基于嵌入式LINUX的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：本文首先介紹了實(shí)現(xiàn)基于嵌入式LINUX系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際意義和價(jià)值，其次進(jìn)一步介紹了監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀。第二部分首先說明的本次設(shè)計(jì)需要搭建的硬件和軟件平臺(tái)，在選好軟硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上逐步實(shí)現(xiàn)了USB視頻設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、視頻服務(wù)器、視頻客戶端。

關(guān)鍵詞：S3C2410；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)；Linux

中圖分類號(hào)：TP311.52

1 論文研究背景及意義

如今嵌入式系統(tǒng)在電子信息領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)越來越獲得了國內(nèi)外各類廠商和用戶的一致關(guān)注，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)越來越多的影響到人類的日常生活、工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)、高科技產(chǎn)業(yè)等諸多領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)以其特有的專用性和便宜性大大沖擊了傳統(tǒng)以PC機(jī)位主導(dǎo)的電子信息產(chǎn)業(yè)，是的電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展出來了新的契機(jī)，在市場(chǎng)上獲得了普遍的認(rèn)可和追捧，其價(jià)格低廉，操作個(gè)性化、簡(jiǎn)易化，符合針對(duì)不同用戶不同的需求，而且由于嵌入式系統(tǒng)這些年來的不斷發(fā)展和成熟，尤其是微軟公司專門針對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的Windows CE系統(tǒng)和目前普遍使用的開源的嵌入式Linux系統(tǒng)都在對(duì)硬件的支持和圖形界面的應(yīng)用方面取得豐厚的成果，使得嵌入式系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)越來越突顯出來。而本文之所以選擇嵌入式Linux系統(tǒng)作為開發(fā)的軟件系統(tǒng)平臺(tái)，也是從其開放性的角度考慮的，嵌入式Linux系統(tǒng)基本上是免費(fèi)的，所以大大降低了開發(fā)成本，搭建了一個(gè)更為可靠的、實(shí)用的、高效的管理平臺(tái)，為后期的軟件開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在通信、醫(yī)療、金融、安保等諸多領(lǐng)域有著廣泛的使用。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)也獲得了廣泛的推廣，國家以及企業(yè)、個(gè)人的投入越來越多，視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展對(duì)于金融安全、人身財(cái)產(chǎn)、社會(huì)治安等方面的貢獻(xiàn)也越來越大。隨著社會(huì)的發(fā)展視頻監(jiān)控系統(tǒng)也越來越多的獲得廠商的青睞，在國內(nèi)也出現(xiàn)很多具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的知名品牌，如?？低?、大華、天地偉業(yè)等，以其一流的技術(shù)占據(jù)著國內(nèi)大部分市場(chǎng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般有兩個(gè)部分組成，即視頻服務(wù)器和視頻客戶端，在研究的過程中必須對(duì)這兩部分進(jìn)行軟件的開發(fā)和管理，建立好通信機(jī)制，設(shè)計(jì)好正好工作流程。按照視頻流的數(shù)模特性來劃分，模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成了視頻監(jiān)控系統(tǒng)目前最主要的兩個(gè)技術(shù)方向。視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)在未來的發(fā)展中得到更多功能方面的擴(kuò)展，如無線視頻網(wǎng)絡(luò)、智能識(shí)別視頻系統(tǒng)等方向。

2.1 平臺(tái)選擇

本論文的硬件平臺(tái)選用s3c2410開發(fā)板，操作系統(tǒng)內(nèi)核采用Linux2.6內(nèi)核，本論文硬件平臺(tái)采用的主要硬件是s3c2410開發(fā)板。該板是韓國三星公司已經(jīng)比較成熟的產(chǎn)品，在硬件配置方面基本滿足本文的需要。采用Linux2.6內(nèi)核的主要原因是這個(gè)內(nèi)核版本經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的推廣和完善，無論是對(duì)本文所需的視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)還是軟件系統(tǒng)的開發(fā)，都會(huì)有很好的支持，而且運(yùn)行穩(wěn)定，符合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

2.2 USB視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

本論文的USB視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在嵌入式環(huán)境下，對(duì)視頻圖像處理能力有限，所以本驅(qū)動(dòng)程序不支持V4L中VIDIOCGPICT和VIDIOCSPICT接口。原始的圖像格式與攝像頭采集到的格式是一致的。

2.2.1 USB視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)待需解決的問題

USB視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)需要解決如下幾個(gè)問題：對(duì)USB視頻設(shè)備的端點(diǎn)類型和端點(diǎn)號(hào)、一副圖片的結(jié)束等具體數(shù)據(jù)的判定。

（1）確定USB視頻設(shè)備的端點(diǎn)類型和端點(diǎn)號(hào)

從開發(fā)板的硬件支持角度來分析，使用USB接口作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口是比較合適的選擇，而Linux系統(tǒng)也為USB接口提供了強(qiáng)大的支持，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)的USB驅(qū)動(dòng)對(duì)USB設(shè)備的操作實(shí)際就是對(duì)某一端點(diǎn)的操作，而端點(diǎn)又進(jìn)一步的被定義為控制、中斷、同步、塊四個(gè)種類，每一個(gè)USB設(shè)備都具有特定數(shù)日的端點(diǎn)、特定類型的端點(diǎn)以及端點(diǎn)號(hào)確定的特點(diǎn)。因此在進(jìn)行USB視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)之前，USB視頻設(shè)備的端點(diǎn)類型、端點(diǎn)數(shù)日以及端點(diǎn)號(hào)需要在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置。

