基于嵌入式μCLinux的网络视频监控系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文基于嵌入式CLinux的网络视频监控系统的设计与实现姓名：马凤乾申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：马灵芝20050301大连理工大学硕士学位论文摘要传统的模拟视频监控系统具有成本较高，需要铺设专用线路，无法联网，需要耗费大量的存储介质等缺点。随着网络的发展，新兴的网络视频监控克服了传统模拟视频监控的局限性，充分利用了网络资源，有助于提高性能，降低成本，是视频监控系统的发展方向。本文介绍了基于嵌入式g c L i n u x 的网络视频监控系统的设计和实现方法。该视频监控系统由摄像头、云台控制器、网络视频服务器以及客户端P c 机等几部分组成，文中首先论述了视频监控技术的两大技术基础图象处理技术和嵌入式操作系统相关技术；然后介绍了视频监控系统服务器端硬件中几个重要模块的设计，包括图像压缩处理模块、网络接口模块、实时时钟模块、云台的控制、串口的应用等；软件部分详细介绍了软件的设计方案，包括嵌入式软件开发环境的搭建，崛L i n u x 内核的编译，以及视频监控软件中多个任务的设计和软件的调试与测试方法等；并介绍了网络协议在本系统中的应用。本文所介绍的网络视频监控系统达到画面播放流畅，清晰度高，几乎无马赛克效应的效果，可在图象监控过程中，设置网络摄象机参数和对云台进行控制。支持U D P I P、T C P I P、A R P、F T P、D H C P、舯、S M T P 等多种协议，实现了网络实时播放、允许多路切换和4 路画面同时播放、可以以F T P M A I L 方式报警等功能。经过长时间的测试和不断完善，系统运行稳定可靠。关键词：视频监控；嵌入式；p C L i n u x 操作系统；组播；流媒体基于嵌入式I C L k m x 的网络视频监控系统的设计与实现D e s i g na n dr e a l i z a t i o no faN e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nT h eh d i t i o n a l 锄a l o g i cm o u l t o 血gs y s 把m sh a v et kd e f e c tt h a tt h e i rc o s t sa r eb i 出a n dn e e ds p e c i a ll i n e s，c a n tj o i nt o g e t h e ra n dn e e dam a S so fs t o r a g em e d i u m W i t ht h ed e v e l o p m e mo fn e t w o r kl h en e wd e v e l o p i n gn e t w o r km o n i：t o f i n gs y s t e m so v e r c o m et h el i m i t a t i o na n dm 幽ef u l ll 辩o fn e tr o s o u l c e s,e n h a n c i n gp 既如I m 柚a n dr e d u c i n gc o s t,b e c o m et h ef u t u r ed e v e l o p m e n td i l e c 虹o no f m o n i t o r i n gs y s t e m s T h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fan e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e di x C L i n n)LT b es y s t e mi sc o m p o s e do f c a m e r a,伽t r l c r ac o n t r o l l e r,n e t w o r kv i d e os 廿懈a n dc H e n t-e n dP C I tf i r s t l yd e s e n q)e si m a g ep r o c e s s u l ga n de m b e d d e dO St e c h n i q u e s，w h i c ha 把t h et 1)l=ot