基于ARM的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)
摘要： 將嵌入式Linux和無線網(wǎng)絡(luò)引入到視頻監(jiān)控系統(tǒng),，闡述了系統(tǒng)的硬件組成,；介紹了USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的過程；從嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境的搭建,、嵌入式流媒體服務(wù)器的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)等方面介紹了軟件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程,；對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)所涉及到的雙緩沖技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,。實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有可靠性高,、體積小,、成本低和使用便利等特點(diǎn)，適用于移動(dòng)視頻監(jiān)控等實(shí)際場(chǎng)合,。
Abstract：
Key words :
摘要：將嵌入式Linux和無線網(wǎng)絡(luò)引入到視頻監(jiān)控系統(tǒng),，闡述了系統(tǒng)的硬件組成,；介紹了USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的過程；從嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境的搭建,、嵌入式流媒體服務(wù)器的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)等方面介紹了軟件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程,；對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)所涉及到的雙緩沖技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明,，該系統(tǒng)具有可靠性高,、體積小、成本低和使用便利等特點(diǎn),，適用于移動(dòng)視頻監(jiān)控等實(shí)際場(chǎng)合,。
傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用PC服務(wù)器的C／S(Client／Server)結(jié)構(gòu)，視頻服務(wù)器由計(jì)算主機(jī)和許多存放視頻的磁盤陳列組成,，專門用于視頻的存儲(chǔ)和傳輸。流式傳輸采用的是邊接收邊播放的原則,，這需要將多媒體的編,、解碼和傳輸技術(shù)很好地結(jié)合在一起。目前多媒體的編解碼技術(shù)如MPEG-4,，H．264等,，可以以較小的帶寬開銷來實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的視頻傳輸，然而目前的傳輸技術(shù)卻無法滿足移動(dòng)視頻監(jiān)控的需求,，因?yàn)樵O(shè)備的移動(dòng)速度和所在位置都會(huì)嚴(yán)重影響到傳輸,。傳統(tǒng)流媒體系統(tǒng)體積大、成本高,、可靠性低且移植性差,，不能滿足這種特殊場(chǎng)合的應(yīng)用要求,。
針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)的不足，本文提出了基于ARM的移動(dòng)觀頻監(jiān)控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),，設(shè)計(jì)了一種專門功能,、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的流媒體服務(wù)器；采用Boa作為Web服務(wù)器,，并通過瀏覽器來監(jiān)控,，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)監(jiān)視；采用雙緩沖技術(shù),，確保用戶能夠得到較好,、較穩(wěn)定的播放質(zhì)量；利用USB無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)無線上網(wǎng),，免去布線的煩惱,，方便地實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)視頻監(jiān)控的功能。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
硬件平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的基礎(chǔ),。本系統(tǒng)主要由流媒體服務(wù)單元,、USB無線網(wǎng)卡、無線路由,、攝像頭和監(jiān)控端組成,。流媒體服務(wù)單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要由嵌入式Linux,、嵌入式處理器和外圍器件組成,。
