一種基于ARM處理器的視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

李世超

摘要：體積小、操作簡單、滿足多種場景使用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，是獲取更多安全信息的有效途徑之一。本文運用嵌入式系統(tǒng)、圖形采集、圖像處理及圖像傳輸?shù)燃夹g(shù)，使用ARM處理器及外圍設(shè)備組建信號處理單元，設(shè)計了數(shù)據(jù)推送單元的硬件電路，搭建Camera數(shù)據(jù)推送單元所需的開發(fā)環(huán)境把處理過的圖像信號推送到Linux終端的Qt應(yīng)用中展示。所設(shè)計的系統(tǒng)，提高了穩(wěn)定性，具有一定的實際意義。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)推送單元；嵌入式終端

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）28-0276-03

視頻監(jiān)控技術(shù)與我們的生活有著不可分割的關(guān)系，現(xiàn)在人們越來越注重生活場所的安全，希望通過視頻監(jiān)控技術(shù)獲得更多的安全信息，而傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有體積大、價格昂貴、安裝拆卸不方便等眾多不便捷的因素。所以人們越來越迫切需要體積小、操作簡單、滿足多種場景使用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，Camera數(shù)據(jù)推送單元在這種背景下應(yīng)運而生，主要改善傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的使用不方便、操作復(fù)雜、復(fù)用能力差等缺點。從而形成了具有一定發(fā)展?jié)摿Φ氖袌觥amera數(shù)據(jù)推送單元在信號處理、監(jiān)控技術(shù)及通信技術(shù)的推動下不斷的完善。 Camera數(shù)據(jù)推送單元在當(dāng)下的發(fā)展?jié)u漸的開始從模擬信號時期轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號時期，數(shù)據(jù)推送單元加上組建普及的互聯(lián)網(wǎng)，他們結(jié)合后將會產(chǎn)生一種全新的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以被更多的用戶使用。而以Camera數(shù)據(jù)推送單元為基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控也將因此變?yōu)橐粋€很好的發(fā)展方向[2]?；ヂ?lián)網(wǎng)加入視頻傳輸之后，則會大大降低傳輸過程的成本，而且還具有便捷易復(fù)用的特點，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)則會發(fā)生翻天覆地的變化。使用Linux 操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)推送單元可以將應(yīng)用中的視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)路進行實時傳輸更新，傳輸后的視頻圖像可以顯示在用戶的屏幕上，也可以使用存儲設(shè)備將視頻信息存儲到硬盤中，以備后期的錄像查看以及視頻信息轉(zhuǎn)移等。

本設(shè)計介紹了一種基于 ARM 和 Linux操作系統(tǒng)的Camera數(shù)據(jù)推送單元的實現(xiàn)方案。本設(shè)計是以嵌入式ARM9為核心的硬件處理器，使用定制的Linux操作系統(tǒng)，使用ARM處理器及外圍設(shè)備組建信號處理單元，最后把處理過的圖像信號推送到Linux終端的Qt應(yīng)用中展示。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

攝像頭也被稱為電腦相機、電腦眼等，一般分為數(shù)字?jǐn)z像頭和模擬攝像頭兩大類。作為一種視頻輸入設(shè)備的它，在以往被普遍應(yīng)用于視頻會議、遠(yuǎn)程就診及遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面。近年來，隨著攝像頭制造技術(shù)的成熟，使得它的價格降低到多數(shù)人可以承受程度，尤其很多附加功能越來受到人們的歡迎。本文在系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)過程中所采用以下幾個關(guān)鍵技術(shù)。

1.1模擬攝像頭數(shù)據(jù)推送單元的設(shè)計

模擬攝像頭采集的是模擬信號，采集的視頻信號必須經(jīng)過特定的視頻捕捉卡將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并加以壓縮后才可以轉(zhuǎn)換到終端設(shè)備上使用。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，攝像頭是最基本、最前端、投資數(shù)量最多的產(chǎn)品，重要性毋庸置疑，它負(fù)責(zé)采集視頻圖像并將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，然后再進行傳輸使用，采集信號的質(zhì)量將直接影響視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整個使用環(huán)節(jié)，同時也決定整個系統(tǒng)的工程造價。