e c h n i c a lf o u n d a t i o n s；i ta l s od e s c r i b e st h ed e s i g no fs c v a lm a i nm o d u l eo f t h eh a r d w a r ep a r to f t h em o n i t o r i n g 鬟x 嗽w h i c hi n c l u d e si m a g ec o m p r g s s i o nm o d u l e,n e t w o r ki n t e r f a c em o d u l e，r e a l t h n ec l o c km o d u l ea n dh o wt oc o n t r o lc a m e r a,e r e mt h es o 矗o v a r ep a a,i td e s c r i b e si nd e t a i lt h a th o wt oc o r l S I u c tt h ee m b e d d e ds o f h v a r e d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t,h o w t o c o m p i l e I t C L i m L X k e r n e l，t h e d e s i g n o f s e v e r a l t a s k so ft h es o f t w a r e,a n dt h ed e b u gm a dt e s tm e 也o da n dt h ea p p l i c a t i o no fn e t w o r kp r o t o c o l sh a v ea l s ob e e nd e s c r i b e d 皿l en e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mi n t r o d u c e di nt h ep a p e ra c h i e v e st h eg o a lo fp l a y i n gs m o o t h l ya n dw i t hh i g hd e f i n i t i o na n dn e a r l yn 0m o s a i c 掀i te n a b l e su s e rt os e tG a n l e l ap a r a m e t e ra n dt Dc o n t r o l 锄e I ad u r i n gt h em o n i t o r i n gp r o c e 鼢I tc a ns I r p l o o r tm u l t i p l ep r o t o c o l ss u c h 够U D P I P,T a 雕田，A R P，兀P，D H C P，H 丌P，鲫m 曙p m t t r c o l sa n dr g f l l i z e sr e a l t i m ed i s p l a ya n dc a ns w i t c hb e t w e e nm u l t i c h a n n e l sa n dp l a y4c h a n n e l s i m a g e ss i m u l t a n e o u s l ya n dc a ns e n d sa l a r mi nF T P M A I Lm o d e D u r i n gl o n gt i m et e s ta n dp e r f e c _ t t h es)_ S t 跚lr u n ss t e a d i l y K e yW o r d s：V i d e om o n i t o r i n g；E m b e d；p C L i n u xo p e r a t i n gs y s t e m；M u l t i c a s t；S t r e a mm e d i a独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：墨凰整日期；丝量堡兰旦扭旦大连理工大学硕士学位论文1 绪论网络视频监控系统是与网络直接相连的数字摄像装置，前端采用模拟摄像头，将捕捉到的模拟视频信号经视频服务器内置的视频编码转换器转化成数字Y u v 信号后，由M P E G 4 数据压缩芯片进行压缩，然后打包成为数字视频流，通过以太网或因特网实时地传送出去。