摘要：以ARM9微處理器作為核心板的控制器，搭建無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái),，擴(kuò)展基于OV9650芯片的攝像頭接口和GPRS無(wú)線傳輸模塊的串口接口,。利用Platform Builder5．O定制了合適的WinCE5．O的操作系統(tǒng)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了OV9650芯片和GPRS傳輸模塊的串口驅(qū)動(dòng),，設(shè)計(jì)了PC機(jī)端的監(jiān)控系統(tǒng)的軟件,，研究開(kāi)源的XVID MPEG一4視頻編解碼軟件以及GPRS傳輸流程。通過(guò)有機(jī)結(jié)合事件編程和消息機(jī)制編程,，調(diào)用底層VFW接口中的WIN32 API函數(shù)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控軟件的編譯,。該監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)抓拍、定時(shí)監(jiān)控,、錄像,、安裝方便等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控,；嵌入式系統(tǒng),；WinCE5.0；ARM9,；GPRS
0 引 言
傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要以模擬信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)和基于插卡的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)為主,。其中模擬信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)布線工程量大，要耗費(fèi)大量的存儲(chǔ)介質(zhì),，查詢?nèi)∽C也十分繁瑣,；基于插卡的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是由1臺(tái)PC機(jī)加圖像采集卡完成的，系統(tǒng)的成本高,，而且PC機(jī)需要有人值守,，無(wú)法在惡劣環(huán)境下使用。在視頻監(jiān)控領(lǐng)域中,，如何使信息傳輸?shù)酶?，更穩(wěn)定，距離更遠(yuǎn),，系統(tǒng)的成本,、體積、功耗更低等問(wèn)題是擺在當(dāng)前技術(shù)研發(fā)人員面前的首要問(wèn)題,。
在此提出一種基于嵌入式Windows CE5．O的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng),。解決了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)成本高,、體積大、傳輸距離有限,、功耗大,、安裝不方便等問(wèn)題。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將為無(wú)線視頻監(jiān)控提供一種新的思路,、方法和技術(shù)路線,；在安防、遠(yuǎn)程教育,、遠(yuǎn)程視頻會(huì)議,、醫(yī)療系統(tǒng)等無(wú)線視頻領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
l 系統(tǒng)的整體硬件框圖介紹
基于嵌入式WinCE5．0的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由嵌入式終端和服務(wù)器端的PC機(jī)組成,。嵌入式終端平臺(tái)的微處理器選擇的是基于ARM9T20內(nèi)核的S3C2440，S3C2440有豐富的接口,，其中攝像頭接口與CMOS的攝像頭相連,，串口與GPRS發(fā)射模塊相連；服務(wù)器端主要是1臺(tái)PC機(jī)和GPRS接收模塊,。整個(gè)框圖如1所示,。
系統(tǒng)首先通過(guò)S3C2440微處理器控制CMOS攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)壓縮編碼后,，再通過(guò)GPRS無(wú)線發(fā)射模塊將壓縮后的數(shù)據(jù)發(fā)射出去,，在服務(wù)器端的PC機(jī)通過(guò)GPRS接收模塊接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)相應(yīng)的應(yīng)用程序,，對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼,，并通過(guò)屏幕顯示出來(lái)。其中包含有S3C2440微處理器的嵌入式終端平臺(tái)的核心控制板如圖2所示,。
2 系統(tǒng)的擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)
2．1 攝像頭接口設(shè)計(jì)
攝像頭中用的圖像采集芯片為OV9650圖像傳感器,，該圖像傳感器具有10位的數(shù)據(jù)接口和標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口，采用CSP一28封裝,，體積小,。
