基于ARM 11和Linux的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

任克強(qiáng)，劉 蘇，謝 斌

(江西理工大學(xué)信息工程學(xué)院，江西贛州341000)

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻處理技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用中的一個重要領(lǐng)域［1－2］。嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是集成了微處理器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制以及人工智能為一體的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以其成本低、體積小、性能穩(wěn)定及通信便利等特點(diǎn)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用［3］。

ARM系列處理器具有較好的數(shù)據(jù)處理能力和低廉的價格，被廣泛應(yīng)用到嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中。目前，以ARM9處理器為核心的視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要依靠專門的編解碼芯片來彌補(bǔ)ARM9處理器視頻信號處理能力的不足，增加了系統(tǒng)成本［4］。嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可采用 C/S(Client/Server，客戶機(jī)/服務(wù)器)和 B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器)兩種模式，C/S模式具有專用性、交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但客戶端和服務(wù)器端都需要特定軟件的支持，系統(tǒng)升級和維護(hù)較為麻煩［5］。因此，本文在Linux平臺上，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以高性能的ARM11處理器S3C6410作為嵌入式視頻Web服務(wù)器，克服了ARM9處理器在視頻信號處理方面的不足;采用B/S模式，統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)集中到視頻監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器上，與C/S模式相比，降低了成本，系統(tǒng)升級和維護(hù)更加方便，有利于系統(tǒng)的推廣使用。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，主要由視頻Web服務(wù)器和視頻監(jiān)控終端兩部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

視頻Web服務(wù)器中固化了Linux系統(tǒng)和MJPG－streamer應(yīng)用程序，采用多線程模式，支持多監(jiān)控終端同時進(jìn)行監(jiān)控。視頻監(jiān)控終端可以是手機(jī)和平板PC等移動終端，也可以是PC等固定終端，采用有線或者無線的方式進(jìn)行視頻監(jiān)控。

USB攝像頭將采集到的原始視頻數(shù)據(jù)傳遞給ARM11處理器進(jìn)行壓縮編碼，服務(wù)器端啟動服務(wù)，監(jiān)聽監(jiān)控終端的請求;當(dāng)監(jiān)控終端通過Web瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送視頻請求時，服務(wù)器開啟一個線程，通過TCP/IP協(xié)議將視頻流傳輸給監(jiān)控終端，監(jiān)控終端即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時視頻監(jiān)控;服務(wù)結(jié)束后，監(jiān)控終端向服務(wù)器發(fā)送請求結(jié)束會話，服務(wù)器關(guān)閉線程，釋放資源。

2 硬件設(shè)計

視頻Web服務(wù)器由ARM11處理器S3C6410、NAND Flash、SDRAM、RTC 電路、復(fù)位電路、USB 攝像頭和DM9000等構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)

S3C6410是基于ARM11內(nèi)核(ARM1176JZF－S)的高性能低功耗多媒體應(yīng)用處理器，具有強(qiáng)大的硬件MFC(Multi－Format Video Codec，多格式視頻編解碼器)，完善的功能模塊以及高達(dá)667 MHz的運(yùn)行頻率，可滿足實(shí)時視頻信號處理的要求。USB攝像頭采集原始視頻數(shù)據(jù)并傳遞給S3C6410處理器，S3C6410處理器對原始視頻進(jìn)行壓縮編碼;通過DM9000接入Internet，采用TCP/IP協(xié)議傳輸視頻流。NAND Flash采用4 Gbyte的K9LBG08U0D芯片，主要用于存放Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)以及應(yīng)用程序等。SDRAM采用256 Mbyte的DDR存儲器，傳輸速率可達(dá)266MHz。RTC電路配置了一個CR1220型號的紐扣電池，掉電時為系統(tǒng)的實(shí)時時鐘供電。

3 軟件設(shè)計

視頻Web服務(wù)器軟件主要包括Linux系統(tǒng)和MJPG－streamer應(yīng)用程序兩大部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)

3.1 Linux移植

Linux系統(tǒng)主要包括BootLoader、Linux內(nèi)核、硬件驅(qū)動和根文件系統(tǒng)4個部分。采用交叉編譯方式，系統(tǒng)軟件平臺采用Linux發(fā)行版 ubuntu12.04，交叉編譯器使用arm－linux－gcc4.3.2版本。本系統(tǒng)所用的網(wǎng)卡和 USB 攝像頭等硬件驅(qū)動已集成在Linux系統(tǒng)中，不需要再編寫相應(yīng)的驅(qū)動代碼，只需要在編譯內(nèi)核時進(jìn)行選擇和配置即可。

1)BootLoader移植

BootLoader在嵌入式Linux內(nèi)核執(zhí)行之前初始化硬件設(shè)備，通過系統(tǒng)庫函數(shù)mmap()將用戶空間的內(nèi)存區(qū)域映射到內(nèi)核空間，為運(yùn)行Linux內(nèi)核做準(zhǔn)備。U－Boot(Universal Boot Loader，通用引導(dǎo)裝載程序)遵循GPL公約，支持ARM處理器和Linux，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性［6］;此外還支持NFS掛載，使產(chǎn)品設(shè)計調(diào)試更加方便。本系統(tǒng)選用uboot1.1.6，將源碼拷貝到ubuntu的工作目錄下進(jìn)行解壓、配置和編譯，編譯成功后，將在uboot1.1.6目錄下產(chǎn)生名為u－boot.bin的二進(jìn)制映像文件。

