年代后期。該系統(tǒng)是第一模擬音頻麥克風和攝像機捕獲的視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號[2]，利用特殊的壓縮卡將數(shù)字信號的壓縮處理，通過網(wǎng)絡(luò)向終端傳輸，用電腦控制端使用一個專用PC傳輸，解壓提取數(shù)據(jù)卡后，遙控器就能夠再現(xiàn)圖像和聲音。它具有傳輸距離遠、圖像質(zhì)量好、節(jié)能和低成本的數(shù)據(jù)。然而，基于PC的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)，還存在體積大、功耗高、實時性不高、穩(wěn)定性差，成本高、擴展性差等很多問題。

隨著近兩年的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)要求各個領(lǐng)域越來越多地使用也越來越高，操作簡單，實時，可靠，多功能發(fā)展，數(shù)字化，經(jīng)濟實用的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)計受到越來越多的關(guān)注者人們。應運而生的嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于多媒體技術(shù)。這是第三代基于多媒體的遠程監(jiān)控嵌入式技術(shù)。與基于PC的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)，基于嵌入式多媒體技術(shù)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有體積小，安裝方便。因此，基于嵌入式多媒體技術(shù)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，必然有應用和發(fā)展的良好前景，而不是目前廣泛使用的基于PC的多媒體遠程監(jiān)控系統(tǒng)將成為必然趨勢。

2 嵌入式開發(fā)和狀態(tài)

進入20世紀90年代以來，嵌入式技術(shù)全面展開，目前的發(fā)展方向已經(jīng)成為一種常見的通信和消費類產(chǎn)品。在通信領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)正在全面取代模擬技術(shù)。在廣播電視領(lǐng)域，美國已經(jīng)從模擬電視開始向數(shù)字電視過渡，歐洲的DVB（數(shù)字電視廣播）技術(shù)已在全球大多數(shù)國家推廣。數(shù)字音頻廣播已進入商用階段。軟件、集成電路和新型元器件在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的越來越重要的作用。以上所有產(chǎn)品跟嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是分不開的。在個人領(lǐng)域中，嵌入式產(chǎn)品將主要被用來作為個人移動的數(shù)據(jù)處理工具和通信軟件。由于嵌入式設(shè)備具有自然的人機界面，多媒體界面給人很大的親和力。在手寫文字輸入、語音撥號、發(fā)送和接收電子郵件和彩色圖形圖像方面已取得初步成效。

3 嵌入式系統(tǒng)

3.1 定義和嵌入式系統(tǒng)的分類

目前，各種嵌入式系統(tǒng)的存在的定義，但沒有一個定義是全面的和非常準確的。下面給定的兩個合理的定義比較：

從技術(shù)角度定義：被定義為中心以計算機技術(shù)、硬件和軟件的可定制，以適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)；從的角度定義系統(tǒng)：一個嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計用來執(zhí)行復雜的硬件和軟件功能，并緊密地耦合到計算機系統(tǒng)。這些條款體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)是一個比較完整的體系，由嵌入式系統(tǒng)已知的通常。嵌入式系統(tǒng)中可以同時存在多個嵌入式系統(tǒng)。在正常情況下，根據(jù)歷史，性質(zhì)，普遍性要求，嵌入式系統(tǒng)可以被定義為：“嵌入對象系統(tǒng)的專用計算機系統(tǒng)”“嵌入”，“特異性”和“計算機系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

（1）嵌入式操作系統(tǒng)

早期的許多嵌入式系統(tǒng)根本就沒有操作系統(tǒng)，只不過有一個控制環(huán)而已。對很簡單的嵌入系統(tǒng)來說，這可能已經(jīng)足夠。不過，隨著嵌入式系統(tǒng)在復雜性上的增長，一個操作系統(tǒng)顯得重要起來。沒有操作系統(tǒng)的支持，將使軟件復雜度大幅增加且變得極不合理。隨著硬件的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域日益擴大，提供的應用功能也越來越復雜，當初的控制程序被隨之逐步加入了許多功能，而這些功能有很多是可以由操作系統(tǒng)來提供的。這很自然地會讓人聯(lián)想到應該為嵌入式系統(tǒng)做一個嵌入式操作系統(tǒng)。由于應用的需要和硬件條件的限制，嵌入式操作系統(tǒng)一般都注重占用空間小和效率高等特點。其實，嵌入式系統(tǒng)并不是一個新生的事物，從八十年代起，國際上就有一些組織、公司，開始進行商用嵌入式系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)的研發(fā)。在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程中，涉及許多技術(shù)的發(fā)展和方法是從通常的基于PC的軟件開發(fā)方法的不同。這些不同的項目和計劃，最終會影響到環(huán)境和塑造的最終產(chǎn)品。這些不同的關(guān)鍵技術(shù)主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（2）嵌入系統(tǒng)內(nèi)核的發(fā)展

