嵌入式Web远程视频监控系统设计与实现_刘佳.docx

《嵌入式Web远程视频监控系统设计与实现_刘佳.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式Web远程视频监控系统设计与实现_刘佳.docx（64页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 硕士学位论文 M. D. Thesis 嵌入式 Web 远程视频监控系统设计与实现 Design and implementation of the remote video monitoring system based on embedded Web technology 刘佳 Liujia 二 一六年五月 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研宄工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包括其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的

2、任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 (保密的论文在解密后应遵守此规定 ） 西北师范大学工程硕士学位论文 摘 要 互联网与嵌入式技术的快速发展促使视频监控技术进入了一个新的发展阶段，基于 嵌入式 Web 技术的视频监控迅速成为未来监控行业发展的重要方 向，而且视频监控系 统的应用领域正在从大型公共场所逐步转向小型私人场所。由于现今快速的生活节奏使 得人们照顾家庭的时

3、间和精力都非常有限，而且伴随中国人口老龄化问题的突出，人们 对家庭的关注不断提高，为此人们希望在外地出差或旅游的同时能够实时了解家人的生 活状态，遇到突发事件能够及时采取措施。 以当前的现实需求为出发点，结合嵌入式监控技术与 Web 技术，本课题提出了一 种基于B/S 监控模式的远程视频监控系统。该系统由 S3C2416 核心处理器和嵌入式 Linux 操作系统，以及其它外围设备组成，通过 Web 技术使监控 系统接入到 Internet， 用户使 用浏览器即可进行远程访问。系统首先利用 V4L2 采集技术从罗技 C270 摄像头采集视 频图像，经过软压缩后输出 JPEG 格式的数据流，再通过

4、系统无线模块 RT5370 以无线 方式将视频数据传输至Internet。 通过移植流媒体服务器 （ MJPG-streamer)和 Web 服务 器 （ Thttpd)实现了视频图像的采集与传输和浏览器对服务器的远程控制，通过在 HTML 页面中嵌入 applet 小程序，实现了浏览器中视频图像的加载和显示。在互联网环境下， 用户可以使用手机等移动设备的浏览器登录监控系统查看实时视频图像。 此外，本课题还增加了智能识别功能，选用基于背景差分法的运动目标识别算法， 并应用 OpenCV 函数库实现了运动物体的检测功能。当检测到有运动物体进入监控区域 时，系统会自动触发邮件提醒功能，为用户发送提

5、醒邮件。通过本课题设计的简单灵活 的嵌入式 Web 远程视频监控系统既体现了对家庭的关爱，也在一定程度上兼顾了工作 和家庭，具有一定的实用价值和现实意义。 关键词：视频监控；嵌入式 Linux; Web 技术；运动目标检测 嵌入式 Web 远程视频监控系统设计与实现 Abstract With the rapid development of Internet technology and embedded technology, video monitoring technology has developed a new stage. Quickly, the video monitori

6、ng system based on embedded Web technology has become a primary development direction of monitoring industry in the future, applications of which are gradually shifting from large public spaces to small private spaces. With the faster life pace, peoples time and energy of taking care of the family a

7、re very limited, and the problem of population aging is getting worse in China, which increases peoples attention to the family. For this reason, people hope to timely handle emergencies when they are having a business trip or travel. Combined with embedded technology and Web technology, this paper

8、proposes a remote video monitoring system based on B/S mode. This system is composed by S3C2416 microprocessor and other peripheral equipments. Based on embedded Linux operating system, this system is access to the Internet by Web technology, remote users can access it by using a browser. Firstly, t

9、he system captures video images using V4L2 capture technology from Logitech C270 webcam. Secondly, the captured images are directly compressed into JPEG format in memory. Finally, the data is transmitted wirelessly to the Internet via the wireless module RT5370. By transplanting MJPG-streamer and Th