（2）判斷一副圖片的結(jié)束

圖像數(shù)據(jù)在于USB核心是連續(xù)的數(shù)據(jù)流，而一副圖像的開始和結(jié)束并沒有嚴(yán)格的界定出來，如果沒有對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，那么在系統(tǒng)看來這些數(shù)據(jù)就是一些單純的數(shù)據(jù)流，是沒有意義的數(shù)據(jù)，對(duì)圖像就不能進(jìn)行正確的識(shí)別和存儲(chǔ)，因此需要利用緩存技術(shù)，工作的原理就是USB視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)從連續(xù)的數(shù)據(jù)流中獲取圖片信息，通過緩存保存起來。而保存在緩存中的數(shù)據(jù)流并沒有提供圖片信息的開始和結(jié)束的標(biāo)識(shí)，這個(gè)時(shí)候攝像頭的數(shù)據(jù)格式有對(duì)圖像信息的開始和結(jié)束的定義和標(biāo)識(shí)，雖然不同廠商的芯片對(duì)標(biāo)志有不同的定義，導(dǎo)致沒有一定的規(guī)律可循，但是在沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的情況下，具體的定義可以由對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序來代替，通過不同的數(shù)據(jù)格式的定義對(duì)標(biāo)識(shí)過的圖像信息逐一提取，就獲得我們所需要的圖像，如使用JPEG格式的圖像，就可以從標(biāo)示符Oxff Oxd8開始認(rèn)定一副圖片的起始。

（3）提高USB的數(shù)據(jù)傳輸速度

在Linux系統(tǒng)中urb來實(shí)現(xiàn)USB的數(shù)據(jù)通信。通過擴(kuò)大urb的緩沖，提高速度，提高有效數(shù)據(jù)的傳輸速度。

2.2.2 USB視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)具體實(shí)現(xiàn)

視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)層處于上層應(yīng)用和USB子系統(tǒng)之間，不同的USB設(shè)備在軟件上的差異主要體現(xiàn)在該層。該層主要要完成兩個(gè)方面的工作：上層應(yīng)用所需接口函的調(diào)用、接口函數(shù)供USB子系統(tǒng)回調(diào)。在本視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)中，如open函數(shù)、read函數(shù)、close函數(shù)和ioctl函數(shù)，構(gòu)成了USB子系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)傳輸，而probe函數(shù)和isoc irq函數(shù)實(shí)現(xiàn)了子系統(tǒng)的回調(diào)。上層應(yīng)用和USB子系統(tǒng)的通過函數(shù)調(diào)用接口的關(guān)系如圖1所示。

圖1 接日函數(shù)的調(diào)用關(guān)系

圖2 接日函數(shù)關(guān)系圖

圖2是這幾個(gè)接口函數(shù)的關(guān)系圖，參數(shù)信息，如分辨率、幀速度、圖像格式等數(shù)據(jù)存在全局內(nèi)存空間1中。而圖像數(shù)據(jù)的相關(guān)內(nèi)存空間則保存在全局內(nèi)存空間2中。同時(shí)以環(huán)形緩沖區(qū)的方式保存圖像的存儲(chǔ)空間，環(huán)大小為兩幀圖片大小。

2.3 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文主要通過Linux的多線程機(jī)制和Socket機(jī)制實(shí)現(xiàn)了視頻服務(wù)器。視頻壓縮采用了H.263壓縮標(biāo)準(zhǔn)，壓縮以后的數(shù)據(jù)以AVI文件格式保存。視頻服務(wù)器主要向USB視頻驅(qū)動(dòng)發(fā)出讀取數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，數(shù)據(jù)發(fā)被服務(wù)器送給需要數(shù)據(jù)的客戶端。主要體現(xiàn)出處理多個(gè)客戶端的同步和共享的問題，而采用Linux的多線程機(jī)制就可以解決這兒?jiǎn)栴}，在Linux的多線程機(jī)制中一個(gè)主線程、一個(gè)讀取視頻數(shù)據(jù)子線程、其他客戶端通信子線程構(gòu)成了視頻服務(wù)器主要組成部分。

2.3.1 主線程邏輯

首先通過主線程對(duì)攝像頭進(jìn)行初始化，同時(shí)讀取視頻數(shù)據(jù)子線程將被啟動(dòng)，進(jìn)一步打開服務(wù)器端Socket，等待客戶端的連接，客戶端發(fā)送請(qǐng)求并由服務(wù)端接收，這樣客戶端通信子線程就生成了，用于和客戶通通信的線程就生成了。