這包括硬件和操作系統(tǒng)軟件內(nèi)核的選擇?；趯嵱霉δ艿那度胧较到y(tǒng)內(nèi)核來實現(xiàn)內(nèi)核的穩(wěn)定性，以確保最大限度地提高系統(tǒng)的內(nèi)核函數(shù)的工作效率，以減少冗余配置，讓整個嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于最優(yōu)化。

（3）嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程

由于嵌入式開發(fā)板的資源有限，不可能運行開發(fā)板開發(fā)和調(diào)試工具。因此，通常在嵌入式開發(fā)過程中，利用主機和目標機點的作用：在主機運行編譯、連接、計算機處理過程，目標是在硬件平臺上運行的嵌入式軟件。該應用程序必須先轉(zhuǎn)換到目標機器的二進制代碼運行。這一過程包括三個步驟：編譯、鏈接、定址。

（4）嵌入式平臺移植軟件

大多數(shù)嵌入式開發(fā)人員的軟件開發(fā)模式的選擇是在PC上編寫軟件，然后移植軟件。如果在PC上編寫軟件，要注意軟件的可移植性，選擇具有高可移植性的編程語言（如C++），調(diào)用操作系統(tǒng)功能盡量少。

（5）嵌入式系統(tǒng)的高效存儲

嵌入式系統(tǒng)下要實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)的高速傳輸是嵌入式系統(tǒng)最根本的特性，高速傳輸下對于數(shù)據(jù)的控制也是系統(tǒng)的關(guān)鍵。嵌入式系統(tǒng)的傳送以CPU為控制中心，再提供源地址和目的地址的情況下實現(xiàn)對數(shù)據(jù)本質(zhì)的判斷，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。在這種情況下，CPU在每個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸中都要執(zhí)行很多條命令，因此數(shù)據(jù)的存儲就會變慢，在嵌入式Linux系統(tǒng)中，利用RAID技術(shù)[3]實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的分塊實現(xiàn)存儲的加快，這樣就可以在CPU不介入的情況下完成數(shù)據(jù)的高速傳送，大大的提高數(shù)據(jù)的傳送速度，提高存儲效率。

4 圖像采集和傳輸?shù)闹饕Ｊ?/p>

基于遠程系統(tǒng)建設(shè)模式的圖像采集和B/S的傳輸，結(jié)合前面整個系統(tǒng)的模型的軟件框架。在最初引進boa和CGI，移植的詳細描述和C語言編寫的編程語言來完成，以實現(xiàn)圖像遠程實時動態(tài)顯示嵌入式服務器boa和CGI腳本突出的基礎(chǔ)瀏覽器，最終完成了互動和瀏覽器的遠程視頻傳輸系統(tǒng)。

圖像的基于GPRS無線遠程傳輸系統(tǒng)是利用單片機組成的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)完成遠程數(shù)據(jù)的無線傳輸，即在傳統(tǒng)的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加支持數(shù)據(jù)通信業(yè)務的GPRS模塊，并為其分配一個獨立的SIM卡，結(jié)合單片機系統(tǒng)通過串行通信接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸。傳輸終端可以是PC機，也可以是移動電話或移動終端。近年來，隨著無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，尤其是在成熟的應用GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線遠程通信，給圖像傳輸帶來了福音。

5 總結(jié)與展望

本文將嵌入式技術(shù)用于圖像的遠程采集傳輸之上，實現(xiàn)了基于嵌入式系統(tǒng)的圖像采集。提出的兩種傳輸方式經(jīng)過改善都可以應用于多種環(huán)境場合，在監(jiān)控等諸多領(lǐng)域都有重要的顯示意義。隨著社會的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域?qū)⑸婕皥D像的遠程采集，無論是基于有線還是無線的傳輸方式。同時，基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的應用有很多，圖像遠程采集系統(tǒng)的研究是比較有現(xiàn)實意義的方向。隨著嵌入式處理器性能的提高和Linux操俸系統(tǒng)的逐步普及，相信這方面的研究會有更廣闊的發(fā)展空聞。

參考文獻：

[1]周樹民.無線視頻傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國科學院研究生院，2006.

[2]邢玉東.基于$3C2410的嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)[D].吉林：吉林大學研究生院，2007.

[3]李紹民，滕國庫.嵌入式圖像采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計[J].大連海事大學學報，2004，30（02）：4246.

作者簡介：覃艷（1974-），女，布依族，副教授，碩士，CCF會員，主要研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機圖形圖像設(shè)計、安全監(jiān)控技術(shù)；周全華（1968-），女，講師，主要研究方向：高等數(shù)學、圖論、線性代數(shù)、數(shù)據(jù)分析；湯燕妮（1977-），女，講師，碩士，主要研究方向：教育學、教育管理。

作者單位：四川科技職工大學 信息與管理工程系，成都 610101；四川科技職工大學 基礎(chǔ)教研室，成都 610101