每个嵌入式网络视频服务器都有自己的P 地址和网络接口，可以直接接入网络。用户在任意地方登录网络后，只要在浏览器的地址栏里输入网络摄像机的D地址，接收到视频流，就可以通过I n t e m e t 来实时观看摄像头所拍摄到的图像，收听麦克风接收到的声音，使用十分方便。目前视频监控系统已经进入了一个高速发展的时期，行业竞争日渐白热化，传统模拟视频监控系统逐渐不再适应社会发展的需要。目前新崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统得到了越来越广泛的应用，它具有传统模拟监控无法比拟的优点，克服了传统视频监控的局限性，正在逐步取代模拟监控。网络视频监控系统综合了数字化图像处理与视频信息处理技术、嵌入式技术、数据传输网络技术、自动控制等技术，符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，可广泛应用于交通监控、医院病房监护、银行安全监控、家居安全监控、视频会议和视频点播(V O D)、银行证券操作与安全监控、远程教育、网上演示、新闻实况直播等诸多领域，而且其成本将随着技术的发展和网络的普及而大大降低，具有广阔的应用前景，随着宽带网的普及和技术的发展，网络视频监控必将成为未来视频监控设备的发展方向。1 1 视频监控系统的发展概况近二十年来，视频监控系统发展非常迅速，其发展主要经历了三个时代：第一代是模拟时代，视频数据采用同轴电缆以模拟方式进行传输，并由控制主机进行模拟处理。本地图像网络监控系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录象机等组成，由视频线、控伟线缆(少数采用光纤)等连接，采用模拟方式传输，传输距离不能太远，主要应用于小范围内的监控，如大楼监控等。监控图像一般只能在控制中心查看。有线模拟视频监控无法联网，只能以点对点的方式监视现场，并且布线工程量极大。第二代是半数字时代，视频以模拟方式采用同轴电缆进行传输，由多媒体控制主机或硬盘录像主机(D t)进行数字化处理与存贮，将原来的磁带存储方式转变成数字存储录像，进行模拟数字转换并录像和显示，集合了录像机、画面分割器等功能，跨出数字监控的第一步。但视频前端(如C C D 等视频信号的采集、压缩、通讯)较为复杂，稳定性、可靠性不高，功耗高，结构复杂，价格高昂。而P C 机也需专人管理，操作较为烦琐。图像基于嵌入式p C L i n u x 的网络视频监控系统的设计与实现远传仅局限在局域网内传输，传输距离明显受限，并且模拟视频信号的衰减很严重，传输距离不能超过1 0 0 0 m，否则必须采用光纤传输，图像质量受环境干扰也较大。第三代是全数字时代，前端的图像采集设备输出的即为数字信号，并以网络为传输媒介，基于T C P f l P 协议，采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输，实现对整个监控系统的指挥、调度、存贮、授权控制等功能。现今市场上的数字视频监控系统主要有三种，一种是基于P C 机的远程视频监控系统，现场放置插有视频卡的P C 机，视频的压缩与解压缩由视频卡来负责完成。其优点在于能实现在网上互联互通及授权客户直接访问，便于构建系统及方便联网，但具有现场不能脱离P C 机，实用性较差，系统稳定性差，费用高的缺点。另一种是通过在现场设置视频网络编码器，将模拟视频编码后上网传输，并在监控端设置的对应解码器将网上数字视频信号解码后进行监控。其优点在于现场不需P C 机支持，系统稳定性提高。但具有只能一对一传输，较难实现授权客户直接访问和联网的缺点。随着技术的进步，现在出现了一种新型的网络化远程视频监控，即基于嵌入式视频服务器技术的远程网络视频监控。现场采用网络监控产品包括：网络摄像机、网络高速球、网络视频接入器等，摄像机传送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过内部总线传送到内置的视频服务器，经过处理后输出全数字信号并可直接上网传输与控制，现场无需P C 机支持。可采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输【2 7】。可全天2 4 小时运行、稳定可靠，内置w e b 服务器，使网上授权监控者均可对其进行访问和管理，充分利用了网络资源，是视频监控系统的发展趋势的代表。