摘 要： 使用Qt結合OpenCV設計了一款基于嵌入式的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng),，該系統(tǒng)具備人臉檢測和頭像保存功能,。系統(tǒng)采用C/S結構，在ARM開發(fā)板上搭建的Qt多線程Linux系統(tǒng)服務器用于采集和發(fā)送視頻；用Qt結合OpenCV制作的客戶端運行在PC上,，提供監(jiān)控功能,。介紹了Qt的Linux系統(tǒng)環(huán)境設置與ARM移植、V4L2視頻采集的過程以及如何用Qt多線程處理視頻數(shù)據(jù),。測試結果表明,，在WiFi環(huán)境下，系統(tǒng)可進行有效的實時監(jiān)控,。
關鍵詞： 無線視頻監(jiān)控,；Qt；OpenCV,；人臉檢測
0 引言
無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有無需布線,、安裝簡單、監(jiān)控點靈活的優(yōu)點,。嵌入式監(jiān)控設備占用空間小,、價格低。Linux操作系統(tǒng)可裁剪,，適合在嵌入式設備上使用[1],。本文在ARM-Linux系統(tǒng)上利用Qt和OpenCV技術，結合TCP/IP傳輸協(xié)議,，開發(fā)了一款帶有圖像處理功能的低成本實時無線視頻監(jiān)控系統(tǒng),，具備人臉檢測和頭像保存功能。
1 系統(tǒng)結構
無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)由ARM服務器,、PC客戶端和無線路由器3個部分組成,，如圖1所示。ARM服務器設置USB攝像頭的采集參數(shù),，將采集到的畫面進行格式轉換后（YUV轉換成JPEG）,，通過USB無線網(wǎng)卡將視頻畫面發(fā)送出去；無線路由器為ARM服務器與遠程PC客戶端提供無線網(wǎng)絡,；PC客戶端接收并顯示視頻,，完成人臉檢測、頭像保存等處理,。
本系統(tǒng)的服務器硬件由友善之臂Smart210開發(fā)板,、EP-N8508GS無線網(wǎng)卡和USB攝像頭組成。其中,，Smart210開發(fā)板采用了三星S5PV210作為主處理器,；EP-N8508GS無線網(wǎng)卡支持IEEE802.11N網(wǎng)絡標準，傳輸速率為150 Mb/s,；USB攝像頭支持V4L2協(xié)議,，采集視頻格式為YUV,。軟件部分主要包括內(nèi)核為3.0的Linux操作系統(tǒng)、Qt 4.7,、OpenCV 2.4相關庫,、客戶端和服務器軟件。系統(tǒng)軟件結構如圖2所示,。
2 服務器實現(xiàn)
2.1 Linux QT環(huán)境設置與ARM移植
本系統(tǒng)軟件編程采用C/S模式,，程序在PC Ubuntu環(huán)境下用Qt 4.7編寫完成，分別用ARM,、PC環(huán)境下的qmake編譯器編譯成可執(zhí)行程序,。如果統(tǒng)一采用PC環(huán)境下的qmake編譯，服務器程序將無法在ARM上運行,。這是由于ARM與PC的開發(fā)環(huán)境不同,，可使用file指令來判斷可執(zhí)行程序的運行環(huán)境。Linux ARM版本的Qt環(huán)境配置流程如圖3所示,。
在完成Linux ARM版本的Qt環(huán)境配置后,，還需要將生成的Qt庫都加載到ARM開發(fā)板上才能在ARM上運行Qt程序，否則出現(xiàn)缺少依賴庫的錯誤,。
2.2 服務器軟件設計
ARM服務器軟件采用Qt編程,，實現(xiàn)的功能有V4L2視頻采集、視頻格式轉換,、TCP視頻傳輸,。服務器的工作流程為：先啟動監(jiān)聽狀態(tài)，給出當前使用的IP地址和監(jiān)聽的隨機可用端口號提示,；當客戶端連接上時發(fā)送視頻數(shù)據(jù),。
2.2.1 V4L2（Video4Linux2）視頻圖像采集
V4L2是Linux下針對免驅動USB設備的編程框架，為視頻采集設備的程序開發(fā)提供了統(tǒng)一的接口[2],。視頻采集部分基于V4L2,，將其定義為一個單獨的videoDevice類，實現(xiàn)視頻設備的初始化,、打開,、配置、設置內(nèi)存映射,、開始采集,、讀取緩沖區(qū)、視頻格式轉換,、更新緩沖區(qū),、結束采集、取消內(nèi)存映射,、關閉,、格式轉換等功能,。該類還定義了專門的槽函數(shù)，為后續(xù)的設備視頻采集線程提供RGB24視頻幀,。
2.2.2 多線程處理視頻數(shù)據(jù)
采用多線程可以提高程序的響應速度，在Qt應用程序中使用多線程只需子類化Qthread并且重新實現(xiàn)它的run（）函數(shù)即可[3],。程序采用雙線程,，一個用于單幀圖像的周期性采集并發(fā)送完成信號，另一個利用私有槽函數(shù)完成單幀圖像的發(fā)送,，兩個線程在tcpServer類中進行連接,，從而實現(xiàn)視頻的連續(xù)采集與傳輸。在采集視頻線程run（）函數(shù)中,，每隔一定時間獲取視頻幀并發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生信號,。視頻發(fā)送線程采用基于塊的傳輸協(xié)議把視頻數(shù)據(jù)作為二進制塊進行傳輸，每個數(shù)據(jù)塊包含一個大小字段及單幀視頻數(shù)據(jù),。在該線程中,，將采集并經(jīng)轉化后得到的RGB24格式視頻圖像以JPG格式存入緩沖區(qū)發(fā)送；發(fā)送完成后,，需要調用seek（0）函數(shù)以重新移到存儲空間的開始處,，避免出錯。