該芯片支持RGB(4：2：2)，YUV(4：2：2),，YCrCb(4：2：2)三種數(shù)據(jù)輸出格式,，內(nèi)置138個(gè)設(shè)備控制寄存器，地址分別從Ox00～Ox8A,，通過(guò)SCCB接口可以方便地設(shè)置傳感器視窗大小,、增益、白平衡校正,、曝光控制,、飽和度,、色調(diào)等參數(shù)。包含有圖像傳感器OV9650攝像頭模塊如圖3所示,。
S3C2440有一個(gè)專用的攝像頭接口,，CPU可以直接和CMOS圖像傳感器連接，當(dāng)0V9650輸出數(shù)據(jù)格式為8位的YUV時(shí),，要用到數(shù)據(jù)線D2～D9(D9為MSB位,，D2為L(zhǎng)SB位)；當(dāng)輸出的數(shù)據(jù)格式為10位RGB,，用數(shù)據(jù)線D0～D9(D9為MSB位,，D0為L(zhǎng)SB位)，該系統(tǒng)用YUV格式,。該攝像頭模塊與S3C2440的Camera接口連接,，其電路圖分別如圖4～圖6所示。
其中用到了TI公司的電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245,，是一種雙電源的電平移位器,，電平移位在其內(nèi)部進(jìn)行。5 V端用5 V電源作為VDD_CAM,，而3．3 V端則用3．3 V作為VCC33,。雙電源能保證兩邊端口的輸出擺幅都能達(dá)到滿電源幅值。
2．2 GPRS模塊的接口設(shè)計(jì)
S3C2440有3個(gè)UART通道,，利用其中一個(gè)通道設(shè)計(jì)串口,，使其與GPRS模塊連接，由于S3C2440自帶的UART控制器,，使得硬件開(kāi)發(fā)和軟件設(shè)計(jì)都比較簡(jiǎn)單,。但RS 232標(biāo)準(zhǔn)所定義的高、低電平信號(hào),，與一般的微控制器系統(tǒng)的電路所定義的高,、低電平信號(hào)完全不同，如S3C2440系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)電平2～3 V,，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“O”對(duì)應(yīng)0～4 V電平,。顯然，與RS 232標(biāo)準(zhǔn)所述的電平信號(hào)完全不同,。兩者之間要進(jìn)行通信,，必須經(jīng)過(guò)信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換，目前常使用的電平轉(zhuǎn)換芯片有MAX232,，MAX3221和MAX324．3,，具體設(shè)計(jì)電路如圖7和圖8所示。
3 操作系統(tǒng)平臺(tái)的定制
Windows CE是高度模塊化的嵌入式操作系統(tǒng),，正因?yàn)槿绱?，用戶為了滿足特定的要求而對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行定制,，如果為自己的嵌入式設(shè)備定制Windows CE操作系統(tǒng)，則須進(jìn)行創(chuàng)建,、構(gòu)建,、運(yùn)行和發(fā)布OS等一系列操作。在無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,，根據(jù)功能要求,，利用Platform Builder5．0定制系統(tǒng)的流程如下：
(1)導(dǎo)入BSP開(kāi)發(fā)包。由于用的是三星公司的基于ARM920T核的S3C2440,，所以在BSP包中找到SMDK2440文件下的SMDK2440．CEC文件將其導(dǎo)入,。打開(kāi)“Platform Builder5．0”，選擇“File”菜單下的 “Manage Catalog Features”,，如圖9所示,。在彈出的對(duì) 話框中單擊“Import”，瀏覽到SMDK2440文件下的 smdk2440．cec文件,，將其導(dǎo)入,。
(2)創(chuàng)建項(xiàng)目。根據(jù)WinCE無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的要求,，在定制系統(tǒng)的過(guò)程中選擇合適的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中包括的組件有：支持應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的MFC組件和支持網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)組件等,。
(3)編譯項(xiàng)目：點(diǎn)擊菜單“Build OS”→“Sysgen”開(kāi)始編譯項(xiàng)目,。
(4)下載運(yùn)行時(shí)映像，調(diào)試成功后啟動(dòng),。編譯成功后會(huì)在目WinCES00\PBWorkspaces\testl\RelDir\smdk2 440_ARMV4I_Release下生成nk．bin和nk．nb0等文件,，將nk．nb0下載到硬件平臺(tái)上運(yùn)行。
4 驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)
4．1 攝像頭驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)
