0 引言
基于同軸電纜的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜,、穩(wěn)定性差,、可靠性低且價格昂貴,，因而出現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)絡攝像機等遠程Web視頻監(jiān)控系統(tǒng),。本嵌入式網(wǎng)絡攝像機，采用高性能的ARM9芯片作微處理器,，內(nèi)置嵌入式Web服務器—Boa,，通過嵌入式多任務操作系統(tǒng)—Linux采集攝像機視頻數(shù)據(jù)；攝像機采集的視頻信號數(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服務器上的攝像機圖像,；通過通用網(wǎng)關接口CGI,，授權(quán)用戶還可以控制攝像機、云臺和鏡頭的動作或直接通過Web實現(xiàn)對系統(tǒng)進行配置,。
1 嵌入式網(wǎng)絡攝像機系統(tǒng)原理及組成結(jié)構(gòu)
嵌入式網(wǎng)絡攝像機的基本原理：在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中內(nèi)置Web服務器Boa,，攝像機采集視頻信號并將其數(shù)字化,，經(jīng)MJPEG壓縮后，傳送到內(nèi)置的Web服務器,，通過Web頁面將視頻信息發(fā)布到Internet,。由于嵌入式網(wǎng)絡攝像機是視頻采集終端和Web服務器的融合，因此,，用戶可以直接通過瀏覽器觀看攝像機拍攝的視頻圖像,，達到遠程監(jiān)控的目的。
整個系統(tǒng)由視頻采集模塊,、視頻壓縮模塊,、Web服務器、通用網(wǎng)關接口,、Web頁面等5個部分組成,。 其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示：
圖1 嵌入式網(wǎng)絡攝像機硬件結(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服務器完成基本服務器的功能,，負責響應HTTP請求,，配合視頻采集、壓縮模塊完成圖像信息發(fā)布,；通用網(wǎng)關接口—CGI,，可以根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)信息，控制攝像機,、云臺和鏡頭的動作或直接通過Web實現(xiàn)對系統(tǒng)進行配置,。
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整個嵌入式系統(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）公司是一家全球領先的嵌入式微處理器IP(Intellectual Property )核提供商,，它設計了一系列高性能,、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)級芯片應用解決方案,。當前，ARM系列微處理器核廣泛應用于便攜式通訊設備,、手持終端,、多媒體數(shù)字消費產(chǎn)品等嵌入式系統(tǒng)解決方案中。本設計選用以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),，由于當時還沒有操作系統(tǒng)的概念,，系統(tǒng)的主要功能都是用匯編語言實現(xiàn)的，其兼容性,、通用性及擴展性都很差,。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,。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,。相對其它商業(yè)操作系統(tǒng)，Linux這個開源網(wǎng)絡操作系統(tǒng)有以下獨特優(yōu)勢：
（1） 價格低廉,。在保證產(chǎn)品性能的前提下,，價格永遠都是系統(tǒng)設計時必須考慮的重用因素之一。由于Linux來源于開源社區(qū),，相對于其它商業(yè)操作系統(tǒng),，其價格幾乎為零。
（2） 文檔豐富,。全世界的Linux程序員都是技術顧問,，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)絡性能優(yōu)良。與Unix一脈相承的Linux支持多種網(wǎng)絡協(xié)議,，并能夠使系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行,。
（4） 知識創(chuàng)新。在國產(chǎn)操作系統(tǒng)中,，嵌入式操作系統(tǒng)被認為是唯一可以趕超國外同行的操作系統(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)布包含自己知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品,，可以高效地進行知識創(chuàng)新,，少走彎路。
為此,，本設計選用高性能ARM9芯片和嵌入式Linux操作系統(tǒng),。
2 視頻采集模塊設計與實現(xiàn)
視頻采集模塊是嵌入式網(wǎng)絡攝像機的核心模塊之一。它通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)調(diào)度V4L（video4linux）和影像設備驅(qū)動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,，是Linux kernel里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,，V4L可以實現(xiàn)影像采集,、AM/FM無線廣播、影像CODEC,、頻道切換等功能。目前,，V4L主要應用在影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)里,，其應用范圍相當廣泛，例如：遠程教學,、遠程醫(yī)療,、視頻會議、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)動程序,，最下層則是影像設備驅(qū)動程序,。
