0 引言
基于同軸電纜的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、可靠性低且價(jià)格昂貴,,因而出現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等遠(yuǎn)程Web視頻監(jiān)控系統(tǒng),。本嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī),采用高性能的ARM9芯片作微處理器,,內(nèi)置嵌入式Web服務(wù)器—Boa,,通過嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)—Linux采集攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù);攝像機(jī)采集的視頻信號(hào)數(shù)字化后經(jīng)MJPEG算法壓縮,,壓縮后的視頻流再通過內(nèi)部總線送到內(nèi)置的Web服務(wù)器,;通過在網(wǎng)頁中嵌入圖像播放器,用戶可以直接通過瀏覽器觀看Web服務(wù)器上的攝像機(jī)圖像,;通過通用網(wǎng)關(guān)接口CGI,,授權(quán)用戶還可以控制攝像機(jī)、云臺(tái)和鏡頭的動(dòng)作或直接通過Web實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置,。
1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)原理及組成結(jié)構(gòu)
嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的基本原理:在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中內(nèi)置Web服務(wù)器Boa,,攝像機(jī)采集視頻信號(hào)并將其數(shù)字化,經(jīng)MJPEG壓縮后,,傳送到內(nèi)置的Web服務(wù)器,,通過Web頁面將視頻信息發(fā)布到Internet。由于嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是視頻采集終端和Web服務(wù)器的融合,,因此,,用戶可以直接通過瀏覽器觀看攝像機(jī)拍攝的視頻圖像,達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的,。
整個(gè)系統(tǒng)由視頻采集模塊,、視頻壓縮模塊、Web服務(wù)器,、通用網(wǎng)關(guān)接口,、Web頁面等5個(gè)部分組成。 其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示:
圖1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖
視頻采集模塊包括以S3C2410X為核心的中央控制和數(shù)據(jù)處理中心,,以及USB Camera數(shù)據(jù)采集單元,。中央控制和數(shù)據(jù)處理中心主要完成視頻采集終端的控制和視頻圖像的壓縮,;Web服務(wù)器完成基本服務(wù)器的功能,,負(fù)責(zé)響應(yīng)HTTP請(qǐng)求,配合視頻采集,、壓縮模塊完成圖像信息發(fā)布,;通用網(wǎng)關(guān)接口—CGI,可以根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)信息,,控制攝像機(jī),、云臺(tái)和鏡頭的動(dòng)作或直接通過Web實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置。
嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的“硬核”,。微處理器的選擇將對(duì)整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的成本和性能產(chǎn)生決定性的影響,。目前,,比較流行的處理器主要有:Power PC ,、MIPS、Intel,、ARM等。ARM(Advanced RISC Machines)公司是一家全球領(lǐng)先的嵌入式微處理器IP(Intellectual Property )核提供商,,它設(shè)計(jì)了一系列高性能、低功耗,、低成本和高可靠性的RISC處理器核,、外圍部件和系統(tǒng)級(jí)芯片應(yīng)用解決方案。當(dāng)前,,ARM系列微處理器核廣泛應(yīng)用于便攜式通訊設(shè)備、手持終端,、多媒體數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品等嵌入式系統(tǒng)解決方案中,。本設(shè)計(jì)選用以ARM920T為核心的S3C2410X 32位微處理器,該處理器集成了LCD控制器,、USB Host,、USB Slave、NAND控制器,、中斷控制,、功率控制、UART,、SPI,、SDI/MMC、IIS,、GPIO,、RTC、TIMER/PWM,、ADC等豐富的資源,。
操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的“軟核”。早期的嵌入式系統(tǒng),,由于當(dāng)時(shí)還沒有操作系統(tǒng)的概念,,系統(tǒng)的主要功能都是用匯編語言實(shí)現(xiàn)的,其兼容性,、通用性及擴(kuò)展性都很差,。隨著硬件性能不斷提高,在嵌入式系統(tǒng)中使用通用操作系統(tǒng)已成為現(xiàn)實(shí),。在嵌入式系統(tǒng)中引入操作系統(tǒng)后,,利用軟件工程的思想指導(dǎo)嵌入式系統(tǒng)開發(fā),其開發(fā)效率和資源可重用率都將得到很大的提高,。目前較為流行的嵌入式操作系統(tǒng)有:VxWorks,、Neculeus、WindowsCE,、Linux等,。相對(duì)其它商業(yè)操作系統(tǒng),Linux這個(gè)開源網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì):