1.2數(shù)字?jǐn)z像頭數(shù)據(jù)推送單元的設(shè)計

數(shù)字?jǐn)z像頭將捕捉到的視頻信號直接存儲為數(shù)字信號，然后可以通過串口、并口或者USB傳送到終端顯示設(shè)備。如今市面上的攝像頭多數(shù)以數(shù)字?jǐn)z像頭為主，數(shù)字?jǐn)z像頭中多數(shù)以新型USB的數(shù)據(jù)傳輸接口進行數(shù)據(jù)傳輸。攝像頭的主要組件和結(jié)構(gòu)包括鏡頭、感光芯片、主控芯片、電源等。數(shù)字?jǐn)z像頭的工作原理為：景像通過鏡頭后生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器上，而后傳換成電信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）后將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再傳輸?shù)綌?shù)字信號處理芯片（DSP）中加工處理，然后再通過USB等接口傳輸?shù)浇K端處理，通過終端設(shè)備的顯示屏就可以看到圖像了。

2 數(shù)據(jù)推送單元軟件的設(shè)計

2.1 視頻圖像的采集

Linux系統(tǒng)中可使用USB攝像頭進行圖像的采集。Linux中的內(nèi)存分為了用戶空間和內(nèi)核空間，用戶空間可由應(yīng)用程序進行訪問，而內(nèi)核空間需要Linux系統(tǒng)進行操作和管理。采集圖像數(shù)據(jù)時，采集到的數(shù)據(jù)信息是存放在內(nèi)核空間的，如果用戶想要通過應(yīng)用程序進行操作則需要將數(shù)據(jù)信息的地址進行轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的連續(xù)采集需要使用內(nèi)存映射的方式，為了實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，即實現(xiàn)實時監(jiān)控，Linux系統(tǒng)中需要采用內(nèi)存映射的方式進行采集。與此同時還要解決因為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)過大而引起的花屏、掉幀、圖像失真等問題，具體解決辦法可以采用減小傳送數(shù)據(jù)所占的帶寬，為了保證圖像數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定的傳輸，選擇合適的圖像傳輸幀率，圖像壓縮率、屏幕分辨率、像素色深就會顯得尤為重要。

2.2驅(qū)動程序的設(shè)計

Linux系統(tǒng)中內(nèi)核與其應(yīng)用程序是分開管理的，包括內(nèi)核模式和用戶狀態(tài)兩個層次。內(nèi)核模式和權(quán)限模式具有不同的權(quán)限，內(nèi)核模式權(quán)限相對更高，如果想要改變分配方式、處理器內(nèi)存相關(guān)的映射都需要在內(nèi)核模式下實現(xiàn)。用戶狀態(tài)主要為系統(tǒng)使用者提供，用戶操作的應(yīng)用程序一般都是在用戶狀態(tài)下工作。如果使用者需要更高的權(quán)限或者需要訪問特殊的資源則需要切換到內(nèi)核模式下進行操作。Linux系統(tǒng)與外圍設(shè)備的進行交互時需要通過驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)，Linux以文件的形式存儲系統(tǒng)的驅(qū)動程序，驅(qū)動程序可以實現(xiàn)外圍設(shè)備對處理器中斷、DMA、定時器等的操作，從而搭建外圍設(shè)備與處理器連接的橋梁。

Linux操作系統(tǒng)可以支持豐富的USB外設(shè)，S3C2440已經(jīng)包含了USBHost驅(qū)動支持，在我們需要使用某個接口的驅(qū)動時，我們只需要配置相應(yīng)的內(nèi)核就可以了。因此開發(fā)者可以根據(jù)不同的外圍設(shè)備開發(fā)不同的驅(qū)動程序，快速實現(xiàn)處理器對外圍設(shè)備的控制。

常見的視頻設(shè)備包括CMOS攝像頭和USB攝像頭，Linux系統(tǒng)中視頻設(shè)備采用V4L標(biāo)準(zhǔn)。攝像頭應(yīng)用程序需要的庫文件、接口函數(shù)在V4L中都有提供，Linux操作系統(tǒng)與用戶應(yīng)用程序以及攝像頭設(shè)備驅(qū)動都可以通過V4L標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)傳輸和交流。