在Linux操作系統(tǒng)中，外部設備都作為設備文件來處理,，因此,，對外部設備的操作就轉(zhuǎn)變成對設備文件的操作。視頻設備文件位于/dev/目錄下,，一般情況下為video0,。當攝像機通過USB接口連接到視頻采集終端后,，在程序中調(diào)用V4L APIs對設備文件video0的讀操作即可實現(xiàn)攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集。其主要過程如下：
1) 打開設備文件： int v4l_open(char *dev, v4l_device *vd){}打開影像源的設備文件,；
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channel的信息；
4) 對channel設置norm：int v4l_set_norm(v4l_device *vd, int norm){} 對所有的channel設置norm,；
5) 設備地址映射：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)絡發(fā)布到Internet。本設計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 視頻壓縮模塊設計
由于攝像機采集到的視頻數(shù)據(jù)信息量較大,，如果直接將其處理成視頻,，將會給視頻處理和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸帶來很大的負擔。因此,，本設計采用高性能ARM9處理器對采集到的數(shù)據(jù)進行MJPEG壓縮,。
JPEG（Joint Photographic Experts Group）—聯(lián)合圖像專家組的簡稱，它的主要目標是研究具有連續(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,。JPEG算法被確定為靜態(tài)數(shù)字圖像壓縮的國際標準，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準，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，即動態(tài)JPEG,。它將動畫播放與JPEG結(jié)合,，按照25幀/秒的速度使用JPEG算法壓縮視頻信號，完成動態(tài)視頻的壓縮,。
4 Web服務器設計
在資源有限的嵌入式設備中可以使用的輕量級Web Server有：httpd,、thttpd,、boa等。本設計選用開源的,、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目錄。
（2）在目錄boa/src下的defines.h文件頂部設置默認的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boa.conf文件進行配置,。主要完成對boa運行的端口號、Server 根目錄,、log files,、html文件、cgi文件目錄及可讀寫的temp目錄的屬性的設置,。
5 瀏覽器與服務器之間的通信—通用網(wǎng)關接口
CGI（Common Gateway Interface）是外部應用擴展程序與WWW服務器交互的一個標準接口,。按照CGI標準編寫的外部擴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器的交互,、實現(xiàn)動態(tài)Web技術,。在本設計中，當用戶通過瀏覽器向網(wǎng)絡攝像機發(fā)送控制信息（比如控制攝像機云臺的動作等）時,，服務器守護進程啟動CGI模塊,，CGI模塊通過串口將控制命令傳送給云臺，使云臺執(zhí)行相應的動作,。其流程圖如圖2所示：
圖2 CGI控制云臺動作原理流程圖
6 Web頁面的設計
在本嵌入式網(wǎng)絡攝像機中,，Web頁面的主要功能是顯示W(wǎng)eb頁面及動態(tài)視頻信息。由于標準的html網(wǎng)頁只具有顯示文字和圖片的功能,，因而無法在標準的html網(wǎng)頁里嵌入一個窗口來“實時”觀看視頻圖像。解決這個問題的一種方法是將“實時”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“實時”觀看視頻圖像,，在本設計中選用標準ActiveX控件—VgPlayerObject來實現(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)絡攝像機設計。采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)進行視頻采集,、壓縮并通過ActiveX控件顯示動態(tài)視頻,，通過嵌入式Web Server和CGI技術融合整個系統(tǒng)，形成一套完整的網(wǎng)絡攝像機系統(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)簡單、性能穩(wěn)定,、成本低廉等優(yōu)點,，在油田、油氣井現(xiàn)場視頻實時監(jiān)控,、智能小區(qū),、移動監(jiān)控等領域具有廣闊的應用前景。