嵌入式動態(tài)圖像監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

謝發(fā)榮，張 力，陳宇星

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系，昆明 650500)

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主要由圖像采集端、嵌入式服務(wù)器、服務(wù)器端顯示、監(jiān)控終端4部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖像采集端采用USB攝像頭進行現(xiàn)場監(jiān)控采集，嵌入式服務(wù)器移植Boa為Web服務(wù)器，用C語言編寫CGI程序放在Web服務(wù)器上，監(jiān)控客戶端瀏覽器通過HTTP協(xié)議請求CGI網(wǎng)頁，Web服務(wù)器接收到客戶端請求，啟動圖像采集程序，采集程序可以把采集到的圖片直接保存成文件，可以用JPEG壓縮處理，也可以把圖片顯示在服務(wù)器端LCD上，同時Web服務(wù)器解析CGI網(wǎng)頁后給客戶端應(yīng)答，在客戶端網(wǎng)頁上就能顯示動態(tài)圖像。此外可以在客戶端網(wǎng)頁上可視化地配置服務(wù)端采集程序圖像幀率fps(frame per second)，圖像分辨率，圖像壓縮比，圖像顯示格式，服務(wù)器端LCD上是否實時顯示動態(tài)圖像等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件、操作系統(tǒng)及驅(qū)動程序

系統(tǒng)采用的處理器是Samsung公司生產(chǎn)的ARM體系16/32位ARM920T的RISC處理器S3C2440A。ARM的主要特點是高性能，低功耗，低價格，符合嵌入式產(chǎn)品需求。系統(tǒng)用到的外設(shè)主要有USB攝像頭和一個LCD等。有關(guān)該處理器的詳細信息可到Samsung公司官網(wǎng)查看技術(shù)文檔。操作系統(tǒng)內(nèi)核主目錄上的Makefile文件中有menuconfig，uImage，zImage等目標(biāo)，在命令行上鍵入 make menuconfig得到一個可視化選擇界面，可以選擇要參與編譯的選項，系統(tǒng)中使用到USB攝像頭，因此要注意選擇USB驅(qū)動支持和V4L2驅(qū)動選項，選擇后保存可以生成.config文件，再鍵入make uImage可生成內(nèi)核鏡像文件，利用bootloader把內(nèi)核鏡像文件下載到開發(fā)板的NandFlash，在u－boot的引導(dǎo)下操作系統(tǒng)就可以運行起來了［2］。

3 V4L2采集圖像以及JPEG壓縮

3.1 V4L2 采集圖像

Linux平臺下第一代視頻編程的接口是Video for Linux(V4L)，是為統(tǒng)一和規(guī)范各種視頻設(shè)備引入的統(tǒng)一接口，是各設(shè)備提供商在為設(shè)備編寫驅(qū)動時遵循的標(biāo)準(zhǔn)，也是編寫視頻應(yīng)用程序要遵循的標(biāo)準(zhǔn)。在Linux C下這個標(biāo)準(zhǔn)以頭文件的形式放于Linux內(nèi)核中。在Linux中視頻設(shè)備是設(shè)備文件，可以像訪問普通文件一樣對其讀寫，攝像頭在/dev/video0下。因為系統(tǒng)中USB攝像頭采用V4L2標(biāo)準(zhǔn)，所以以下主要介紹V4L2視頻采集接口的編程方法。采集過程定義了一個結(jié)構(gòu)如下。

typedef struct VideoBuffer{

void*start;//指向開始位置

size_t length;//長度

}VideoBuffer;//VideoBuffer類型定義一個緩沖，用來存放映射地址

采集流程如圖2所示。初始化包括打開設(shè)備文件、查詢設(shè)備是否具有特定的能力、設(shè)置圖片屬性(如圖片亮度、對比度)、設(shè)置圖片采集幀率。全部緩沖入隊列的目的是讓緩沖隊列的個數(shù)為申請到的緩沖個數(shù)，一般為5個，緩沖個數(shù)太小則會影響采集速度，太大會占用太多內(nèi)存。申請緩沖并映射包括向驅(qū)動申請緩沖，查詢緩沖的大小和偏移量，定義一個VideoBuffer*類型數(shù)據(jù)并分配地址，根據(jù)緩沖大小和偏移量將驅(qū)動的緩沖映射到用戶區(qū)域。采用內(nèi)存映射操作內(nèi)存就相當(dāng)于操作文件，對于讀取大量數(shù)據(jù)的文件是相當(dāng)有效的，而采用直接讀寫文件的方式讀寫太頻繁，造成讀寫效率低下速度慢［3－4］。是否可讀利用select函數(shù)監(jiān)控設(shè)備是否可讀，若不可讀或監(jiān)控超時則結(jié)束程序，若可讀則從隊列里取出一個數(shù)據(jù)處理，再入隊列以保持緩沖個數(shù)。