嵌入式远程视频监控系统的国内外研究现况如下：国外起步较早，并处于领先水平，已有成熟的嵌入式W E B 摄像机产品。除了索尼公司的S V C-V L l 0 N 之外，还有松下公司的K X-H C M l 3 0，三星公司的S N C 1 0 0 P、安特公司的AN f n 娟，C 1 0 5 0，1 0 0，瑞典的X I X 系列等，性能普遍较好，但价格也很昂贵，国内用户大多无法承受。国内在这方面的研究刚起步，大多数是代理国外厂商的现成产品，从事实际研究的单位不多。国内同类产品大多为-N 两路输入，功能较少。播放速度较匣，播放效果较差，科技含量有待于进一步提高。1 2 网络视频监控系统的组成和功能网络视频监控系统由软件和硬件两大部分组成，硬件由摄像头、云台控制器和网络视频服务器、客户机组成。视频服务器是一块包含a r l T l 微处理器的P C B 电路板，放在现场；客户机是指远端的p c 机，负责进行,g f K；，云台控制器负责控制摄像头的转动、调焦等。应用软件分为客户端和服务器端两个组成部分，客户端软件运行于P C 机上，2 大连理工大学硕士学位论文要求运行环境是W i n d o w s9 8 2 0 0 0 等操作系统，并与I n t e r n e tE x p l o r e 等浏览器配合使用；服务器端软件运行在硬件电路板上，包括C L i n u x 操作系统与应用程序两部分。网络视频监控系统的功能如下：1 实现实时监控，并提供l、4 多画面的分屏显示。并可通过外接多路视频切换器扩展到3 2 路M P E G 4 视频解码；2 采用M P E G 4 图像压缩编码方式，视频分辨率为6 4 0*4 8 0。帧率为1 2 5 帧s 可调，码速率可调；3 提供多种形式的用户和权限管理，安全可靠；用户可以调节前端视频的饱和度、对比度、色度、亮度等显示参数，通过集成的R S 2 3 2 接口，用户可以通过网络发送的云台控制命令，实现远程控制云台转动、控制镜头等功能；4 能够设置固定区域，检测到该区域内有物体移动时产生报警信号，以M A I L、F T P 方式报警；5 集成网络接口，支持T C P I P 协议，可以通过双绞线直接接入网络。1 3 主要的工作本论文来源于与大连永佳电子技术公司合作研发的项目。本文详细介绍了基于嵌入式r t C L i n u x 的网络视频监控系统的设计与实现，本人所做的主要工作如下：1 给出了图像处理模块、网络接口模块、实时时钟模块等的设计方案，并阐明利用串口控制云台和利用m G 烧写内核；2 负责进行嵌入式开发环境的搭建、交叉开发工具的安装、嵌入式g C L i n u x 内核的裁剪、重新编译等，并给出了B o o t l o a d e r 引导启动程序的流程图；3 负责对本系统中软件的几个重要任务进行设计，并负责对软件进行调试和测试等；4 实现利用s o c k e t 技术、组播技术、流媒体协议等来传输视频信号和命令。3 基于嵌入式p C L i n u x 的网络视频监控系统的设计与实现2 视频监控系统相关技术基础2 1 图象处理技术图像处理技术把模拟视频信号变成压缩的数字数据。由于模拟视频信号的信息量巨大，例如一幅6 4 0*4 8 0 的分辨率的2 5 6 真彩色图像(2 4 b i t 像素)，其数据量为O 9 2 M B，如果以每秒3 0 帧的速度播放，则视频信号的数码率高达2 7 6 M b p s。这么大的数据量，对计算机的处理速度、存储空间等要求都非常高，而且也要求通信信道有很高的带宽，所以必须对视频信号进行图像处理【l】。模拟视频信号之所以能够进行压缩处理，首先是由于图像信息本身存在较大的冗余量。对一个连续画面来说，它的每一帧画面都是由若干像素组成，像素与像素之间在行方向和列方向上都有很大的相关性。而且由于动态图像通常是一个连续的过程，它的相邻帧之间往往包含相同的背景和移动物体，只是所处的空间位置略有不同，所以相邻帧之间也存在很大的相关性，这些相似的信息就成为图像压缩的基础。其次，视频信息的主要接收者是人，人的视觉有“视觉掩盖效应”，即人眼对图像的亮度敏感，而对图像的色彩的分辨能力弱。利用这个特点压缩视频数据，在压缩中丢弃一些人的感觉不敏感的内容，不影响人对信息的接收。压缩编码的目的就是去掉信息中的冗余，将图像数据尽可能压缩到最小，但又携带足够的信息使得能够恢复出与原图近似的图像 1】。图像处理技术首先要对模拟数据进行数字化，数字化包括采样、量化两个步骤，然后对数字化后的数据进行压缩编码。2 1 1 模拟数据数字化处理视频信息，首先要使模拟信息数字化，数字化是通过对模拟视频信号进行采样和量化实现的。