2.2.3 基于TCP的視頻傳輸
TCP是面向連接的通信協(xié)議,，提供可靠的數(shù)據(jù)流服務,，從而確保視頻的有效傳輸。Qt提供的QTcpServer和QTcpSocket類,，分別用于實現(xiàn)服務器和客戶端[4],。
服務器視頻傳輸程序主要由tcpServer和tcpClientSocket類完成。tcpServer重新實現(xiàn)了incomingConnection（）函數(shù),。當客戶端試圖連接到服務器監(jiān)聽的端口時,，調用該函數(shù)來創(chuàng)建視頻采集和發(fā)送線程，并通過信號與槽將兩個線程連接起來,，從而實現(xiàn)視頻幀的采集與發(fā)送,。tcpClientSocket類利用connect（）函數(shù)將readRead（）和disconnected（）信號分別與readClient（）和slotDisconnected（）槽連接起來，從而接收來自客戶端的數(shù)據(jù),，以及當套接字連接關閉時,，刪除對象。
3 客戶端實現(xiàn)
客戶端軟件設計采用Qt與OpenCV聯(lián)合編程,，Qt用于界面設計,、視頻接收與顯示，OpenCV專注于對視頻圖像進行處理,?？蛻舳藢崿F(xiàn)的功能有：（1）登錄功能,；（2）連接服務器并接收視頻；（3）彩色與灰度視頻切換顯示,；（4）拍照保存,、人臉檢測、頭像保存功能,。為了使用OpenCV,，需要在Qt工程文件中添加OpenCV的庫文件和路徑。由于使用了網(wǎng)絡傳輸協(xié)議,，需要在Qt工程文件中添加QT+=network代碼,。
3.1 視頻接收與彩色/灰度顯示
客戶端啟動后，填入設備名,、IP地址,、服務器監(jiān)聽的端口號來連接服務器。程序使用槽函數(shù)將客戶端連接到服務器,，該槽函數(shù)在QTcpSocket對象上異步調用connectToHost（）建立連接,。當連接建立起來并運行時，QTcpSocket對象發(fā)送connected（）信號,，此時會執(zhí)行sendData（）槽函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)給服務器,；如果連接失敗，QTcpSocket對象會發(fā)送錯誤信號,。只要QTcpsocket對象從服務器上接收到視頻數(shù)據(jù),，就發(fā)送readReady信號，此時程序調用dataReceived（）槽函數(shù),。dataReceived（）槽函數(shù)實現(xiàn)了3個功能：接收視頻幀,、統(tǒng)計每幀的數(shù)據(jù)量與總的幀數(shù)以及用判斷語句來選擇顯示彩色/灰度視頻。
3.2 人臉檢測與頭像保存
人臉檢測使用OpenCV提供的檢測圖像中的目標函數(shù)cvHaarDetectObjects（）和"haarcascade_frontalface_alt.xml"人臉檢測分類器對視頻流中的某幅圖像進行搜索,，從而確定圖像中是否含有人臉并計數(shù)人臉數(shù)量,。本功能啟用后，會加載Haar檢測分類器并分配資源,，在圖像格式轉換后進行人臉檢測與頭像保存,。
圖4、5分別顯示了人臉檢測與頭像保存的流程,。通過目標函數(shù)調用人臉檢測分類器在視頻圖像中找到包含人臉的矩形區(qū)域,，用不同的顏色標識后返回矩形框序列[5]。頭像保存是在人臉檢測的基礎上用cvSetImageROI（）標識出頭像區(qū)域,，之后截取保存,。
4 系統(tǒng)測試
在PC上編譯服務器與客戶端程序，通過串口將服務器可執(zhí)行程序下載到ARM開發(fā)板上,。在串口調試助手SecureCRT上輸入掃描和連接WiFi的指令,，并進行ping測試,。確認WiFi環(huán)境可用后，在ARM上運行服務器程序,，PC上運行客戶端程序,，測試結果如圖6所示。
5 結論
本文介紹了一種基于Qt和OpenCV的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng),。經(jīng)過測試,，該系統(tǒng)達到了預期的效果，實現(xiàn)了無線實時監(jiān)控,，其人臉檢測與頭像保存功能增強了監(jiān)控的能力,，解決了常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)只顯示畫面不能對畫面進行處理的問題,。此外,，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，成本低廉,，具有廣泛的應用前景,。
參考文獻
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