基于嵌入式Linux的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李彬

摘 要：為了解決傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在的諸多問(wèn)題，提出了一種基于嵌入式Linux遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以嵌入式Linux和控制器S3C2410為核心平臺(tái)，通過(guò)嵌入式平臺(tái)建立Web服務(wù)器和視頻服務(wù)器，利用基于TCP/IP的socket編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，將USB攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸傳送到視頻服務(wù)器客戶端?？蛻舳丝山邮者B續(xù)幀圖像并完成顯示，用戶可通過(guò)瀏覽器、手機(jī)端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控系統(tǒng)；S3C2410；網(wǎng)絡(luò)通信；Linux

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用需求，結(jié)合圖像采集壓縮編碼、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等幾方面的新技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮與網(wǎng)絡(luò)傳輸。該系統(tǒng)基于S3C2410的ARM920T芯片和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，采用USB攝像頭捕捉視頻，經(jīng)MPG-440芯片壓縮編碼，系統(tǒng)直接與網(wǎng)絡(luò)相連，用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和流媒體播放程序即可查看遠(yuǎn)程視頻影像。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，硬件設(shè)計(jì)模塊主要包括微控制器模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊3部分，微控制器模塊主要由主控芯片、DataFlash和SDRAM（1）組成，其中，主控芯片是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度工作。DataFlash里固化了嵌入式Linux內(nèi)核、及其文件系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和系統(tǒng)配置文件。SDRAM（1）作為內(nèi)存供系統(tǒng)運(yùn)行使用。壓縮編碼模塊由視頻數(shù)據(jù)采集芯片、MPEG-4壓縮編碼芯片、SDRAM（2）組成，負(fù)責(zé)將視頻流轉(zhuǎn)化為MPEG-4碼流。網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要是配合主控芯片傳送MPEG-4碼流。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，微控制器將Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)入SDRAM（1）中，系統(tǒng)從SDRAM（1）中啟動(dòng)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，微控制器控制MPEG-4編碼模塊。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Linux具有內(nèi)核小，效率高，源代碼開(kāi)放，內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)點(diǎn)。但嵌入式系統(tǒng)的硬件資源畢竟有限，因此不能直接把Linux作為操作系統(tǒng)，要針對(duì)具體的應(yīng)用通過(guò)配置內(nèi)核、裁減shell和嵌入式C庫(kù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定制，使整個(gè)系統(tǒng)能夠存放到容量較小的Flash中。Linux的動(dòng)態(tài)模塊加載，使Linux的裁減極為方便，高度模塊化的部件使添加非常容易。嵌入式Linux系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成：引導(dǎo)內(nèi)核啟動(dòng)的文件（bootloader）、Linux內(nèi)核文件（kernel）、虛擬磁盤(pán)文件（ramdisk）、用戶空間文件（user）。它們分別被放在DataFlash內(nèi)的4個(gè)分區(qū)模塊中。

Linux移植技術(shù)已經(jīng)成熟，不作詳細(xì)的闡述。下文主要介紹USB攝像頭驅(qū)動(dòng)、基于V4L設(shè)計(jì)的視頻采集模塊和視頻壓縮編碼模塊的設(shè)計(jì)。

2.1USB攝像頭驅(qū)動(dòng)

搭建好嵌入式Linux的開(kāi)發(fā)環(huán)境后，第一步工作就是USB攝像頭的安裝與驅(qū)動(dòng)。在Linux下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以看成Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣來(lái)操作外部設(shè)備，可以使用和操作文件中相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)來(lái)完成對(duì)硬件設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫(xiě)和I/O控制操作，而驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。

Video4Linux（V4L）是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它為針對(duì)視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)。對(duì)于USB口攝像頭，其驅(qū)動(dòng)程序中需要提供基本的I/O操作接口函數(shù)open，read，write，close的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用操作時(shí)，Linux內(nèi)核將通過(guò)file-operations結(jié)構(gòu)訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。在系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì)USB口數(shù)碼攝像頭進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，首先把USB控制器驅(qū)動(dòng)模塊靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，使平臺(tái)中支持USB接口，再在需要使用攝像頭采集時(shí)，使用insmode動(dòng)態(tài)加載其驅(qū)動(dòng)模塊，這樣攝像頭就可正常工作了。確定USB攝像頭被正常驅(qū)動(dòng)后，下一步就是使用Video4Linux提供的API函數(shù)集來(lái)編寫(xiě)視頻采集程序。

2.2基于V4L設(shè)計(jì)的視頻采集模塊

在Linux下，所有外設(shè)都被看成是一種特殊的文件，稱為設(shè)備文件。系統(tǒng)調(diào)用是內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，而設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則是內(nèi)核和外設(shè)之間的接口。他完成設(shè)備的初始化和釋放、對(duì)設(shè)備文件的各種操作和中斷處理等功能，為應(yīng)用程序屏蔽了外設(shè)硬件的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像普通文件一樣對(duì)外設(shè)進(jìn)行操作。

Linux系統(tǒng)中的視頻子系統(tǒng)Video4Linux為視頻應(yīng)用程序提供了一套統(tǒng)一的API，視頻應(yīng)用程序通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用即可操作各種不同的視頻捕獲設(shè)備。Video4Linux向虛擬文件系統(tǒng)注冊(cè)視頻設(shè)備文件，應(yīng)用程序通過(guò)操作視頻設(shè)備文件實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻設(shè)備的訪問(wèn)。

2.3視頻壓縮編碼模塊

獲取圖像數(shù)據(jù)后，可以直接輸出到FrameBuffer進(jìn)行顯示，由于本系統(tǒng)要將采集到的視頻影響通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸出去，所以在傳輸之前要對(duì)原始的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，在此選用映佳公司的MPG440芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)MPEG-4視頻編解碼方案。和其他標(biāo)準(zhǔn)相比，MPEG-4壓縮比更高，節(jié)省存儲(chǔ)空間，圖像質(zhì)量更好，特別適合在低帶寬條件下傳輸視頻，并能保持圖像的質(zhì)量。對(duì)視頻流進(jìn)行壓縮編碼以后，接下來(lái)就要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸部分的功能。

流媒體指的是在網(wǎng)絡(luò)中使用流技術(shù)傳輸?shù)倪B續(xù)時(shí)基媒體，RTP是目前解決流媒體實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題的最好辦法，JRTPLIB是一個(gè)面向?qū)ο蟮腞TP庫(kù)，他完全遵循RFC1889設(shè)計(jì)，下面講述如何在Linux平臺(tái)上運(yùn)用RTP協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)流媒體編程。

3結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)基于S3C2410平臺(tái)和Linux操作系統(tǒng)，利用Video4Linux設(shè)計(jì)采集程序，使用MPEG-4壓縮編碼，通過(guò)實(shí)時(shí)流媒體傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸，整個(gè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、安裝簡(jiǎn)便、成本低廉等特點(diǎn)，監(jiān)控距離隨網(wǎng)絡(luò)延伸而不斷加長(zhǎng)，具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景?？蓴U(kuò)展應(yīng)用在工業(yè)控制、視頻會(huì)議系統(tǒng)、可視電話、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

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