基于ARM嵌入式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前，嵌入式系統(tǒng)在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用越來越廣泛。伴隨著網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能，視頻監(jiān)控更側(cè)重網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方案，要求體積小、遠(yuǎn)程化、成本低、功耗小、操作界面人性化等。本系統(tǒng)基于嵌入式Linux 平臺(tái)上利用USB 攝像頭采集視頻圖像，通過視頻圖像壓縮及結(jié)合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻圖像傳輸，使遠(yuǎn)程監(jiān)控成為可能。

1 系統(tǒng)概述

視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)由4 部分組成， 分別為視頻圖像采集、視頻圖像處理、視頻圖像傳輸、視頻圖像顯示。視頻圖像采集部分由數(shù)字?jǐn)z像頭、USB 通道和嵌入式處理器構(gòu)成、視頻圖像處理主要是視頻圖像壓縮，由算法實(shí)現(xiàn)、視頻圖像傳輸主要利用視頻服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)、視頻圖像顯示主要是在遠(yuǎn)程的主機(jī)上實(shí)現(xiàn)視頻圖像的瀏覽、保存和處理等，Linux 主機(jī)上由應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，Windows 主機(jī)上通過瀏覽器上的JAVA 程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件

CPU 處理器使用Samsung S3C2440A, 主頻400 MHz,最高533 MHz;64 M SDRAM、32 bit 數(shù)據(jù)總線、SDRAM 時(shí)鐘頻率100 MHz;256 M/1 GB Nand Flash, 掉電非易失、2 M NorFlash,掉電非易失；統(tǒng)寶3.5 真彩LCD,屏集成4 線電阻式觸摸屏， 屏幕分辨率可以達(dá)到1024×768 象素；100 M 以太網(wǎng)RJ-45 接口（采用DM9000 網(wǎng)絡(luò)芯片）、串行口、USB Host、USB Slave B 型接口、SD 卡存儲(chǔ)接口、路立體聲音頻輸出接口， 麥克風(fēng)接口、JTAG 接口、4 USER Leds、6 USER buttONs（帶引出座）、I2C 總線AT24C08 芯片、20 pin 攝像頭接口；攝像頭用良田，兼容SN9C20X 系列芯片的驅(qū)動(dòng)，本系統(tǒng)的內(nèi)核中集成了該驅(qū)動(dòng)。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 Linux 內(nèi)核的移植

移植新內(nèi)核主要是為了給LCD 以及攝像頭添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)支持，在Fedora 9 中打開內(nèi)核的目錄，使用缺省配置文件進(jìn)行配置：在內(nèi)核中添加V4L 支持、添加萬能USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)GSPCA。

3.2 基于V4L2 的圖像采集程序

系統(tǒng)使用的交叉編譯工具為arm-linux-gcc-4.3.2.設(shè)計(jì)使用到的應(yīng)用程序都要通過該編譯器編譯后下載到開發(fā)板上運(yùn)行。將編好的應(yīng)用程序V4L2.c 交叉編譯后下載到板。

V4L（Video for Linux）是Linux 下提供的一個(gè)音視頻接口規(guī)范，所有的音視頻驅(qū)動(dòng)編寫都要用到這些接口。

V4L 從2.4.1.x 的內(nèi)核版本中開始出現(xiàn)， 設(shè)計(jì)使用的Video for Linux2（簡(jiǎn)稱V4L2）是V4L 的改進(jìn)版，修復(fù)了第一代中的部分BUG。

設(shè)計(jì)的圖像采集及處理程序主要基于V4L2 架構(gòu)， 通過對(duì)一些ioctl 函數(shù)的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)視頻設(shè)備的打開，圖像的采集處理，圖像的顯示等。幾個(gè)主要的ioctl 函數(shù)的簡(jiǎn)介：

1）ioctl（fd,VIDIOC_S_FMT, fmt）：用于設(shè)置圖像的格式。

2）ioctl（fd, VIDIOC_REQBUFS, req）：向內(nèi)存申請(qǐng)緩沖區(qū)，申請(qǐng)的buffer 個(gè)數(shù)存在count 中。

3）ioctl（fd, VIDIOC_QUERYBUF, buf）：查詢已經(jīng)分配的V4L2 的視頻緩沖區(qū)的相關(guān)信息， 包括視頻緩沖區(qū)的使用狀態(tài)、在內(nèi)核空間的偏移地址、緩沖區(qū)長(zhǎng)度等。

4）ioctl（fd, VIDIOC_QBUF, buf）：放一個(gè)空的視頻緩沖區(qū)到視頻緩沖區(qū)輸入隊(duì)列中，函數(shù)執(zhí)行成功后，指令的視頻緩沖區(qū)進(jìn)入視頻輸入隊(duì)列，在啟動(dòng)視頻設(shè)備拍攝圖像時(shí)，相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)被保存到視頻輸入隊(duì)列相應(yīng)的視頻緩沖區(qū)中。

5）ioctl（fd, VIDIOC_STREAMON, type）：?jiǎn)?dòng)視頻采集命令，應(yīng)用程序調(diào)用VIDIOC_STREAMON 啟動(dòng)視頻采集命令后，視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開始采集視頻數(shù)據(jù)，并把采集到的視頻數(shù)據(jù)保存到視頻驅(qū)動(dòng)的視頻緩沖區(qū)中。

圖像采集處理流程圖如圖2 所示。

圖2 圖像采集處理流程圖