嵌入式處理器采用Intel XScale結(jié)構(gòu)的PXA27嵌入式微處理器，最高主頻可達(dá)* MHz,；加入wireless MMX技術(shù),，大大提升了多媒體處理能力；加入Intel SpeedStep動(dòng)態(tài)管理電源技術(shù),，在保證CPU性能的情況下,，最大限度地降底移動(dòng)設(shè)備的功耗。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上,，本系統(tǒng)擴(kuò)展了64 MB Nand FLASH,，64 MB SDRAM，16 MB Nor FLASH,，4個(gè)USB主接口以及一個(gè)從接口,。USB一主接口接攝像頭，用于采集視頻數(shù)據(jù),；USB一主接口接無線網(wǎng)卡,，用于發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)卡采用了TCP／IP、NETBEUI傳輸協(xié)議,，傳輸速率為11 Mb／s,，5．5 Mb／s，2 Mb／s,，1 Mb／s,。其最大覆蓋范圍為35～100 m(室內(nèi))、100～300 m(室外),，能較好地滿足移動(dòng)視頻監(jiān)控的要求,。本系統(tǒng)硬件組成圖如圖1所示。
以PXA270為核心接收攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù),，經(jīng)過編碼后通過無線網(wǎng)卡發(fā)送,，再經(jīng)由無線路由接入以太網(wǎng),，用戶通過Internet接收到視頻信息,。
2 USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)
在Linux系統(tǒng)中，提供了主機(jī)側(cè)和設(shè)備側(cè)視角的USB驅(qū)動(dòng)框架,。從主機(jī)側(cè)角度而言,，需要編寫的USB驅(qū)動(dòng)程序包括主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)兩大類。主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆赨SB驅(qū)動(dòng)程序的核心,，這部分在Linux內(nèi)核源碼中已經(jīng)有很好的支持,。本節(jié)將重點(diǎn)介紹USB無線網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。
2．1 USB驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)和注銷
usb_ids描述了這個(gè)USB驅(qū)動(dòng)所支持的USB設(shè)備列表,。
2．2 探測(cè)和斷開函數(shù)
在編寫USB無線網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí),，很重要的一步是probe()和disconnect()函數(shù)，即探測(cè)和斷開函數(shù),，它們分別在設(shè)備被插入和拔出的時(shí)候被調(diào)用,，用于初始化和釋放硬件資源。
2．3 USB請(qǐng)求塊(URB)
USB無線網(wǎng)卡本身的驅(qū)動(dòng)部分的讀寫等操作流程有其特殊性,，即以USB請(qǐng)求塊(URB)來貫穿始終,。URB是USB主機(jī)與無線網(wǎng)卡設(shè)備通信的電波。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
基于ARM的移動(dòng)視頻監(jiān)控的軟件設(shè)計(jì)包括嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的搭建與移動(dòng)視頻監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)兩大部分,。
3．1 基于ARM的嵌入式Linux開發(fā)平臺(tái)
本方案采用了Linux嵌入式操作系統(tǒng),，以Linux2．6．24為基礎(chǔ)進(jìn)行裁減定制自己的內(nèi)核，在編譯內(nèi)核時(shí)保留必須的文件系統(tǒng),、存儲(chǔ)器,、串口、USB,、以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng),，將攝像頭、USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)以模塊的形式編譯,，以減少編譯后內(nèi)核的大小,。Bootloader采用blob,，燒寫blob后利用tftp協(xié)議實(shí)現(xiàn)Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)在Flash上的燒寫。在Redhat 9安裝Arm-linux-gcc,。建立交叉編譯環(huán)境,，實(shí)現(xiàn)流媒體服務(wù)器和Boa在PAX270上的搭建。鑒于現(xiàn)在燒寫技術(shù)已經(jīng)很成熟,，故不詳細(xì)討論,。
3．2 移動(dòng)視頻監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)