攝像頭驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)是設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn),，也是一個(gè)關(guān)鍵部分,。由于攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)可以當(dāng)作數(shù)據(jù)流來(lái)處理，所以對(duì)于攝像頭的驅(qū)動(dòng)將采用流式接口的方法來(lái)開(kāi)發(fā),。
(1)在Platform Builder中打開(kāi)前面定制的操作系統(tǒng)工程,，然后在新建一個(gè)WIN32 DLL項(xiàng)目，添加2個(gè)C++的源文件,，即：camera．cpp和IIc．cpp,，其中camer—a．cpp包含驅(qū)動(dòng)的入口函數(shù)DLLMain()；驅(qū)動(dòng)的前綴為“CIS”,，IIc．cpp包含通過(guò)ICC接口對(duì)攝像頭相關(guān)寄存器進(jìn)行配置的函數(shù),。
(2)根據(jù)前面的硬件電路和OV9650芯片的工作時(shí)序，通過(guò)編寫(xiě)流接口的CIS_Init函數(shù)實(shí)現(xiàn)OV9650初始化,。主要包括以下3步：調(diào)用InterruptInitialize(SYSINTR_CAM,，CameraEvent,，NULL，0)函數(shù)通知系統(tǒng)注冊(cè)中斷,；調(diào)用CreateEvent()函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)CameraEvent事件,；調(diào)用CreateThread()函數(shù)創(chuàng)建CameraThread線程。在Camera Capture Thread服務(wù)函數(shù)中調(diào)用WaitForSingleObject(CameraEvent,，Dis—play Time)函數(shù)等待Camera Event事件的發(fā)生,。此事件由與其關(guān)聯(lián)的SYSINTR_CAM中斷來(lái)觸發(fā)。此外還有其它流接口函數(shù)(CIS_IOControl等)也可以以類似的方法實(shí)現(xiàn),。
(3)編寫(xiě)DLL的導(dǎo)出函數(shù)定義文件．DEF,。．DEF文件定義了DLL的導(dǎo)出函數(shù)類表,。．DEF文件可以就用一般的記事本編輯,，保存時(shí)后綴名改為．DEF即可,，關(guān)于本攝像頭驅(qū)動(dòng)的．DEF文件內(nèi)容如下：
(4)為驅(qū)動(dòng)程序配置注冊(cè)表,。在platform．reg中添加以下注冊(cè)項(xiàng)即可：
在攝像頭驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)完成后,，通過(guò)編寫(xiě)應(yīng)用程序在嵌入式終端的觸摸屏上顯示出來(lái),，如圖10所示,。首先通過(guò)CreateWindow這個(gè)API函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)用來(lái)顯示圖像的窗體,，然后創(chuàng)建回調(diào)函數(shù)CaptureThreadProc的線程,，在回調(diào)函數(shù)中根據(jù)不同的操作向操作系統(tǒng)發(fā)送不同的消息值,，處理圖像的讀取、顯示等,。測(cè)試結(jié)果如圖11所示,。
4．2 串口驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)
在Windows CE中串口的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)是有固定模型的，基于流驅(qū)動(dòng)模型,，采用分層結(jié)構(gòu),。串口驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)的步驟和上面攝像頭驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的步驟一樣，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)流接口函數(shù),，由于這里采用了分層的結(jié)構(gòu),，MDD層的代碼可以參考微軟提供的源代碼在％WINCEROOT％＼PUBUC＼COMMON＼OAK＼DRIVERS＼SERIAL＼COMMDD2目錄下，PDD層中的代碼是與硬件相關(guān)的代碼,，需要針對(duì)不同的設(shè)備來(lái)編寫(xiě),。MDD層中的代碼調(diào)用PDD層中的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的硬件操作。串口驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖12所示,。
5 PC機(jī)端監(jiān)控中心程序的開(kāi)發(fā)
