基于Linux的嵌入式網(wǎng)絡攝像機設計

　　本嵌入式網(wǎng)絡攝像機采用高性能ARM9芯片微處理器，內(nèi)置嵌入式Web服務器。

　　通過嵌入式多任務操作系統(tǒng)采集攝像機視頻數(shù)據(jù);采集的視頻信號數(shù)字化后經(jīng)MJPEG算法壓縮，再通過內(nèi)部總線送到內(nèi)置的Web服務器;使用者可以直接用瀏覽器觀看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頁面對系統(tǒng)進行配置。

　　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(shù)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(shù)。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傳給服務器。如圖二所示：

　　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(shù)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。

　　本文作者創(chuàng)新點:成功將CGI技術(shù)應用到嵌入式網(wǎng)絡攝像機中，利用簡單的方法實現(xiàn)了用戶和嵌入式系統(tǒng)的交互，本網(wǎng)絡攝像機在智能監(jiān)控和移動監(jiān)控中有廣闊的應用前景。

　　參考文獻：

　　[1] 曹 翔. 實時視頻傳輸在MPLS網(wǎng)絡中的QoS研究[J]. 微計算機信息，2006，7-3：58-60.

　　[2] 陳俊宏.Embedded Linux嵌入式系統(tǒng)原理與實務[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

　　[3] 楊大千等.基于ARM9和Linux的嵌入式動態(tài)Web技術(shù)設計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2006，8.