(1) 價(jià)格低廉,。在保證產(chǎn)品性能的前提下,,價(jià)格永遠(yuǎn)都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重用因素之一。由于Linux來源于開源社區(qū),,相對(duì)于其它商業(yè)操作系統(tǒng),,其價(jià)格幾乎為零。
(2) 文檔豐富,。全世界的Linux程序員都是技術(shù)顧問,任何人都可以在開源社區(qū)得到其系統(tǒng)所需要的文檔和幫助,。
(3) 網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)良,。與Unix一脈相承的Linux支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,并能夠使系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,。
(4) 知識(shí)創(chuàng)新,。在國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)中,嵌入式操作系統(tǒng)被認(rèn)為是唯一可以趕超國(guó)外同行的操作系統(tǒng),。而Linux是操作系統(tǒng)中的佼佼者,,任何人都可以遵照GPL規(guī)則發(fā)布包含自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品,可以高效地進(jìn)行知識(shí)創(chuàng)新,,少走彎路,。
為此,本設(shè)計(jì)選用高性能ARM9芯片和嵌入式Linux操作系統(tǒng),。
2 視頻采集模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
視頻采集模塊是嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的核心模塊之一,。它通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)調(diào)度V4L(video4linux)和影像設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來完成視頻捕獲。V4L是Linux影像系統(tǒng)與嵌入式影像的基礎(chǔ),,是Linux kernel里支持影像設(shè)備的一組APIs,,配合適當(dāng)?shù)囊曨l采集卡與視頻采集卡驅(qū)動(dòng)程序,,V4L可以實(shí)現(xiàn)影像采集、AM/FM無線廣播,、影像CODEC,、頻道切換等功能。目前,,V4L主要應(yīng)用在影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)里,,其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛,例如:遠(yuǎn)程教學(xué),、遠(yuǎn)程醫(yī)療,、視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控,、可視電話等,。V4L為2層式架構(gòu),最上層為V4L驅(qū)動(dòng)程序,,最下層則是影像設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,。
在Linux操作系統(tǒng)中,外部設(shè)備都作為設(shè)備文件來處理,,因此,,對(duì)外部設(shè)備的操作就轉(zhuǎn)變成對(duì)設(shè)備文件的操作。視頻設(shè)備文件位于/dev/目錄下,,一般情況下為video0,。當(dāng)攝像機(jī)通過USB接口連接到視頻采集終端后,在程序中調(diào)用V4L APIs對(duì)設(shè)備文件video0的讀操作即可實(shí)現(xiàn)攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集,。其主要過程如下:
1) 打開設(shè)備文件: int v4l_open(char *dev, v4l_device *vd){}打開影像源的設(shè)備文件,;
2) 初始化picture: int v4l_get_picture(v4l_device *vd){} 獲取輸入的影像信息;
3) 初始化channel:int v4l_get_channels(v4l_device *vd){} 獲取每個(gè)channel的信息,;
4) 對(duì)channel設(shè)置norm:int v4l_set_norm(v4l_device *vd, int norm){} 對(duì)所有的channel設(shè)置norm,;
5) 設(shè)備地址映射:v4l_mmap_init(v4l_device *vd){} 返回存放圖像數(shù)據(jù)的地址;
6) 初始化mmap緩沖區(qū): int v4l_grab_init(v4l_device *vd, int width, int height){},;
7) 視頻捕獲同步: int v4l_grab_sync(v4l_device *vd){},;
8) 視頻捕獲: int device_grab_frame(){}。
通過以上操作,,即可將攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)采集到內(nèi)存,。采集到內(nèi)存的視頻數(shù)據(jù)既可采用文件的形式保存,也可將其壓縮后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到Internet,。本設(shè)計(jì)采用后一種處理方法,,即:將采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)MJPEG壓縮,生成視頻數(shù)據(jù)流并發(fā)布到Internet。
3 視頻壓縮模塊設(shè)計(jì)