Linux操作系統(tǒng)通過./mknod命令來添加設(shè)備節(jié)點，各設(shè)備都會有自己的設(shè)備號，系統(tǒng)對設(shè)備的操作通過設(shè)備號進行建立聯(lián)系。本系統(tǒng)中使用一個USB攝像頭設(shè)備，在編程時不再需要單獨設(shè)置設(shè)備號。USB攝像頭驅(qū)動程序的實現(xiàn)流程如圖1所示：

2.3 Qt應(yīng)用程序的設(shè)計

2.3.1 Qt應(yīng)用程序簡介

Qt應(yīng)用是奇趣科技1991年開發(fā)的跨平臺圖形用戶界面開發(fā)框架，被廣泛用于開發(fā)GUI應(yīng)用程序，有時候也被稱為部件工具箱。也能用于非GUI應(yīng)用的開發(fā)，例如控制臺工具和服務(wù)器等。它是Digia公司的產(chǎn)品，使用標(biāo)準(zhǔn)的C++和特殊的代碼生成對象編譯器和一些宏。通過語言綁定，其他的編程語言也可以使用QT應(yīng)用。

Qt具有跨平臺特性，并且具有良好的封裝機制使得Qt的模塊化程序非常高，復(fù)用性較強；提供signal/slots機制替代callback，使得各個原件之間的工作變得十分簡單。除此之外，Qt還具有強大的C++圖形庫，近年來逐步集成數(shù)據(jù)庫、OpenGL、多媒體庫、網(wǎng)絡(luò)等，很好的豐富了Qt開發(fā)大規(guī)模的跨平臺應(yīng)用程序的能力。

2.3.2 Qt應(yīng)用程序的實現(xiàn)

在完成Linux開發(fā)所需要的環(huán)境后，即可以在虛擬機中進行Qt開發(fā)，最終的開發(fā)的應(yīng)用程序可以在開發(fā)板上調(diào)試運行。開發(fā)過程中需要使用arm-linux-gcc交叉編譯工具，

安裝arm-linux-gcc之前需要配置環(huán)境變量，安裝后可以使用./configure添加-thread選項，這樣就可以在庫文件中包含libqte-mt動態(tài)庫，從而可以支持多線程。Qt應(yīng)用程序的開發(fā)流程如圖2所示：

搭建開發(fā)環(huán)境以后，開發(fā)者就可以在宿主機上開發(fā)和調(diào)試應(yīng)用程序，經(jīng)過交叉編譯可生成可執(zhí)行文件。開發(fā)Qt應(yīng)用程序時，首先可繼承Qt已有的類，再根據(jù)所需要的功能編寫自己所需要的類，多數(shù)開發(fā)者都會按照這樣的思路去開發(fā)應(yīng)用程序。Qt應(yīng)用程序可以通過.pro文件進行工程管理，在設(shè)計時可以使用基于工程的一些方法。

Qt應(yīng)用程序在編程實現(xiàn)GUI時可以采用直接編程或使用Qt Designer實現(xiàn)。作為一種設(shè)計Widget的應(yīng)用程序，在它的界面上可以方便的進行各組件的分布，創(chuàng)建的GUI界面可供開發(fā)者直接進行可視化設(shè)計。開發(fā)Qt應(yīng)用程序時包含編寫源文件和下載開發(fā)板調(diào)試運行兩個階段，其中源文件的流程和編寫在本文中略。

3 結(jié)論

對于Camera數(shù)據(jù)推送單元的研究，結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)、圖形采集、圖像處理及圖像傳輸?shù)燃夹g(shù)，具有明顯的意義。文中所設(shè)計的系統(tǒng)不僅提高了監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且解決傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中攝像頭需要專門的布線才能將圖像信息傳遞給客戶端的缺點，更具有實際意義，例如加快國內(nèi)城鎮(zhèn)化與城市化建設(shè)，降低安全事故頻發(fā)區(qū)事故率，家居防盜和病人監(jiān)測等，這些方面都需要具有Camera數(shù)據(jù)推送單元的保證。

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