10、ttpd, the system achieves the capture and format conversion of video images, and can remotely access to the server. By adding the applet in HTML program, the browser can automatically load and display the video images. In the Internet environment, users can view real-time video using a browser of mo

11、bile phones or other mobile devices. In addition, a moving object detection algorithm based on the background subtraction is used for the monitoring system, and it is accomplished by applying OpenCV. When a object enters the monitoring area, the system will automatically capture a image and send a w

12、arning email to host. With this video monitoring system based on embedded Web technology, people are able to take into account work and family to a certain extent. So it will have a certain practical value and significance. Key Words： Video monitoring； Embedded Linux； Web technology； Moving object d

13、etection 西北师范大学工程硕士学位论文 目 录 W . I Abstract . II 录 . m 1 #会者 i 仑 . 1 1.1 课题的研宄背景及意义 . 1 1.2 远程监控的现状和发展趋势 . 1 1.2.1 研宄现状 . 1 1.2.2 发展趋势 . 2 1.3 课题研宄的主要内容 . 3 1.4 章节结构与内容安排 . 4 第 2 章远程视频监控系统总体设计 . 5 2.1 监控系统功能需求分析 . 5 2.2 监控系统整体架构设计 . 5 2.3 监控系统硬件设备的选型 . 6 2.4 监控系统软件方案设计 . 8 2.4.1 嵌入式操作系统的选用 . 8 2.4.2

14、监控系统软件设计方案 . 8 2.5 本章小结 . 10 第 3 章嵌入式开发环境的构建 . 11 3.1 硬件开发环境的构建 . 11 3.2 建立基于 Ubuntu 的软件开发环境 . 11 3.3 构建嵌入式 Linux 系统 . 12 3.3.1 U-boot 移植 . 12 3.3.2 Linux 内核移植 . 13 3.3.3 Yaff2 文件系统移植 . 13 3.4 夕 设驱云力程序移植 . 14 3.4.1 摄像头驱动移植 . 14 3.4.2 无线网卡驱动移植 . 15 3.5 OpenCV 移植 . 16 3.5.1 OpenCV 函数库 . 16 嵌入式 Web 远程视

15、频监控系统设计与实现 3.5.2 移植 OpenCV 库 . 17 3.6 本章小结 . 18 第 4 章服务器端应用程序设计与实现 . 19 4.1 服务器应用程序总体设计 . 19 4.2 视频采集、压缩和传输模块设计 . 20 4.2.1 基于 V4L2 的视频采集 . 20 4.2.2 基于 MJPEG 的图像压缩 . 22 4.2.3 基于 TCP 协议的网络传输 . 23 4.3 视频采集、压缩和传输功能实现 . 25 4.3.1 嵌入式流媒体服务器 . 25 4.3.2 流媒体功能实现流程 . 26 4.3.3 MJPG-streamer 移植 . 27 4.4 B/S 结构的控

16、制功能设计与实现 . 28 4.4.1 嵌入式 Web 服务器 . 28 4.4.2 Thttpd 的移植 . 30 4.5 运动目标检测功能设计与实现 . 30 4.5.1 运动目标检测算法的选取 . 31 4.5.2 基于背景减除法的运动目标检测 . 31 4.5.3 OpenCV 实现运动目标检测 . 32 4.6 智能监控功能的实现 . 33 4.6.1 视频图像存储 . 33 4.6.2 邮件提醒功能 . 34 4.6.3 文件清理功能 . 36 4.7 本章小结 . 36 第 5 章客户端网页设计与功能实现 . 37 5.1 基于 HTTP 协议的网页客户端设计 . 37 5.1.