圖2 V4L2采集流

3.2 JPEG 圖像壓縮

實驗使用的USB攝像頭只支持MJPEG格式，是一種動態(tài)壓縮格式，相對JPEG壓縮而言，可在一幀內(nèi)對一部分壓縮，壓縮后傳輸，最后再補齊未壓縮的，而JPEG壓縮是對整個畫面壓縮，對每一幀的壓縮也是采用JPEG壓縮。因 V4L2中沒有提供對MJPEG壓縮的設(shè)置，分辨率640x480的一幀數(shù)據(jù)達90kB，若直接對其傳輸無法滿足實時性要求，所以對MJPEG數(shù)據(jù)的處理是用JPEG算法對其解壓，再用某些壓縮算法壓縮，系統(tǒng)仍采用JPEG壓縮，在不影響視覺情況下，一幀大小達10KB左右。在Linux下可采用jpeglib開源庫對數(shù)據(jù)進行解壓和壓縮處理，解壓處理過程數(shù)據(jù)流向是從文件到內(nèi)存，壓縮過程數(shù)據(jù)流向是從內(nèi)存到文件。JPEG解壓過程和壓縮過程可閱讀jpeglib的文檔。因程序在ARM Linux平臺上運行，應(yīng)該將jpeglib庫做交叉編譯，并將編譯過的庫拷貝到ARM Linux下。

4 圖像顯示

4.1 利用SDL庫將圖片顯示到LCD上

Simple Direct Media Layer(簡稱SDL)是一個跨平臺的多媒體庫，是直接控制底層的多媒體硬件接口。SDL在嵌入式平臺下使用FrameBuffer驅(qū)動。SDL是在GNU LGPL Version 2下發(fā)布的，這意味著可對SDL源代碼修改而不用公開代碼，免費用于商業(yè)軟件，libSDL庫可從官網(wǎng)下載［9－10］。用 SDL庫可直接將BMP圖片顯示在LCD上，但要顯示JPEG圖片，先要把它解壓才能顯示到LCD上，JPEG解壓過程如上節(jié)所述。根據(jù)SDL庫的開發(fā)文檔，顯示過程為先創(chuàng)建屏幕層，再創(chuàng)建圖層，在圖層上放JPEG解壓后的數(shù)據(jù)，再把圖層放到屏幕層上即可顯示，循環(huán)更改圖像層的數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)動態(tài)顯示圖像。

4.2 CGI C程序設(shè)計將圖片到網(wǎng)頁上

CGI(Common Gateway Interface)是通用網(wǎng)關(guān)接口，是Web服務(wù)器提供交互式信息服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)接口。Web服務(wù)器上執(zhí)行CGI程序后把輸出結(jié)果(特定功能的HTML代碼)給瀏覽器顯示［1］。CGI可用任何語言來編寫，但由于C語言是編譯執(zhí)行的，執(zhí)行速度快，并且具有很好的移植性，所以嵌入式Linux平臺下用C語言寫CGI是首選。Web服務(wù)器通過調(diào)用 CGI程序?qū)崿F(xiàn)和 Web瀏覽器的交互，POST方式時CGI通過標(biāo)準(zhǔn)輸入STDIN從Web服務(wù)器獲得輸入數(shù)據(jù)，GET方式時CGI通過環(huán)境變量從Web服務(wù)器獲得輸入數(shù)據(jù)，CGI處理輸入的數(shù)據(jù)后，Web服務(wù)器將CGI執(zhí)行結(jié)果(HTML文件)通過stdout給瀏覽器。編寫CGI程序前，要移植Web服務(wù)器Boa，它是一個小巧、高性能的自由軟件，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)［6、8］，移植過程可參考其文檔。系統(tǒng)中瀏覽器和Web服務(wù)器交互的方法采用GET方法。根據(jù)以上介紹，C語言編寫CGI程序時用函數(shù)getenv()獲得環(huán)境變量作為輸入數(shù)據(jù)，CGI各個環(huán)境變量的作用可參考相關(guān)文獻［1］，環(huán)境變量REQUEST_METHOD為瀏覽器和Web服務(wù)器交互方法，QUERY_STRING為GET方法時通過URL傳遞參數(shù)字符串［5、7］。輸出 html給 Web服務(wù)器解析的方法有兩種，第一種，用標(biāo)準(zhǔn)輸出函數(shù)如printf()，puts()，fprintf()，fwrite()等把HTML代碼輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出stdout，前兩個函數(shù)就是直接輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出，而后兩個函數(shù)要指明stdout，Web服務(wù)器對其解析并返回給瀏覽器。第二種，對于現(xiàn)成的HTML文件，CGI提供了重定向輸出，printf("Location: ../image.htm ")。系統(tǒng)采用第二種方法，把動態(tài)顯示圖片網(wǎng)頁做成image.htm。

