網(wǎng)路攝影監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括原理圖、源代碼

1.摘要

遠(yuǎn)端攝影監(jiān)視被使用在越來越多的地方，例如：保全、道路 (流量) 監(jiān)視、河川山坡地狀況監(jiān)視等。電腦網(wǎng)路的發(fā)達(dá)，使得攝影監(jiān)視也可以利用電腦網(wǎng)路來實(shí)現(xiàn)。本工作以 FPGA 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)網(wǎng)路攝影監(jiān)視系統(tǒng)。每一個(gè)本地?cái)z影機(jī)配置一個(gè) IP，即可由遠(yuǎn)端電腦監(jiān)視各個(gè)地方的狀況。

1.1.背景資訊 (Background Information)

由於現(xiàn)在自然災(zāi)害頻傳，並且社會(huì)安全，像是搶劫、闖空門等事故時(shí)有耳聞，交通事故發(fā)生機(jī)率也居高不下。若有一臺(tái)攝影機(jī)，再搭配現(xiàn)在廣為發(fā)達(dá)的網(wǎng)際網(wǎng)路，讓我們就算出遠(yuǎn)門也可以隨時(shí)隨地監(jiān)控?cái)z影機(jī)，隨時(shí)了解特定點(diǎn)的狀況，也可以利用攝影機(jī)的預(yù)錄功能來觀看一些交通事故的發(fā)生經(jīng)過，不但可以減少糾紛，還可以利用攝影機(jī)來監(jiān)視是否有不肖業(yè)者在濫墾濫伐，進(jìn)而減少土石流的產(chǎn)生，然而可以做到這種功能的嵌入式系統(tǒng)，並非只有一種，以下是以FPGA嵌入式系統(tǒng)和較為普遍的ARM嵌入式系統(tǒng)所做的比較。

• FPGA與ARM嵌入式系統(tǒng)比較:

2.系統(tǒng)軟硬體平臺(tái)簡(jiǎn)述與資源運(yùn)用分析

2.1硬體架構(gòu)

本專案採用XUPV5-LX110T開發(fā)平臺(tái)，搭載Microblaze的嵌入式處理器，並擁有雙Flash PROMs（每個(gè)32 Mbyte）、100MHz系統(tǒng)時(shí)間產(chǎn)生器（Timer），其中高速乙太網(wǎng)路支援mll、gmll、rgmll和sgmll port，並且開發(fā)套件包含1GB的CF Card、256M SODIMM模組。FPGA的優(yōu)點(diǎn)是可以自行設(shè)定晶片以建置客製化硬體功能，而本專案所設(shè)計(jì)的硬體架構(gòu)精簡(jiǎn)，所使用元件不多，這將可以減少開發(fā)成本又可以達(dá)到本專案需求，硬體架構(gòu)如圖1。

圖1 硬體架構(gòu)圖

2.2.系統(tǒng)架構(gòu)

本專案採用Linux 2.6作業(yè)系統(tǒng)，並預(yù)先載入U(xiǎn)SB、SD Card、Camera等裝置驅(qū)動(dòng)程式供上層使用，Libraries則是預(yù)先載入SDL(Simple Directmedia Layer)，以供上層FFMpeg所包含的ffplay元件使用，操作人機(jī)介面是以網(wǎng)頁方式呈現(xiàn)，以Thttpd並利用網(wǎng)頁程式語言PHP與CGI實(shí)作，使Record Controller與FFMpeg可被CGI叫用，並達(dá)到執(zhí)行影像側(cè)錄與播放影像功能，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3.資源運(yùn)用分析

本系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)用基本的硬體架構(gòu)就可以達(dá)到我們的需求，開機(jī)流程主要是先由放在Flash內(nèi)的BIOS將晶片組和記憶體子系統(tǒng)初始化後把Kernel解壓縮到系統(tǒng)的主記憶體(MPMC)開始執(zhí)行，當(dāng)開始執(zhí)行時(shí)，首先會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自我檢測(cè)以確定設(shè)備可以正常動(dòng)作，接著將Local Memory載入到記憶體0X9CFF0000的位置開始執(zhí)行，再載入由作業(yè)系統(tǒng)的開機(jī)磁區(qū)，進(jìn)入作業(yè)系統(tǒng)，完成開機(jī)。I/O則是透過Local Bus與記憶體(MPMC)進(jìn)行資料傳輸，其中INIT是中斷處理程式控制器負(fù)責(zé)控制可編譯系統(tǒng)時(shí)間產(chǎn)生器(Timer)，UART可讓使用者連接至本系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，而擷取到的資料可以透過GPIO儲(chǔ)存到SD Card中，USB阜可以提供USB攝影機(jī)做連接。

3.系統(tǒng)實(shí)作內(nèi)容

3.1.實(shí)作內(nèi)容

本實(shí)作內(nèi)容採用XUPV5-LX110T開發(fā)平臺(tái)(如圖4)與Xilinx EDK 10.1.3開發(fā)軟體建置本系統(tǒng)平臺(tái)，並利用Petalinux工具包將Linux2.6移植到平臺(tái)上，編輯過程，核心必須勾選支援USB、SD Card、Thttpd、Network、RS232等所需選項(xiàng)，由於Camera的驅(qū)動(dòng)在Petalinux工具並無支援，必須自行加入Camera的驅(qū)動(dòng)還有SDL媒體資料庫以及即時(shí)串流轉(zhuǎn)檔程式FFMpeg，再自行撰寫應(yīng)用程式達(dá)到控制效果。