1 采样图像采样是将二维空间的模拟的连续信号(即灰度)或色彩信息，转化为一系列有限的离散数值来表示。由于图像是二维信息，所以具体的做法是对连续的图像在水平和垂直的方向等间隔地分成矩形网状结构，所形成的矩形微小区域，称为像素。被分割的图像如果水平方向有M 个间隔，垂直分析有N 个间隔，则一幅视频画面就表示成M+N个像素构成的离散像素的集合。M*N 是图像的分辨率【2】。在进行采样时，采样点间隔的选取是很重要的。它决定了采样后的图像是否能够真实的再现原图像的程度。原图像的画面越复杂，色彩越丰富，则采样的间隔应该越小。4 大连理工大学硕士学位论文2 图像量化采样后得到的亮度值(或色彩度)在取值空间上仍然是连续值，属于模拟量，需要进行量化，量化是模拟信号到数字信号的映射，它把采样后得到的这些连续量表示的像素值离散化为整数值。量化的实质是用有限的离散值代替无限的连续模拟量的多对一映射操作。量化输入值的动态范围很大，需要以多个比特值表示一个数值。图像量化将图像采样后的样本值的范围分为有限多个段，把落入某段中的所有样本值用同一个值表示，量化输出只能取有限的整数，量化时使用的离散取值个数称为量化级数，为表示量化的色彩值(或亮度值)所需的二进制数位称为量化字长。一般可用8 b i t、1 6 b i t、2 5 6 b k 或更高的量化字长来表示图像的颜色。字长越长，越能够反映出原来图像的颜色，但得到的数据量越大。量化处理总是把一批输入量化到一个输出级熵，所以量化是一个多对一的处理过程，是一个不可逆的处理过程，并且会引起量化误差【2 。量化处理是使数据比特率下降的一个强有力的措旌。图像灰度值是连续的数值，通常是用(0 2 5 5)的整数表示图像灰度。经A D 变换后的2 5 6 级灰度分层量化处理的离散数值，可以用l o g e 2 5 6=8 b k 表示一个图像象素的灰度值。2 1 2 压缩编码量化之后，得到的数字视频数据量仍然非常巨大，需要进行压缩。目前，适用于远程视频监控的图像压缩标准有H 2 6 3、J P E G、M P E G 系列标准(主要包括M P E G-1、M P E G 一2、M P E G 4 等)。M P E G(M o v i n gP i c t u r e sE x p e r t sG r o u p)是动态图象专家组的英文缩写，是视频、音频、数据的国际压缩标准。在多媒体数据压缩标准中，M P E G 系列标准使用最多，它有很好的兼容性，而且能够比其他算法提供更好的压缩比，最高可达2 0 0：1。M P E G 在提供高压缩比的同时，对数据的损失很小。M P E G 标准包括M P E G视频、M P E G 音频和M P E G 系统(视音频同步)三个部分。M P E G 压缩标准是针对运动图像而设计，基本方法是在单位时间内采集并保存第一帧信息，然后就只存储其余帧相对第一帧发生变化的部分，以达到压缩的目的。M P E G 视频压缩技术是针对运动图像的数据压缩技术，为了提高压缩比，同时使用帧内图像数据压缩和帧间图像数据压缩技术。帧内压缩算法采用基于D C T 的变换编码技术，以减少空域冗余信息。帧间压缩算法采用预测和插补两种编码技术，预测有因果预测(纯粹的预测编码)和非因果预测(即插补编码)。预测误差可以再通过D C T 变换编码处理，进一步压缩。帧间编码技术可以减少时间轴方向的冗余信息 2 。M p E G 视频图像数据流是一个分层结构，目的是把位流中逻辑上独立的实体分开，防止语义模糊，并减少解码过程的负担，对分层的要求是支持通用性、灵活性和有效一5 基于嵌入式a 3 L i n u x 的网络视频监控系统的设计与实现性。通用性的含义是使M P E G 标准的语法规定可以满足不同的应用要求。灵活性可通过视频序列头所定义的许多参数来说明。有效性是M P E G 压缩算法需要对附加信息，如位移域、量化器步长、预测器或插值类型等提供有效的管理。M P E G 视频位流分层结构如图2 1 所示。共包括6 层，每一层支持一个确定的函数，或者是一个信号处理函数(D C T，运动补偿)，或者是一个逻辑函数(同步，随机存取点)等 3】。每一层的开始有一个头，作为说明参数。在图像序列层的头中，装有视频序列参数，如图像宽度、图像高度、像素长度比、帧率、位率、缓冲区尺寸等。