基于ARM的視頻監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　視頻監(jiān)控終端的軟件設(shè)計(jì)主要完成兩方面的工作：

　　（1）在硬件上搭建一個(gè)軟件平臺(tái)，搭建嵌入式Linux軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)需要完成UBOOT移植、嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核移植以及嵌入式Linux操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)等工作。

　　（2）在軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用程序。借助交叉編譯工具,開(kāi)發(fā)視頻監(jiān)控終端上運(yùn)行的采集、壓縮、傳輸程序。

　　構(gòu)建基于S3C2410的Linux平臺(tái)
　　Linux具有許多優(yōu)點(diǎn)，如開(kāi)放源碼；功能強(qiáng)大的內(nèi)核，支持多用戶(hù)、多線(xiàn)程、多進(jìn)程、實(shí)時(shí)性好、功能強(qiáng)大穩(wěn)定；大小功能可定制；支持多種體系結(jié)構(gòu)。

　　構(gòu)建嵌入式Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)需要先構(gòu)建交叉編譯環(huán)境，如圖4所示。一套完整的交叉編譯環(huán)境包括主機(jī)和目標(biāo)機(jī)。在開(kāi)發(fā)中主機(jī)是一臺(tái)裝有紅帽公司的FedoreCore 2操作系統(tǒng)的PC機(jī)，目標(biāo)機(jī)是基于S3C2410的視頻監(jiān)控終端。選用的交叉編譯器是GCC3.3.4 for ARM版，嵌入式Linux內(nèi)核源代碼包版本號(hào)為2.6.8RC。

　　2.6.8RC版的Linux內(nèi)核源代碼包中包含了所有的功能模塊。系統(tǒng)中只用到了其中的一部分。因此，編譯內(nèi)核之前首先要配置內(nèi)核，裁減掉冗余的功能模塊，經(jīng)過(guò)定制的內(nèi)核才符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具體步驟如下：

　　（1）鍵入命令make menuconfig，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置，選擇YAFFS文件系統(tǒng)，支持NFS啟動(dòng)，系統(tǒng)使用的是USB接口的攝像頭，故要啟用USB設(shè)備支持模塊，包括USB設(shè)備文件支持模塊、USB主控制器驅(qū)動(dòng)模塊等。此外，USB攝像頭屬于視頻設(shè)備，為了使應(yīng)用程序能夠訪(fǎng)問(wèn)它，還需要啟用Video4Linux模塊。

　?。?）用make dep命令生成內(nèi)核程序間依賴(lài)關(guān)系。

　?。?）make zImage命令生成內(nèi)核映像文件。

　?。?）make modules和make modules_install命令生成系統(tǒng)可加載模塊。

　　這樣就生成了zImage內(nèi)核映像文件，把它下載到目標(biāo)平臺(tái)的Flash中。

　　本設(shè)計(jì)采用USB外置攝像頭，在內(nèi)核配置時(shí)要求以模塊形式加載。首先要完成驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)中需要提供基本的I/O操作接口函數(shù)open、read、write、close的實(shí)現(xiàn)，對(duì)中斷的處理實(shí)現(xiàn)，內(nèi)存映射功能以及對(duì)I/O通道的控制接口函數(shù)ioctl等，并把他們定義在struct file_operations中。這樣當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等，系統(tǒng)調(diào)用操作時(shí)，嵌入式Linux內(nèi)核將通過(guò)file_operations結(jié)構(gòu)訪(fǎng)問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。接著把USB驅(qū)動(dòng)程序編譯成可以動(dòng)態(tài)加載的模塊，這樣攝像頭就可正常工作了。

　　視頻監(jiān)控終端軟件的設(shè)計(jì)
　　視頻監(jiān)控終端軟件按功能分為三部分：視頻采集、壓縮、傳輸。這個(gè)軟件的開(kāi)發(fā)都是基于先前配置好的嵌入式內(nèi)核。

　　(1）視頻采集部分

　　使用Video4Linux接口函數(shù)訪(fǎng)問(wèn)USB攝像頭設(shè)備，捕獲實(shí)時(shí)的視頻流。首先完成v4l_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義，如設(shè)備基本信息，圖像屬性，各個(gè)信號(hào)源屬性等；采集模塊一方面通過(guò)USB集線(xiàn)器采集USB攝像頭中的圖像，另一方面啟動(dòng)多個(gè)采集線(xiàn)程，分別在不同的端口上監(jiān)聽(tīng)，一旦有請(qǐng)求連接，采集線(xiàn)程立即從設(shè)備緩沖區(qū)中把視頻流數(shù)據(jù)讀出，放入到視頻處理緩沖區(qū)中進(jìn)行下一步的處理。

　　(2）視頻數(shù)據(jù)的壓縮部分

　　在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，大量的數(shù)據(jù)需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，為了保證傳輸質(zhì)量和傳輸實(shí)時(shí)性，就需要在傳輸之前進(jìn)行編碼壓縮以減少數(shù)據(jù)量，本文采用MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。在網(wǎng)絡(luò)上可以下載到開(kāi)源的xvidcore軟件作為視頻壓縮的核心算法，xvidcore是一個(gè)高效的、移植性很強(qiáng)的多媒體編碼軟件，將它在PC機(jī)上進(jìn)行交叉編譯，生成的文件拷貝到目標(biāo)系統(tǒng)下。

　　(3) 視頻數(shù)據(jù)傳輸部分

　　傳輸模塊的作用在于把壓縮之后的視頻流傳送到遠(yuǎn)程的PC機(jī)客戶(hù)上，視頻流數(shù)據(jù)的傳輸是基于TCP/IP協(xié)議。視頻傳輸采用了標(biāo)準(zhǔn)的RTP傳輸協(xié)議。RTP是目前解決流媒體實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題的最好辦法，在Linux平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)流媒體編程，需要使用一些開(kāi)放源代碼的RTP庫(kù)，如LIBRTP、JRTPLIB等。定義一種較為簡(jiǎn)單的握手協(xié)議：PC機(jī)端的采集程序不停地發(fā)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包到采集終端，采集終端把已經(jīng)捕獲的圖像打包返回給主機(jī)。每個(gè)RTP信息包被封裝在UDP消息段中，然后再封裝在IP數(shù)據(jù)包中發(fā)送出去。接收方自動(dòng)組裝接收到的數(shù)據(jù)幀，還原成視頻數(shù)據(jù)。

結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了一種基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用軟壓縮算法，討論了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)和市場(chǎng)上其它視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，開(kāi)發(fā)周期短，價(jià)格低廉，適用于對(duì)視頻圖像要求不太高的場(chǎng)合。