圖4 XUPV5-LX110T硬體平臺(tái)

本專案硬體流程如圖5所示，利用現(xiàn)有USB介面安裝Camera供影像記錄用，當(dāng)Camera裝置訊號(hào)流傳送到本系統(tǒng)，並透過匯流排將訊號(hào)傳送到MPMC儲(chǔ)存供MicroBlaze用，在透過系統(tǒng)軟體上的處理，在送到GPIO上的Storage裝置儲(chǔ)存。

圖5 硬體流程圖

本系統(tǒng)平臺(tái)主要功能是使用自行所撰寫的程式Record Controller，利用此程式下達(dá)錄製指令， ffmpeg收到Record Controller所傳遞錄製訊號(hào)開始錄製，當(dāng)錄製完成回傳完成訊息給Record Controller，即儲(chǔ)存到儲(chǔ)存裝置。

圖6 系統(tǒng)流程圖

4.資料流向

圖7 資料流程圖

5.操作概念 (Operational Concept)

本系統(tǒng)主要分為三大部份，從Internet連結(jié)到登入頁面判斷使用者。如果使用者正確則登入到操作頁面，不正確則無法登入。進(jìn)入操作頁面後，可以點(diǎn)選播放即時(shí)影像，由操作頁面顯現(xiàn)出來，或停止播放或下載錄影檔。

5.1測(cè)試流程

Step1：網(wǎng)頁即時(shí)播放、停止、暫停使用者經(jīng)過登入驗(yàn)證後透過Virtex5將攝影機(jī)擷取影像並在網(wǎng)頁上進(jìn)行時(shí)撥放、停止、暫停等功能。

Step2 : 錄影

透過Record Controller傳送側(cè)錄時(shí)間指令，使ffmpeg開始處理USB Camera所傳送進(jìn)來的影像訊號(hào)，在轉(zhuǎn)換成flv檔儲(chǔ)存起來。

圖8 錄影

Step3：循環(huán)式資料保存

當(dāng)Record Controller發(fā)現(xiàn)Storage內(nèi)所儲(chǔ)存之資料到達(dá)所設(shè)定之範(fàn)圍，Record Controller則會(huì)下達(dá)刪除最早之資料，以達(dá)到循環(huán)效果。

圖9 循環(huán)式資料保存

5.2實(shí)作時(shí)程紀(jì)錄

圖10 甘特圖

6.預(yù)期功能與目標(biāo)

本專案提供的功能有下列幾項(xiàng)：

1. 本工作由 USB 介面攝影機(jī)拍攝產(chǎn)生影像數(shù)位信號(hào)。遠(yuǎn)端電腦以 IP 連

入時(shí)，開啟一個(gè)含播放器之網(wǎng)頁，播放即時(shí)攝影內(nèi)容。

2. 登入網(wǎng)頁可以進(jìn)入操作網(wǎng)頁。
3. 操作頁面可以監(jiān)看即時(shí)畫面與監(jiān)看錄影。以及提供開啟、關(guān)閉、暫停、下載錄影檔等功能。
4. 根據(jù)使用者的操作，攝影機(jī)將影像檔存至SD卡內(nèi)。

本專案以低成本的FPGA搭配基本的硬體架構(gòu)加上作業(yè)系統(tǒng)，達(dá)到成本低、效率高、準(zhǔn)確度高的需求。

7.目前實(shí)作完成進(jìn)度

目前我們已經(jīng)將Linux移植到開發(fā)板上，並且有網(wǎng)路功能、web server功能和網(wǎng)頁的登入功能，以下是移植後的開機(jī)畫面和登入頁面。另外攝影機(jī)可以在Linux的pc上擷取影像並使用ffmpeg轉(zhuǎn)檔錄影成flv格式，循環(huán)式資料保存已做到可以自動(dòng)新建檔案，建三個(gè)檔後自動(dòng)刪除最早開啟的檔案。應(yīng)用程式與驅(qū)動(dòng)方面我們已經(jīng)將ffmpeg轉(zhuǎn)檔程式和攝影機(jī)驅(qū)動(dòng)的媒體庫SDL交叉編譯成功。

圖11 開機(jī)流程圖

圖12 開機(jī)流程圖

圖13 登入頁面

8.可能遭遇之困難點(diǎn)及解決方法

8.1.遭遇之因難

由於開發(fā)板上的usb驅(qū)動(dòng)晶片是需要付費(fèi)的，所以沒辦法使用開發(fā)板上的USB阜。

8.2解決方法

然而本專案針對(duì)上述之問題提出一項(xiàng)解決之方法。使用外接模組的方法將USB模組接上開發(fā)板。

9.未來進(jìn)度

USB阜功能完成後將我們的應(yīng)用程式以及本專案所需要之程式移植到開發(fā)板上，之後做測(cè)試。

8.結(jié)論

將攝影功能的處理配置到FPGA嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板上，可以讓以往動(dòng)輒上萬的監(jiān)視攝影系統(tǒng)的價(jià)錢下修至幾千元，再利用網(wǎng)路的普及，使用者可以輕輕鬆鬆透過網(wǎng)路觀看所拍攝到的影像，提高住家的生活品質(zhì)。將攝影機(jī)移到戶外更可以嚴(yán)防一些人為因素的災(zāi)害，觀看到是否有有心人士任意破壞環(huán)境以及生態(tài)。