2.3.2 兩類子線程序通信邏輯

視頻服務(wù)器包括了兩類子線程：讀取視頻數(shù)據(jù)子線程、客戶端通信子線程。就像正常的程序的讀寫功能一樣，視頻服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫分別依靠讀取視頻數(shù)據(jù)子線程和客戶端通信子線程，兩類子線程的通信邏輯是讀寫功能的擴(kuò)展，讀取視頻數(shù)據(jù)子線程完成寫的功能，戶端通信子線程執(zhí)行讀的功能，這樣在視頻服務(wù)器中就完整的體現(xiàn)了讀寫的邏輯功能。

2.3.3 讀取視頻數(shù)據(jù)的子線程

讀取視頻數(shù)據(jù)的子線程的主要功能是從設(shè)備驅(qū)動(dòng)中用read方法讀取一幅圖片的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)拷貝到環(huán)形共享緩沖區(qū)當(dāng)中。

2.3.4 客戶端通信的子線程序

首先把視頻數(shù)據(jù)看作是一幅幅圖片數(shù)據(jù)的重復(fù)，為了在客戶端能夠定位一幅圖片的結(jié)束和下一幅圖片的開始，在每幅圖片數(shù)據(jù)的開始前插入定長(zhǎng)的picwe header結(jié)構(gòu)，其中的size字段告訴客戶端當(dāng)前圖片數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。從設(shè)計(jì)的角度來看我們希望客戶端能夠隨時(shí)、方便的控制服務(wù)器端，控制攝像頭的方位、攝像頭的焦距、圖片的分辨率等因素，只要在客戶端到服務(wù)器端的方向上定義一個(gè)數(shù)據(jù)流，負(fù)責(zé)兩端的通信和數(shù)據(jù)的控制，而從數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)來看，我們可以認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)流是message結(jié)構(gòu)的重復(fù)。

2.4 視頻客戶端的實(shí)現(xiàn)

2.4.1 視頻客戶端功能需求

由于C/S架構(gòu)的一些特性，如C/S架構(gòu)管理模式更加規(guī)范和高效比較適合視屏監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，所以本論文選擇了C/S架構(gòu)作為客戶端的實(shí)現(xiàn)方法。視頻的播放、視頻的壓縮存儲(chǔ)的功能就是在采取C/S架構(gòu)的客戶端下實(shí)現(xiàn)的。在windwos下有兩種類型的線程：窗口線程和工作線程。窗口線程有自己的消息隊(duì)列，而工作線程在系統(tǒng)看來就是調(diào)用執(zhí)行函數(shù)的過程，系統(tǒng)為線程提供接口、緩存等系統(tǒng)資源，線程在執(zhí)行函數(shù)的結(jié)束后就自動(dòng)釋放占用的系統(tǒng)資源。

2.4.2 圖像的顯示

本論文選擇VFW作為客戶端的視頻開發(fā)技術(shù)，VFW在微軟公司的不斷開發(fā)下，已經(jīng)成為一個(gè)很強(qiáng)大的軟件開發(fā)包，能為視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供一整套的功能服務(wù)，其功能模塊主要包括AVICAP，MCIAVI，MSVIDEO，AVIFILE，ICM，ACM等6個(gè)模塊，在VFW的支持下，包括視頻圖像的捕捉、播放、壓縮和存儲(chǔ)等功能都可以逐一實(shí)現(xiàn)?？蛻舳死肁VICAP模塊執(zhí)行捕獲視頻的函數(shù)為AVI文件輸入輸出和視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供一個(gè)編程接口，AVICAP模塊獲取到屏幕上的視頻操作以后需要通過MSVIDEO模塊來處理，而MSVIDEO模塊主要調(diào)用的函數(shù)是DrawDib函數(shù)，而MSVIDEO模塊把通過網(wǎng)絡(luò)接收到的圖像數(shù)據(jù)以特定格式進(jìn)行顯示。MCIAVI包含對(duì)VFW的MCI命令的解釋器。AVI文件則通過AVIFILE支持標(biāo)準(zhǔn)多媒體I/O函數(shù)所提供的更高的命令來訪問。ICM管理用于視頻壓縮、解壓縮的編解碼器。ACM功能模塊用于波形音頻壓縮、解壓的編解碼器的管理。DrawDib可以把DIB畫在屏幕上，使用了BITMAPINFO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.4.3 圖像的壓縮

圖像的壓縮采用H.263標(biāo)準(zhǔn)，H.263壓縮算法的核心函數(shù)包括了對(duì)幀內(nèi)壓縮的CodeOneIntra函數(shù)和對(duì)幀間壓縮的CodeOneOrTwo函數(shù)。CodeOneIntra函數(shù)實(shí)現(xiàn)了圖像像素宏塊的劃分。CodeOneOrTwo函數(shù)一首先定義了一個(gè)二維數(shù)組MV，其變量類型為MotionVecto：結(jié)構(gòu)體，用來保存每一宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量。

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作者簡(jiǎn)介：金磊（1981.11-），男，湖南人，碩士，專業(yè)組長(zhǎng)，工程師，研究方向：臨床醫(yī)學(xué)工程，醫(yī)院信息化建設(shè)；馬明瑞（1980.07-），男，回族，新疆人，碩士研究生，科員，工程師，研究方向：醫(yī)院信息化研究。

作者單位：新疆醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程部，烏魯木齊 830000