移動(dòng)視頻監(jiān)控軟件完成的主要功能有：設(shè)計(jì)流媒體服務(wù)器采集并傳輸攝像頭拍攝的視頻信息；構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器Boa,；動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)以及流媒體服務(wù)器,、web服務(wù)器與瀏覽器之間的通信等任務(wù)。因此系統(tǒng)軟件框架如圖2所示,。
3．2．1 流媒體服務(wù)器的設(shè)計(jì)
流媒體服務(wù)器主程序用于開放某個(gè)視頻服務(wù)器端口,，并不斷*端口，如有連接請(qǐng)求則建立連接,，建立后流媒體服務(wù)進(jìn)程將不斷向端口提供采集到的視頻數(shù)據(jù)流同時(shí)也接收客戶端發(fā)送過來的視頻調(diào)節(jié)命令參數(shù),。流媒體服務(wù)器主程序流程圖如圖3所示。
(1)采集視頻數(shù)據(jù)
系統(tǒng)是在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)上采用Video4Linux編程來采集視頻的,。一般攝像頭是直接讀視頻設(shè)備,，采集到視頻數(shù)據(jù)并存在文件中。對(duì)文件進(jìn)行操作,，這樣程序運(yùn)行效率會(huì)很低,。本系統(tǒng)摒棄這種方法，采用mmap(內(nèi)存映射)方式截取視頻數(shù)據(jù),。mmap()系統(tǒng)調(diào)用使得進(jìn)程之間通過映射同一個(gè)普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存,。普通文件被映射到進(jìn)程地址空間后，進(jìn)程可以向訪問普通內(nèi)存一樣對(duì)文件進(jìn)行訪問,，不必再調(diào)用read(),，write()等操作。采用共享內(nèi)存通信的一個(gè)顯而易見的好處是效率高,，因?yàn)檫M(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存,，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝。
(2)傳輸視頻數(shù)據(jù)
本系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻數(shù)據(jù),，用套接字(Socket)編程實(shí)現(xiàn),。
(3)采集線程與傳輸線程同步
流媒體服務(wù)器的設(shè)計(jì)有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：保證連續(xù)不斷的視頻流。針對(duì)這一點(diǎn),，本系統(tǒng)采用多線程編程,，采集和傳輸并行執(zhí)行。用互斥量和標(biāo)志位來實(shí)現(xiàn)采集線程和傳輸線程的同步。
采集數(shù)據(jù)時(shí)給互斥量加鎖,，直到當(dāng)前幀采集完并填充完當(dāng)前幀頭結(jié)構(gòu)體才解鎖互斥量,，再開始傳輸。同理,，傳輸當(dāng)前幀時(shí)采集線程等待,，直到當(dāng)前幀傳輸完。采集完兩幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)诙?。傳輸完成后,，采集完第三幀傳輸?shù)谌龓Ｒ来搜h(huán),，采集完第N幀傳輸?shù)贜幀,。此時(shí)實(shí)際只傳輸了第2幀到第N幀，即N-1幀,。
用戶的視覺反應(yīng)需要時(shí)間,，此丟棄第一幀的設(shè)計(jì)思想并不會(huì)使畫面失真。反而連續(xù)不斷的視頻流傳輸?shù)娇蛻舳藶橛脩裟軌颢@得良好的視頻質(zhì)量打下了基礎(chǔ),。
采集線程：
3．2．2 動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)
嵌入式Web服務(wù)器是Web服務(wù)器簡(jiǎn)化后的專用系統(tǒng),。本系統(tǒng)選用適合嵌入式系統(tǒng)的Boa Web服務(wù)器,。Boa是一個(gè)單任務(wù)的HTTP服務(wù)器,，支持能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)Web技術(shù)的Java Script技術(shù)，源代碼開放,，性能高,。同時(shí)服務(wù)器本身所占空間很小，因而十分適用于嵌入式系統(tǒng),。
鑒于Boa移植技術(shù)已經(jīng)很成熟,，故不詳細(xì)討論。
Applet是能夠嵌入到一個(gè)HTML頁(yè)面中,，且可通過Web瀏覽器下載和執(zhí)行的一種Java類,。它是Java技術(shù)容器(container)的一種特定類型。Applet可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,，由瀏覽器自動(dòng)裝載并執(zhí)行,。這恰恰非常符合本系統(tǒng)的要求，因此選用Applet來很好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè),，打開網(wǎng)頁(yè)就可以看到視頻數(shù)據(jù),，方便快捷。
(1)設(shè)計(jì)流程