图2 1M P E G 视频位流分层结构图F 蟪2 1M P E Gv i d e ob i ts l r e a mh i b e r a r c h ys t r u c t u r e1 M P E G-l 视频编码标准1 9 9 3 年制定的M P E G-1 标准是针对1 5 M b i t s 速率的数字存储媒体运动图像及其伴音编码制定的国际标准。M P E G-l 的带宽最多为1 5 M b i f f s，其中11 M b i t s 用于视频，1 2 8 K b W s 用于音频，其余带宽用于M P E G 系统本身。为了追求高的压缩效率，去除图像序列的时间冗余度，同时满足多媒体等应用所必须的随机存取要求，并要求通过帧间运动补偿有效地压缩数据的比特数，M P E G-1 把图6 大连理工大学硕士学位论文像编码分成I 帧、P 帧、B 帧和D 帧共4 种类型。I 帧为帧内编码帧(i n c ac o d e df l a m e)，编码时采用类似J P E G 的帧内D C T 编码，它仅使用自身的信息进行编码，既不参考过去的图像也不参考末来的图像，I 帧的压缩率是几种编码类型中最低的。P 帧为预测编码帧(p r e d i c t i v ec o d e df l a m e)，采用前向运动补偿预测和误差的D C T 编码。B 帧为双向预测编码帧(b i d i r e c t i o n a l l yp r e d i c t i v ec o d e df r a m e)，采用双向运动补偿预测和误差的D C T 编码，由前面和后面的I 或P 帧使用运动补偿预测进行编码，所以B帧的压缩效率最高。D 帧为直流编码帧(D Cc o d e df l a r n e)，只包含每个块的直流分量。M P E G-l 采用运动补偿去除图像序列时间轴上的冗余度，可使对P 帧和B 帧图像的压缩倍数比I 帧提高很多。去掉P 帧和B 帧，只保留I 帧所得到的码流仍然能正常解码，可以实现较高的压缩。2 M P E G 2 视频编码标准M P E G 组织1 9 9 5 年推出的M P E G _ 2 标准是在M P E G 一1 标准基础上的迸一步扩展和改进，与M P E G-1 系统向下兼容，因此其最大特点在于兼容性好并可扩展。M P E G 2 的目标与M P E G-1 相同，仍然是提高压缩比，改善音频、视频质量，采用的核心技术还是分块D C T 和帧间运动补偿预测技术。M P E G 2 视频允许数据速率高达1 0 0 M b i d s，支持隔行扫描视频格式和许多高级性能。考虑到视频信号隔行扫描的特点，M P E G-2 专门设置了“按帧编码”和“按场编码”两种模式，并相应地对运动补偿和D C T 方法进行了扩展，从而显著提高了压缩编码的效率，允许有更大的画面格式、比特率和运动矢量长度。M P E G 2 用于宽带传输的图像，和M P E G-1 相比，M P E G-2 支持更广的分辨率和比特率范围，适用于1 5 6 0 M b p s 甚至更高的编码范围。此外，M P E G-2 视频压缩编码还进行了以下扩展：输输出图像彩色分量之比可以是4：2：0，4：2：2，4：4：4。输入输出图像格式不限定。可以直接对隔行扫描视频信号进行处理。在空间分辨率、时间分辨率、信噪比方面的可分级性适合于不同用途的解码图像要求，并可给出传输上不同等级的优先级。码流结构的可分级性，比如头部信息、运动矢量等部分可以给予较高的优先级，而对于D C T 系数的高频分量部分则给予较低的优先级。输出码率可以是恒定的也可以是变化的，以适应同步和异步传输。3 M P E G-4 视频编码标准M P E G 4 于2 0 0 0 年年初正式成为国际标准，该标准旨在为视音频数据的通信、存取与管理提供一个灵活的框架与一套开放的编码工具。从而建立起一种能被多媒体传输、存储、检索等应用领域普遍采用的统一数据格式。这些工具将支持大量的应用功能。M?E G-4 提供的多种视音频的编码模式使图象或视频中对象的存取大为便利。一7-基于嵌入式p c L m u x 的网络视频监控系统的设计与实现M P E G-4 标准是超低码率运动图像和语言的压缩标准，用于传输速率低于6 4 M b p s 的实时图像传输，它不仅可覆盖低频带，也向高频带发展。较之前两个标准而言，M P E G-4为多媒体数据压缩提供了一个更为广阔的平台。它可以充分应用各种各样的多媒体技术，包括压缩本身的一些工具、算法，也包括图像合成、语音合成等技术。M P E G-4 利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量。