2)Linux內(nèi)核移植

GNU/Linux操作系統(tǒng)分為用戶空間和內(nèi)核空間兩部分。用戶空間主要包括應(yīng)用程序和庫函數(shù)。Linux內(nèi)核位于內(nèi)核空間中，包括了系統(tǒng)調(diào)用接口、進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動等組件，在內(nèi)存和CPU使用方面具有較高的效率。本系統(tǒng)選用Linux3.0.1版本的內(nèi)核，該版本內(nèi)核較穩(wěn)定。編譯內(nèi)核采用圖形化方式配置，首先需要安裝libncurses5－dev軟件包，命令為:#sudo aptget install libncurses5－dev。Linux系統(tǒng)自2.4 版本以后的內(nèi)核都支持UVC視頻設(shè)備。因此，不需要另外安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序，降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。為了能夠驅(qū)動USB攝像頭，配置內(nèi)核的時候，在Device Drivers選單里面選擇 Multimedia devices，進(jìn)入 Video capture adapters，將［*］V4L USB devices下的＜* ＞USB Video Class(UVC)［*］UVC input events device support選中，保存退出。執(zhí)行#make zImage 命令，最后在內(nèi)核源碼目錄/linux－3.0.1/arch/arm/boot中得到Linux內(nèi)核映像文件zImage。

3)根文件系統(tǒng)移植

Yaffs2是一種適用于NAND Flash的嵌入式文件系統(tǒng)，具有速度快、掛載時間短和對內(nèi)存占用較小等優(yōu)點(diǎn)，為嵌入式系統(tǒng)提供了直接訪問文件系統(tǒng)的API［7］。使用Busybox軟件構(gòu)建Yaffs2文件目錄，并且將一些基本的庫函數(shù)和連接文件拷貝到相應(yīng)的文件目錄中。

3.2 MJPG－streamer移植

MJPG－streamer是一個視頻流應(yīng)用軟件，使用V4L(Video for Linux)第二版本的接口，通過文件或者HTTP方式訪問linux－UVC兼容攝像頭［8］。本系統(tǒng)使用羅技C270網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集，該攝像頭屬于UVC類型的視頻設(shè)備，采用CMOS成像元件來捕獲畫面，支持720p視頻拍攝，最高速度可達(dá)30 f/s(幀/秒)，采集圖像的最大分辨率為1 024×768，支持USB2.0接口。視頻采集功能通過調(diào)用mmap()函數(shù)將視頻采集設(shè)備映射到系統(tǒng)內(nèi)存中來實(shí)現(xiàn)，取代了傳統(tǒng)的直接讀取用戶空間設(shè)備的方式，繞過了內(nèi)核緩沖區(qū)，加快了視頻數(shù)據(jù)的處理速度，提高了實(shí)時性。

S3C6410處理器將攝像頭采集到的圖像存入globalbuffer中，當(dāng)視頻監(jiān)控終端向視頻Web服務(wù)器發(fā)出訪問申請時，服務(wù)器會將globalbuffer緩沖中的圖像數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送給視頻監(jiān)控終端，形成視頻流。MJPG－streamer利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭自帶的硬件壓縮功能處理圖像，減少了CPU的負(fù)荷，特別適用于嵌入式設(shè)備。

1)jpeg庫的移植

MJPG－streamer應(yīng)用程序采用jpeg庫進(jìn)行視頻圖像的編碼，所以需要進(jìn)行jpeg庫的移植。

(1)將 jpeg庫源碼 jpegsrc.v8b.tar.gz拷貝到宿主機(jī)ubuntu12.04的工作目錄/test下并解壓;

(2)創(chuàng)建用來存放jpeg源碼編譯后生成的動態(tài)庫文件目錄:#mkdir－p/home/6410/jpeg;

(3)參數(shù)配置:#./configure－－prefix=/home/6410/jpeg－ －h(huán)ost=arm－none－linux－gnueabi;

(4)編譯并安裝，在/home/6410/jpeg目錄下生成MJPG－streamer需要的動態(tài) jpeg庫文件 libjpeg.so.8，將該庫文件拷貝到根文件系統(tǒng)中。

2)MJPG－streamer的移植

(1)將MJPG－streamer源碼MJPG－streamer－r63.tar.gz拷貝到工作目錄/test下并解壓;

(2)修改input_uvc文件夾下的Makefile文件使程序能夠調(diào)用上一步中編譯好的jpeg的庫文件和頭文件。將CFLAGS+= －O2－DLINUX －D_GNU_SOURCE －Wall－shared－fPIC修改為CFLAGS+= －O2－DLINUX －D_GNU_SOURCE －Wall－shared －fPIC －I/home/6410/jpeg/include;將MYM(CC)MYM(CFLAGS)－ljpeg － o MYM@input_uvc.c v4l2uvc.lo jpeg_utils.lo dynctrl.lo修改為MYM(CC)MYM(CFLAGS)－ljpeg －L/home/6410/jpeg/lib － o MYM@input_uvc.cv4l2uvc.lo jpeg_utils.lo dynctrl.lo;