監(jiān)控中心是無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分,，它負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)并顯示監(jiān)控的圖像。在該論文中,，監(jiān)控中心的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控,、定時(shí)錄像、抓拍等功能,。在系統(tǒng)中監(jiān)控程序的開(kāi)發(fā),，同時(shí)使用了C#語(yǔ)言和WIN32 API,，利用C#語(yǔ)言基于事件的編程方法，設(shè)計(jì)了程序圖形界面,，利用VFW接口中的API函數(shù)基于消息機(jī)制設(shè)計(jì)了底層圖像數(shù)據(jù)的讀取和顯示,。該系統(tǒng)中API函數(shù)主要來(lái)自于VFW軟件工具包。VFW(Video forWindows)提供了一系列應(yīng)用程序編程接口(API),，用戶可以通過(guò)它們很方便地實(shí)現(xiàn)視頻捕獲,、視頻編輯及視頻播放等通用功能，還可利用回調(diào)函數(shù)開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的視頻應(yīng)用程序,。其特點(diǎn)是播放視頻時(shí),，不需要專用的硬件設(shè)備，而且應(yīng)用靈活,，可以滿足視頻應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的需要,。監(jiān)控中心的程序調(diào)試運(yùn)行效果如圖13所示。
6 視頻壓縮編碼和傳輸理論研究
6．1 視頻壓縮編碼研究
圖像和視頻包含巨大數(shù)量的信息,，其傳輸和存儲(chǔ)需要很寬的帶寬,，多媒體視頻數(shù)據(jù)在無(wú)線傳輸之前，必須進(jìn)行壓縮,。常用的數(shù)字壓縮技術(shù)主要包括用于會(huì)議電視系統(tǒng)的H．261壓縮編碼,，用于計(jì)算機(jī)靜止圖像壓縮的JPEG和用于活動(dòng)圖像壓縮的MPEG數(shù)字壓縮技術(shù)和近年來(lái)比較熱點(diǎn)的H．263和H．264壓縮編碼技術(shù)。MPEG一4采用新一代視頻編碼技術(shù),，它在視頻編碼發(fā)展史上第一次把編碼對(duì)象從圖像幀拓展到具有實(shí)際意義的任意形狀視頻對(duì)象,，從而實(shí)現(xiàn)了從基于像素的傳統(tǒng)編碼向基于對(duì)象和內(nèi)容的現(xiàn)代編碼的轉(zhuǎn)變，因而引領(lǐng)著新一代智能圖像編碼的發(fā)展潮流,。
由于MPEG一4壓縮編碼系統(tǒng)比較復(fù)雜，在論文中將重點(diǎn)對(duì)MPEG一4壓縮編碼技術(shù)進(jìn)行研究,，分析其在PC機(jī)上的壓縮編碼的源碼,，為以后在ARM等嵌入式設(shè)備上的移植奠定基礎(chǔ)。對(duì)一幀圖像進(jìn)行MlPEG一4編碼的流程如圖14所示,。
編譯開(kāi)源的MPEG一4 XVID模型的源代碼,，將生成一個(gè)xvidcore．dIl文件，在應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)中調(diào)用庫(kù)中的相關(guān)函數(shù),，程序執(zhí)行過(guò)程如圖15所示,。其中程序在PC機(jī)上測(cè)試，先從攝像頭中讀取視頻數(shù)據(jù),，再進(jìn)行MPEG一4編碼,。
6．2 無(wú)線傳輸研究
GPRS采用基于分組傳輸模式的無(wú)線IP技術(shù)，以一種有效的方式高速傳送數(shù)據(jù),，支持Internet上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X．25協(xié)議,，傳輸速率最高達(dá)117 KB／s,，所以視頻數(shù)據(jù)通過(guò)MPEG一4壓縮后，完全可以通過(guò)GPRS模塊進(jìn)行傳輸,。在此傳輸過(guò)程中通信的連接建立,、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^(guò)TCP／IP網(wǎng)絡(luò)的API，Socket接口實(shí)現(xiàn),。整個(gè)無(wú)線傳輸效果如圖16所示,。
7 結(jié) 語(yǔ)
基于Windows CE5．0的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)涉及到了計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、嵌入式技術(shù),、視頻編碼,、無(wú)線傳輸?shù)榷喾矫娴闹R(shí)，在此課題中完成了大量的工作,，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了該論文預(yù)期的目的,。嵌入式終端平臺(tái)具有體積小、功耗低,、運(yùn)行速度快,、采集的圖像清晰等特點(diǎn)，在監(jiān)控中心程序的設(shè)計(jì)也具有友好的人機(jī)交互界面,，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)監(jiān)控,、錄像、拍照等功能,。視頻壓縮與無(wú)線傳輸方面從理論上研究方法的可行性,，提出具體的解決方法，這為以后進(jìn)一步完善系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。