在编码时将一幅景物分成若干在时间和空间上相互联系的视频音频对象，分别编码后，再经过复用传输至q 接收端，接收端对不同的对象分别解码，从而组合成所需要的视频和音频。这样既方便对不同的对象采用不同的编码方法和表示方法，又有利于不同数据类型间的融合，也可以方便的实现对于各种对象的操作及编辑。M P E G-4 与M P E G 1 和M P E G-2 有很大的不同。与M P E G-1、M P E G 2 相比，M P E G _ 4 具有如下特点：(1)基于内容的交互性M P E G 4 提供了基于内容的多媒体数据访问工具，如索引、超级链接、上下载、删除等，利用这些工具，用户可以方便地从多媒体数据库中有选择地获取自己所需的与对象有关的内容 提供了高效的自然或合成的多媒体数据编码方法，可以把自然场景或对象组合起来成为合成的多媒体数据。(2)高效的压缩性同已有的或即将形成的其它标准相比，在相同的比特率下，它具有更高的视觉听觉质量，这就使得在低带宽的信道上传送视频、音频成为可能。同时M P E G-4 还能对同时发生的数据流进行编码。一个场景的多视角或多声道数据流可以高效、同步地合成为最终数据流。(3)通用的访问性M P E G-4 提供了易出错环境的鲁捧性，来保证其在许多无线和有线网络以及存储介质中的应用。还支持基于内容的的可分级性，即把内容、质量、复杂性分成许多小块来满足不同用户的不同需求。支持具有不同带宽，不同存储容量的传输信道和接收端。2-2 嵌入式操作系统2 2 1 嵌入式操作系统概述以往完成简单功能的嵌入式系统只是利用软件实现简单的前后台控制。对于复杂的应用场合，控制系统可能要同时完成许多复杂的工作，如果不使用嵌入式操作系统，而是从头设计软件，则不仅软件开发周期与任务量大大增加，而且由于要考虑的可能性8 大连理工大学硕士学位论文多，容易发生死锁等现象，软件可靠性大为降低。使用操作系统虽然需要占用内存以及C P U(占用C P U 的时间一般为2 5)，但可以大大地简化应用程序的设计，减少重复劳动，大大地减少了任务量和开发时间，也减少了出错的可能，任务可以分为多个模块，由多入分别编写，保证了程序的可靠性并增强软件的可移植性。在本系统中，为了适应应用软件开发的复杂性和多样性，需要采用嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的实质是嵌入式系统启动后首先执行的一段程序，相当于用户的主程序，控制着应用程序与硬件的运行。它为多任务创建运行环境，并完成任务的切换和调度。嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台，向应用程序提供编程接口(A P I)，并提供硬件的设备驱动程序。根据各个任务的要求，给各个任务分配C P U 时间，确保任务的时间要求得到满足，分配系统资源(包括存储器、外设等)、管理任务调度、任务间通信，并支持网络协议 4】。目前的嵌入式操作系统有好几百种，其中最常见的也有十几种，如L i n u x、Q n x、V x w o r k s、W i n C E、p S O S、H o p e r t、N u C l e u s、P a l m O S、L y n x O S 等。大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能，如：任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其它的应用组件，如网络功能、文件系统、G U I 系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。系统都是可裁减的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。在同一个硬件平台上可以嵌入不同的嵌入式操作系统，比如A R M 7 T D M I 内核，可以嵌入N u c l e u s、V x W o r k s、p C L i n u x 等嵌入式操作系统。同一种嵌入式操作系统也可以运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性和移植性好。22 2I-t C L i n u x 操作系统C L i n u x 是M i c r o C o n t r 0 1 L i n u x 的缩写，它是目前嵌入式L i n u x 中最流行的一种，是美国L i n e o 公司的主打产品。