國內(nèi)外市場上主要推出的是數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字視頻監(jiān)控兩類產(chǎn)品［1］,。前者的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，產(chǎn)品性能穩(wěn)定,，在實際工程中得到了廣泛應用,。后者是新近崛起的以計算機技術(shù)及圖像視頻壓縮技術(shù)為核心的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在解決模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的部分弊端的基礎(chǔ)上迅速崛起,。在互聯(lián)網(wǎng)的普遍推廣和網(wǎng)絡帶寬逐漸提高的背景下,，視頻監(jiān)控技術(shù)飛速發(fā)展，出現(xiàn)了集多媒體技術(shù),、網(wǎng)絡通信技術(shù),、嵌入式技術(shù)于一體的嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
目前國內(nèi)嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究有了很大的發(fā)展,，但是國內(nèi)對嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究還比較少,。本文介紹了自主開發(fā)的基于ARM的嵌入式無線視頻采集系統(tǒng)設計方案,。該方案采用S3C2410嵌入式處理器和ARMLinux操作系統(tǒng),，利用通過自行開發(fā)的視頻服務器軟件，通過3G無線上網(wǎng)卡完成客戶端與視頻服務器的通信,。介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),、服務器端軟件的總體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動程序的構(gòu)建,、圖像的采集和壓縮以及傳輸模塊的設計,，并進行了測試。實驗結(jié)果表明,，系統(tǒng)采用H.264編碼技術(shù)在保證視頻傳輸質(zhì)量的同時具有良好的帶寬適應能力,。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由監(jiān)控現(xiàn)場攝像頭、嵌入式視頻服務器,、客戶端三部分組成,。監(jiān)控現(xiàn)場的攝像頭實現(xiàn)圖像的采集，并把采集的圖像信息通過內(nèi)部總線傳送給嵌入式視頻服務器,。嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于S3C2410處理器,、H.264壓縮、Web服務器和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng),，它的主要功能是對攝像頭采集到的圖像進行H.264壓縮編碼,，并對編碼后的圖像通過3G無線網(wǎng)絡進行傳輸?？蛻舳酥饕瓿蓤D像的接收和解壓縮,，用戶可以通過Web瀏覽器訪問嵌入式視頻服務器來觀看攝像頭采集到的圖像，從而實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控,。嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
圖1 嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件由圖像傳感器MI360,、3G無線模塊MC8630、圖像壓縮芯片ZC0301,、微處理器芯片S3C2410,、以太網(wǎng)控制芯片、SDRAM等芯片組成,。S3C2410具有低功耗,、精簡而出色的全靜態(tài)設計等特點，具備MMU存儲器管理功能,，擁有獨立的16 KB指令和16 KB數(shù)據(jù)緩存,，在高性能和低功耗特性方面提供了可靠的性能。無線模塊選用中興3G模塊 MC8630,，數(shù)據(jù)速率為前向：3.1 Mb/s max,，反向：1.8 Mb/s max。