(3)編譯:#make CC=arm－linux－gcc。編譯完成后將生成動態(tài)庫文件，將動態(tài)庫文件input_uvc.so、output_http.so、output_file.so 和 www 文件夾拷貝到根文件系統(tǒng)中。

input_uvc.so組件用于系統(tǒng)從UVC攝像頭中獲取視頻數(shù)據(jù)，并將視頻數(shù)據(jù)輸出到output_http.so和output_file.so這2個組件中。輸出到output_file.so組件中的是jpg格式圖片，客戶端可通過瀏覽器以HTTP的方式訪問視頻和圖像數(shù)據(jù)，也可以通過文件的方式訪問圖像數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

利用USB燒寫方法，將編譯好的u－boot、zImage和rootfs.yaffs2燒寫到 S3C6410處理器中。視頻設(shè)備在Linux中作為普通文件對其進(jìn)行操作，USB攝像頭的設(shè)備文件標(biāo)識符為/dev/videoN(N為一個非負(fù)整數(shù))。在根文件系統(tǒng)/sbin目錄下編寫一個開機(jī)自啟動腳本start_mjpg，修改Linux啟動配置文件/etc/init.d/rcS，加入/sbin/start_mjpg。腳本內(nèi)容如下:mjpg_streamer–i“input_uvc.so–d/dev/video2–f30–r640x480”–o“output_http.so–w/www– c abc:123– p 8080”– o“output_file.so– d 60000–f/tmp”–b。其中:－d/dev/video2表示使用的視頻設(shè)備節(jié)點(diǎn)為video2;－f 30表示幀率為30 f/s;－r 640×480表示圖像分辨率為640×480;－w/www表示幀圖像輸出文件目錄為/www;－c abc:123表示用戶訪問的用戶名和密碼;－p 8080表示端口號為8080;－d 60000表示保存圖片間隔，單位為ms;－f/tmp表示保存jpg格式圖片的文件夾;－b表示守護(hù)進(jìn)程模式。

在minicom通信軟件中，使用top命令查看內(nèi)存和CPU使用情況，該視頻監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)程占用30%左右的內(nèi)存，CPU的占用率為5%左右。

圖4為PC機(jī)的測試結(jié)果，主要測試PC機(jī)作為固定終端，通過瀏覽器和VLC流媒體播放器進(jìn)行實(shí)時視頻監(jiān)控的效果。PC機(jī)的參數(shù)為:AMD Liano APU A4－3300M 1.9 GHz CPU，2 Gbyte內(nèi)存，Windows XP SP3。圖4a是視頻Web服務(wù)器采集的實(shí)時圖像。在PC機(jī)的瀏覽器中輸入視頻 Web 服務(wù)器的 IP 地址(http://192.168.1.102:8080/?action=stream)，即可進(jìn)行實(shí)時視頻監(jiān)控，如圖4b所示。此外，也可以通過VLC流媒體播放器進(jìn)行實(shí)時視頻監(jiān)控，如圖4c所示。

圖5為平板PC和手機(jī)的測試結(jié)果，主要測試采用移動終端進(jìn)行實(shí)時視頻監(jiān)控的效果。手機(jī)參數(shù)為:A9雙核1.4 GHz處理器，Android 4.1.1 操作系統(tǒng)。平板 PC 參數(shù)為:A5X雙核1 GHz處理器，iOS5.1操作系統(tǒng)。移動終端通過TP－LINK無線路由器接入Internet，在平板PC和手機(jī)的瀏覽器中輸入視頻Web服務(wù)器的IP地址，移動終端監(jiān)控的實(shí)時視頻圖像分別如圖5b和圖5c所示。

圖4 PC機(jī)的測試結(jié)果(截圖)

圖5 平板PC和手機(jī)的測試結(jié)果(截圖)

圖4和圖5的測試結(jié)果表明，固定終端和移動終端獲取的實(shí)時視頻圖像清晰流暢、無失真和抖動現(xiàn)象，取得了較好的實(shí)時視頻監(jiān)控效果。

5 總結(jié)

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)以高性能的S3C6410處理器為核心構(gòu)建視頻Web服務(wù)器，利用開源的Linux和MJPG－streamer構(gòu)建系統(tǒng)控制軟件，采用B/S模式統(tǒng)一客戶端，視頻監(jiān)控終端只要有瀏覽器就可進(jìn)行實(shí)時視頻監(jiān)控，并且支持多個/多種監(jiān)控終端同時進(jìn)行實(shí)時視頻監(jiān)控。該系統(tǒng)具有成本低、體積小、功耗低、升級維護(hù)方便以及運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，可用于校園監(jiān)控、交通監(jiān)控、家居安防以及遠(yuǎn)程教育等眾多領(lǐng)域，具有較好的應(yīng)用前景。

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