崛L i n u x 主要是针对目标处理器没有存储管理单元(M M U)的嵌入式系统而设计的，它继承了标准L i n u x 的许多优良特性：源代码开放稳定，并且结构高度模块化和可扩展，移植性良好；具有完整的T C P I P 协议栈及大量的其他协议；提供标准丰富的A P I 函数，以库函数的形式提供给用户调用；提供绝大多数设备驱动程序，能够有效管理越来越复杂的系统资源，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来。心L i n u x 相对L i n u x 而言具有自己的特点：(1)p C L i n u x 作了许多小型化的改造，形成了高度优化、代码紧凑的特点，并可以通过高度灵活定制使内核进一步小型化，开发者可以很容易地按需配置，以便以最小的代码量满足嵌入式系统的需求，其编译后生成的目标文件可控制在几百K B 的数量级。这使得 t C L i n u x 的内核同标准的内核相比非常之小。9 基于嵌入式p C L i n u x 的网络视频监控系统的设计与实现(2)支持各种文件系统，包括N F S、e x t 2、R 吣和J F F S、M S-D O s 和F A T l 6 3 2 等，采用了m m f s 文件系统作为r o o t 文件系统，这种文件系统相对于一般的e x t 2 文件系统要求更少的空间，并且相对简单，建立文件系统s u p e r b l o c k 需要更少的存储空间。r o t o r s 文件系统不支持动态擦写，对于系统需要动态保存的数据采用R A M 盘的方法处理，R A M 盘采用e x t 2 文件系统。(3)重写了应用程序库u C l i t)c，L i n u x 使用的是l i b c 程序库，功能强大，但许多内容在嵌入式系统中用不上，u C l i b c 是l i b c 的精简版。(4)g C L i n u x 的源代码公开，简单易用并且开发资源丰富，只要了解内核就可以开发出驱动程序或者应用软件，内核中还可以动态插入内核模块以扩充功能。它已经被成功地移植到了许多种体系结构的处理器平台上，可以非常稳定地运行。p C L i n u x 目前已经在通信、家庭网关、信息家电等多个领域中成功应用。由于“C L i n u x 具有的各种优点，并且由于本系统选用的嵌入式微处理器是S A M S U N G 公司生产的A R M 7 T D M I 内核的$3 C 4 5 1 0 B，该芯片不带有M M U，这决定了系统没有足够的硬件支持来实现虚拟存储管理技术，因此本系统采用l i C L i n u x 作为嵌入式操作系统。C L i n u x 操作系统主要由三个基本部分组成：引导启动程序、C L i m t x 内核以及硬件的设备驱动程序。1 引导启动程序引导启动程序B o o f l o a d e r 处于系统的地址0 x 0 处，是每次上电后首先执行的一段程序，在操作系统内核运行之前运行。在微处理器第一次启动时，在预先设置的地址上执行引导加载程序，进行初始化和引导系统。P C 机中的引导启动程序由B I O S(其本质就是一段固件程序)和位于硬盘M B R 中的B o o f l o a d e r(如L I L O、G R U B 等)一起组成。B I O S 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘M B R 中的B o o t l o a d e r 读到系统的R A M 中，B o o t l o a d e r 识别出操作系统存放在哪个系统分区中，将内核映象从硬盘上读到R A M 中，然后跳转到内核入口点，把控制权交给操作系统，并开始运行。但嵌入式系统中没有这种B I O S，整个系统的加载启动任务就完全由B o o f l o a d e r 来完成。不同的C P U 体系结构需要使用不同的B o o f l o a d e r，因此需要开发者编写系统引导启动代码 1 3 。嵌入式系统的B o o f l o a d e r 代码量虽少，但是作用非常大，相当于P C 上的B I O S。但它不需要象P c 桃的B O S 那样功能强大，它常常只需要进行简单的硬件的配置，将固定的数字复制到硬件寄存器中，但这些数要根据硬件决定，与硬件相符并且按照特定的顺序进行。具备B o o t I o a d e r 是进行1 t C L i n u x 移植的前提条件。在开发阶段经常根据需要1 0 大连理工大学硕士学位论文修改g C L i n u x