由于攝像機(jī)采集到的視頻數(shù)據(jù)信息量較大,,如果直接將其處理成視頻,,將會(huì)給視頻處理和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸帶來很大的負(fù)擔(dān)。因此,,本設(shè)計(jì)采用高性能ARM9處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行MJPEG壓縮,。
JPEG(Joint Photographic Experts Group)—聯(lián)合圖像專家組的簡(jiǎn)稱,它的主要目標(biāo)是研究具有連續(xù)色調(diào)圖像(包括灰度和彩色圖像)的壓縮算法,,是MJPEG的基礎(chǔ)。JPEG算法被確定為靜態(tài)數(shù)字圖像壓縮的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),,不僅適用于靜止圖像壓縮,,而且適用于電視圖像序列的幀內(nèi)圖像壓縮。由于JPEG壓縮采用的是全彩影像標(biāo)準(zhǔn),,其主要處理過程包括:色彩模型轉(zhuǎn)換,、離散余弦—DCT變換、重排DCT結(jié)果,、量化,、編碼等。
MJPEG是Motion JPEG的縮寫,,即動(dòng)態(tài)JPEG,。它將動(dòng)畫播放與JPEG結(jié)合,按照25幀/秒的速度使用JPEG算法壓縮視頻信號(hào),,完成動(dòng)態(tài)視頻的壓縮,。
4 Web服務(wù)器設(shè)計(jì)
在資源有限的嵌入式設(shè)備中可以使用的輕量級(jí)Web Server有:httpd、thttpd,、boa等,。本設(shè)計(jì)選用開源的、支持CGI的Boa Web Server,,其主要移植過程如下:
(1)到www.boa.org下載最新軟件包并解壓到相關(guān)目錄,。
(2)在目錄boa/src下的defines.h文件頂部設(shè)置默認(rèn)的SERVER_ROOT路徑。
(3)選擇交叉編譯工具,。在boa目錄下使用 ./configure --host=i686-pc-Linux-gnu --target=arm-Linux 完成對(duì)boa的配置,。
(4)執(zhí)行make編譯boa后即在src/目錄下生成可執(zhí)行文件boa。
(5)對(duì)boa.conf文件進(jìn)行配置,。主要完成對(duì)boa運(yùn)行的端口號(hào),、Server 根目錄、log files,、html文件,、cgi文件目錄及可讀寫的temp目錄的屬性的設(shè)置。
5 瀏覽器與服務(wù)器之間的通信—通用網(wǎng)關(guān)接口
CGI(Common Gateway Interface)是外部應(yīng)用擴(kuò)展程序與WWW服務(wù)器交互的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。按照CGI標(biāo)準(zhǔn)編寫的外部擴(kuò)展程序能夠處理客戶端瀏覽器輸入的數(shù)據(jù),,從而完成客戶端與服務(wù)器的交互,、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)Web技術(shù)。在本設(shè)計(jì)中,,當(dāng)用戶通過瀏覽器向網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)發(fā)送控制信息(比如控制攝像機(jī)云臺(tái)的動(dòng)作等)時(shí),,服務(wù)器守護(hù)進(jìn)程啟動(dòng)CGI模塊,CGI模塊通過串口將控制命令傳送給云臺(tái),,使云臺(tái)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作,。其流程圖如圖2所示:
圖2 CGI控制云臺(tái)動(dòng)作原理流程圖
6 Web頁面的設(shè)計(jì)
在本嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中,Web頁面的主要功能是顯示W(wǎng)eb頁面及動(dòng)態(tài)視頻信息,。由于標(biāo)準(zhǔn)的html網(wǎng)頁只具有顯示文字和圖片的功能,,因而無法在標(biāo)準(zhǔn)的html網(wǎng)頁里嵌入一個(gè)窗口來“實(shí)時(shí)”觀看視頻圖像。解決這個(gè)問題的一種方法是將“實(shí)時(shí)”視頻監(jiān)控軟件嵌入到網(wǎng)頁中,。Microsoft 制定了ActiveX規(guī)范,,只要符合這個(gè)規(guī)范的軟件都可以嵌入到網(wǎng)頁中。為了能滿足多人同時(shí)“實(shí)時(shí)”觀看視頻圖像,,在本設(shè)計(jì)中選用標(biāo)準(zhǔn)ActiveX控件—VgPlayerObject來實(shí)現(xiàn)這一功能,。
7 結(jié)束語
本文提出了一種基于ARM S3C2410X和Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)。采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行視頻采集,、壓縮并通過ActiveX控件顯示動(dòng)態(tài)視頻,,通過嵌入式Web Server和CGI技術(shù)融合整個(gè)系統(tǒng),形成一套完整的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)解決方案,。由于系統(tǒng)采用高性能嵌入式處理器完成主要控制,、壓縮和Web處理工作,因此該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、性能穩(wěn)定,、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),在油田,、油氣井現(xiàn)場(chǎng)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控,、智能小區(qū)、移動(dòng)監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,。