以下制作顯示圖像頁面image.htm。動態(tài)顯示圖片的方法很多。方法一使用Java Applet不斷刷新;方法二用＜mata content－type=refresh content=n＞定時n秒刷新整個頁面;方法三用JavaScript腳本語言定時調(diào)用網(wǎng)頁重載函數(shù)setInterval(“window.location.reload()”，600)［8］; 方 法 四 使 用 框 架IFRAM。比較這些方法，方法一可實現(xiàn)動態(tài)圖像流暢顯示，由于Applet程序在瀏覽器的虛擬機中運行，開發(fā)者須確?？蛻舳税惭b適當(dāng)版本的Java運行環(huán)境。方法二和三都定時刷新整個頁面，使Web服務(wù)器負擔(dān)加重且圖片顯示不流暢。方法四因采用局部刷新頁面，效果比方法二、三好，Web服務(wù)器負擔(dān)減輕，但實現(xiàn)復(fù)雜，需要兩個以上網(wǎng)頁嵌套。系統(tǒng)利用JavaSctipt和圖像預(yù)加載技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)圖像顯示。

圖片預(yù)加載技術(shù)是指在顯示圖片前從服務(wù)器上加載圖片，顯示圖片時直接從瀏覽器緩存里顯示而不必從服務(wù)器下載。用JavaScript實現(xiàn)圖片預(yù)加載的原理是在HTML中建一個＜img＞圖片，在內(nèi)存中建立10個Image對象(因在圖像采集端采集到的圖像0.jpg…9.jpg)。預(yù)加載時指定每一張圖像的src屬性，因每次預(yù)加載都要從服務(wù)器端下載，所以在src屬性的地址后面加上隨機數(shù)Math.random()防止預(yù)加載使用緩存。在顯示圖片前都調(diào)用預(yù)加載函數(shù)，并指明HTML＜img＞的src屬性就為預(yù)加載圖片地址，二者地址要相同，否則顯示圖片時瀏覽器又要從服務(wù)器端下載圖片。可適當(dāng)調(diào)整調(diào)用預(yù)加載函數(shù)時間間隔來達到最佳效果，系統(tǒng)使用800ms。比較而言，使用Javascript和圖像預(yù)加載技術(shù)是一種實現(xiàn)簡單又效果明顯的方法。把以上圖像預(yù)加載的過程寫到image.htm文件，當(dāng)瀏覽器請求開始監(jiān)控時就重定向到image.htm實現(xiàn)了動態(tài)圖像監(jiān)控。CGI程序調(diào)用監(jiān)控程序，為確保只有一個監(jiān)控程序運行，利用了文件鎖技術(shù)，把監(jiān)控程序和一個文件相關(guān)聯(lián)，建立一個文件并把監(jiān)控程序的進程號寫入文件，在第一次調(diào)用監(jiān)控程序時給文件加排它鎖，若第二次啟動讀寫該文件內(nèi)容就會被拒絕，則不會再啟動監(jiān)控程序，做到了只有一個監(jiān)控程序運行。

5 實驗結(jié)果

在瀏覽器中輸入網(wǎng)址即可打開監(jiān)控主頁，可設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，如采集分辨率、亮度、幀率等，單擊開始監(jiān)控按鈕進入監(jiān)控頁面。此時開發(fā)板上的LCD和網(wǎng)頁都在動態(tài)的顯示監(jiān)控圖像。如圖3所示，LCD在顯示動態(tài)圖像，網(wǎng)頁上也在顯示動態(tài)圖像。單擊停止按鈕，操作系統(tǒng)發(fā)送一個停止信號給采集進程，監(jiān)控結(jié)束。

圖3 動態(tài)圖像監(jiān)控效果

6 結(jié) 束 語

系統(tǒng)利用V4L2編程對USB攝像頭采集圖片，把采集到的圖片用JPEG算法壓縮，使圖片壓縮比可控，并用SDL庫將采集到的圖像顯示在LCD液晶屏上，同時利用JavaScript和圖片預(yù)加載技術(shù)實現(xiàn)了網(wǎng)頁動態(tài)圖像的流暢顯示，可在瀏覽器端觀看動態(tài)的、實時的圖像。除了利用Ajax技術(shù)刷新網(wǎng)頁中的局部圖像，圖片預(yù)加載技術(shù)也是刷新局部圖像的好方法。這種方法是一種簡單、經(jīng)濟、可行的方法，既可實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控，又可大大減短開發(fā)周期。下一步可以把采集到的圖像壓縮成視頻傳輸或存儲，或?qū)D像進行分析以實現(xiàn)智能的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)。

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