為了降低成本,，簡化設計,，本方案選用中星微的ZC0301作為視頻壓縮編碼芯片，Vimicro ZC0301主要由系統(tǒng)控制,、圖像信號處理,、次取樣和水平掃描、JPEG編碼器和USB設備控制五大功能模塊組成,。CMOS圖像傳感器選擇美光的 MI360,，它采用VGA標準（30萬像素），感光面積為1/4英寸,，有效像素649H×489H,，采用低噪聲技術(shù)，噪聲等級達到CCD標準,。MI360 和ZC0301壓縮編碼芯片完成視頻數(shù)據(jù)的采集,、壓縮和編碼。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
圖2 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
本嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件由攝像頭驅(qū)動模塊,、圖像采集模塊、H.264圖像壓縮模塊,、嵌入式Web服務器組成,。攝像頭驅(qū)動模塊實現(xiàn)攝像頭在 Linux操作系統(tǒng)下的正常工作，并為應用程序提供接口,。圖像采集程序獲取攝像頭傳送過來的圖像信息并進行暫存,。H.264壓縮模塊完成對原始圖像的編碼處理。嵌入式Web服務器實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡傳輸,。嵌入式Web服務器一般由5個主要模塊組成：嵌入式HTTP引擎,、安全模塊,、應用程序接口、文件系統(tǒng)和配置模塊［2］,。由于開發(fā)平臺采用的嵌入式操作系統(tǒng)為ARMLinux,，具有成熟的文件系統(tǒng)，提供文件訪問的接口,，可以直接使用文件系統(tǒng)提供的讀寫接口訪問嵌入式Web資源文件,，不需要另外設計文件系統(tǒng)。嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示,。
圖3 嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)
3.1 攝像頭驅(qū)動程序設計
圖像的采集工作由圖像傳感器MI360和視頻壓縮芯片ZC0301完成,，ZC0301通過USB接口和S3C2410相連，因此驅(qū)動程序主要是對 Linux下USB驅(qū)動程序的開發(fā),，ZC0301的驅(qū)動獨立開發(fā)難度較大,，主要是既要考慮圖像采集芯片的驅(qū)動，還要考慮USB的驅(qū)動,，且Vimicro沒有公布ZC0301的詳細技術(shù)資料,。Linux下ZC0301的驅(qū)動程序有開源代碼，根據(jù)本系統(tǒng)的開發(fā)平臺進行修改,、移植,、重新編譯內(nèi)核等操作可以完成 ZC0301的驅(qū)動程序,。
3.2 圖像采集模塊設計
Video4linux（V4L）是Linux的影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)的基礎(chǔ),，是Linux Kernel中支持影像設備的一組APIs，配合適當?shù)囊曨l采集卡與視頻采集卡驅(qū)動程序,，可以實現(xiàn)影像采集,、AM/FM無線廣播、影像CODEC,、視頻切換等功能,。Video4linux為二層式架構(gòu)，上層為Video4linux驅(qū)動程序本身,，下層架構(gòu)則是影像設備的驅(qū)動程序,。這里用到的是 Video4linux的上層驅(qū)動程序，即Video4linux本身所提供給程序開發(fā)人員的APIs［3］,。Video4linux視頻圖像采集流程如圖4所示,。
圖4 視頻圖像采集流程圖
3.3 H.264圖像壓縮模塊設計
H.264是ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）和ISO/IEC活動圖像編碼專家組（MPEG）的聯(lián)合視頻組（JVT）開發(fā)的一個新的數(shù)字視頻編碼標準［4］。在技術(shù)上,，H.264標準有很多優(yōu)勢,，如統(tǒng)一的VLC符號編碼，高精度,、多模式的位移估計,，基于4×4塊的整數(shù)變換,、分層的編碼語法等。這些措施使得H.264算法具有很高的編碼效率,，在相同的重建圖像質(zhì)量下能夠比H.263降低50%左右的碼率,。
H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡適應性強，增加了差錯恢復能力,，能夠很好地適應IP和無線網(wǎng)絡［5］,。H.264能以較低的數(shù)據(jù)速率傳送基于IP的視頻流，在視頻質(zhì)量,、壓縮效率和數(shù)據(jù)包恢復丟失等方面,，超越了現(xiàn)有的MPEG-2、MPEG-4和H.26x視頻通信標準,，更適合窄帶傳輸,，是目前監(jiān)控系統(tǒng)最為理想的信源壓縮編碼標準。