Applet不能單獨(dú)運(yùn)行,，需要嵌入在網(wǎng)頁(yè)中借助瀏覽器的解釋,。必須要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)HTML文件來告訴瀏覽器需裝載什么以及如何運(yùn)行它。其執(zhí)行順序如下：
①瀏覽器裝入U(xiǎn)RL,；
?、跒g覽器裝入HTML文檔；
?、蹫g覽器裝入Applet類,；
④瀏覽器運(yùn)行Applet,。
本系統(tǒng)Java Applet實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：視頻數(shù)據(jù)通過Socket傳送到客戶端顯示,；將客戶端調(diào)節(jié)視頻帶參數(shù)發(fā)送到服務(wù)器；將客戶端點(diǎn)擊的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)發(fā)送到服務(wù)器,。其中init和start函數(shù)在Applet開始執(zhí)行時(shí)調(diào)用,，通過start創(chuàng)建2個(gè)線程：用于socket通信；提供用戶界面顯示視頻和相應(yīng)用戶操作,。用戶界面設(shè)計(jì)用到Sun的SwingWorker類庫(kù),。
(2)雙緩沖技術(shù)
雙緩沖技術(shù)主要應(yīng)用于屏幕閃爍現(xiàn)象的消除。在一幀圖像的繪制過程中,，如果一幀圖像的繪制時(shí)間大于屏幕的刷新時(shí)間,，就會(huì)造成視覺上不連貫的效果。繪制時(shí)可在內(nèi)存中建立兩個(gè)圖形緩沖區(qū),，其中一個(gè)緩沖區(qū)(前臺(tái))用于存放顯示的當(dāng)前幀,，并在屏幕上顯示；同時(shí)在另一個(gè)緩沖區(qū)中完成下一幀的繪制,。因?yàn)楫嬅娴睦L制過程是在用戶不可見的情況下進(jìn)行,，自然也就消除了這種閃爍現(xiàn)象。
為了保證用戶的觀看質(zhì)量,，本系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)中引入這種雙緩沖技術(shù),。采用Java語言中component類的一個(gè)可用于創(chuàng)建圖形緩沖區(qū)的方法createImage(int width，int height),，其參數(shù)為繪制區(qū)域的大小,。該方法返回一個(gè)大小為繪制區(qū)域的Image對(duì)象。調(diào)用該對(duì)象的getGraphics()方法得到一個(gè)GraphiCS對(duì)象,，將它視為后臺(tái)的Graphics對(duì)象,。此后，可調(diào)用Graplaics類的各種繪圖方法,，以繪制所需的畫面,。此時(shí)，所有的操作都是在后臺(tái)的Image對(duì)象中進(jìn)行的,，并沒有顯示到屏幕上,。當(dāng)繪制完成后,，再調(diào)用前臺(tái)Graphics對(duì)象的drawlmage(Image img，int x,，int y,，ImageObserver observer)方法將已準(zhǔn)備好的Image顯示到屏幕上。其中Image參數(shù)就是createImage方法所返回后臺(tái)的Image對(duì)象,，ImageObserver參數(shù)是與前臺(tái)Graphics對(duì)象相關(guān)的Component對(duì)象或其派生類對(duì)象,。
4 系統(tǒng)測(cè)試
在PXA270上搭建Boa，將Java Applet小程序編譯后生成的．class執(zhí)行文件,、HTML腳本index．html及相關(guān)文件拷貝到／var／www／下,。將編譯好的流媒體服務(wù)器的二進(jìn)制文件下載到PXA270上。加載攝像頭和USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng),，運(yùn)行boa,，再運(yùn)行流媒體服務(wù)器。在PC端打開瀏覽器輸入PXA270的IP地址,，就可以看到網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控的畫面,，畫面清晰且視頻流暢，如圖4所示,。
5 結(jié) 語
本文充分利用多媒體技術(shù)和嵌入式技術(shù)各自的特點(diǎn),，介紹了一種用ARM實(shí)現(xiàn)移動(dòng)視頻監(jiān)控的方法，給出了軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的具體實(shí)現(xiàn)過程,。設(shè)計(jì)了流媒體服務(wù)器,，搭建了Boa作為Web服務(wù)器及實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)。利用USB無線網(wǎng)卡免去了布線的煩惱,；利用B／S結(jié)構(gòu)使得可以通過瀏覽器來監(jiān)控,，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)監(jiān)視；利用雙緩沖技術(shù),，實(shí)現(xiàn)較高的視頻質(zhì)量?；贏RM的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)使得操作簡(jiǎn)單,，攜帶方便，可靠性高,，成本低,，具有良好的開發(fā)及應(yīng)用前景。
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