相對于有線網(wǎng)絡而言,，無線網(wǎng)絡狀況更不穩(wěn)定,，除去網(wǎng)絡流量所造成的傳輸速率的波動外，設備的移動速度和所在位置也會嚴重地影響到傳輸速率,。其次,，無線信道的環(huán)境也要比有線信道惡劣得多，數(shù)據(jù)的誤碼率也要高許多,，而高壓縮的碼流對傳輸錯誤非常敏感,，還會造成錯誤向后面的圖像擴散，因此無線流媒體在信源和信道編碼上需要很好的容錯技術(shù),。錯誤恢復的工具隨著視頻壓縮編碼技術(shù)的提高在不斷改進,。舊的標準（H.261、H.263,、MPEG-2的第二部分）中,，使用片和宏塊組的劃分、幀內(nèi)編碼宏塊,、幀內(nèi)編碼片和幀內(nèi)編碼圖像來防止錯誤的擴散,。之后改進的標準（H.263+，MPEG-4）中,，使用多幀參考和數(shù)據(jù)分割技術(shù)來恢復錯誤,。H.264標準在以前的基礎(chǔ)上提出了三種關(guān)鍵技術(shù)來進行錯誤的恢復，分別是參數(shù)集合,、靈活的宏塊次序（FMO）和冗余片（RS）,。 FMO是H.264的一大特色，可以是一幀中的宏塊順序分割，使分割后的片的尺寸小于無線網(wǎng)絡的MTU尺寸,，避免在網(wǎng)絡層再進行一次數(shù)據(jù)分割,，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)念~外開銷。
3.4 嵌入式Web服務器設計
本系統(tǒng)選用適合嵌入式系統(tǒng)的Boa服務器,，它是單任務HTTP服務器,，占用空間小，另外支持動態(tài)Web技術(shù)的CGI技術(shù),，源代碼開放,，性能高。嵌入式Boa服務器移植到Linux系統(tǒng)中的網(wǎng)上相關(guān)資料很多,，不再贅述,。下面重點介紹應用程序接口CGI程序設計。
公共網(wǎng)關(guān)接口CGI是HTTP服務器與其他機器上的程序進行“交談”的一種工具［6］,，其程序須運行在網(wǎng)絡服務器上,。CGI是一個用于Web服務器與外部程序之間通信方式的標準，使得外部程序能生成HTML,、圖像或其他內(nèi)容,，而服務器處理的方式與那些非外部程序生成的HTML、圖像或其他內(nèi)容的處理方式是相同的,。使用CGI的原因在于它是一個定義良好并被廣泛支持的標準,，沒有CGI就不可能實現(xiàn)動態(tài)的Web頁面，除非使用一些服務器中提供的特殊方法,。
CGI程序入口為main（）函數(shù),，函數(shù)首先執(zhí)行初始化用到的變量，然后根據(jù)提供的環(huán)境變量Environmentv獲取當前訪問用戶的用戶名,，判斷用戶的訪問權(quán)限,，然后根據(jù)REQUESM得到用戶的請求方法,。如果是POST,，則根據(jù)Contentl獲取用戶請求內(nèi)容并分析；如果是GET,，則根據(jù) Querys獲取信息并分析請求內(nèi)容,，最后根據(jù)用戶權(quán)限做出相應的處理；如果是其他的請求方法,，則返回錯誤,，不支持該請求方法。流程圖如圖5所示,。
圖5 CGI程序處理流程圖
S3C2410憑借其高性價比,、豐富的接口以及對網(wǎng)絡的強大支持，使其非常適合做網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的Web視頻服務器的處理器。H.264算法具有很高的編碼效率,，在相同的重建圖像質(zhì)量下,，能夠比H.263降低50%左右的碼率。H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡適應性強,，增加了差錯恢復能力,，能夠很好地適應IP 和無線網(wǎng)絡。本系統(tǒng)支持動態(tài)IP,，可以直接連入以太網(wǎng),，能夠即插即看。通過局域網(wǎng)（100 Mb/s以太網(wǎng)）內(nèi)部測試,，可以達到25幀/秒CIF圖像（320×240）要求,，傳輸延遲0.6 s以內(nèi)，編碼后的碼率150 Kbit/s,，由客戶端軟件解碼恢復后的視頻圖像清晰,、流暢、沒有抖動現(xiàn)象,，能獲得較好的視頻質(zhì)量,。
參考文獻
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