17、1 HTML 网页界面设计 . 37 5.1.2 基于 Java Applet 的视步页显示 . 38 5.2 登录页面制作与登录验证模块实现 . 39 5.2.1 用户登陆页面制作 . 39 5.2.2 用户登陆验证功能实现 . 40 5.3 监控页面制作与视频显示模块实现 . 40 西北师范大学工程硕士学位论文 5.3.1 视频监控页面制作 . 40 5.3.2 视频实时显示功能 . 41 5.3J 视频参数设置功能 . 41 5.34 视频图像拍照功能 . 42 5.4 本章小结 . 42 第 6 章系统测试与结果分析 . 43 6.1 测试环境的搭建 . 43 6 丄 1 软硬件环境搭

18、建 . 43 6 丄 2 网络环境搭建 . 44 6.2 远程视频监控系统功能测试 . 45 6.2.1 登陆验证功能测试 . 45 6.2.2 视频显示功能测试 . 46 6.2.3 视频拍照功能测试 . 47 6.2.4 邮件发送功能测试 . 48 6.3 浏览器兼容性测试 . 48 6.4 测试结果分析 . 49 6.5 本章小结 . 49 第 7 章总结与展望 . 50 参考文献 . 52 攻读学位期间的研宄成果 . I 至夂 i 射 . II 西北师范大学工程硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1 课题的研宄背景及意义 视频监控系统是一个多技术融合的系统，涉及到数字视频、网络通信、

19、多媒 体等多项技术，在当今信息化时代，互联网成为了人们生活的一部分。基于网络 的视频监控技术不仅是监控行业的发展方向，也蕴藏着巨大的市场潜力和社会效 益，目前己经在银行、交通、能源、平安城市等领域得到广泛应用 1。 近些年，人们步入越来越快的生活节奏，加之跨地域流动愈加频繁，这使得 自己照顾家庭和了解家庭的时间和精力都非常有限。伴随着中国人口老龄化问题 的突出，空巢家庭和以老人小孩为主的家庭也随之增加，在这种情况下，人们对 家庭的关注不断提高，家庭远程监控系统的应用就显得尤为重要。人们希望在繁 忙工作或者外地出差、旅游度假的同时，通过远程监控来实时了解家人的生活状 况，对出现的异常情况及时采取

20、措施。 B/S (浏览器 /服务器 ） 模式的监控技术是以 Web 作为通信平台，而 Web 技 术以HTTP 技术为基础，具有简单、高效、跨平台等优点，相对于传统的 C/S (客 户端 /服务器 ） 模式，其操作简单、界面友好等优点方便了用户的使用。由于目 前嵌入式技术的不断进步和产品市场应用的不断成熟，不仅降低了监控系统的成 本，也满足了用户对监控系统家庭化、智能化的需求，符合数字化家庭的需要， 使之具有更大的市场发展空间。因此，未来家用的监控系统将是基于嵌入式 Web 的远程监控系统 2，本文就是在这种背景下进行设计与开发的。 结合嵌入式监控技术和 Web 技术，本课题采用目前主流的 B

21、/S 监控模式进 行交互，并将监控系统接入到 Internet， 这样用户借助浏览器便可以实时查看家 中室内情况，其简单易用、生动直观的特点能够满足人们的现实需求和提高他们 的生活质量 3。可以将监控摄像头安装在室内的重要位置或老人、小孩经常活动 的房间，这样当人们外出时，可以随时通过电脑或手机实时了解家人的生活情况 或者保姆、钟点工的工作情况，及时应对意外情况或其它紧急情况，这既体现了 家庭的关爱，也兼顾了工作和家庭。 1.2 远程监控的现状和发展趋势 1.2.1 研宄现状 飞速发展的视频监控系统，现今已经发展到基于 IP 网络和嵌入式技术的远 程监控，充分利用 Internet 的优势，使

22、其具有实时性好、稳定性高等优点 4。目 前广泛应用于社会各行业，而且国内外的很多研宄机构都对嵌入式应用的远程视 嵌入式 Web 远程视频监控系统设计与实现 频监控进行研发，特别是在视频图像处理和视频压缩等方面 5。 在国外，基于嵌入式 Web 技术的视频监控的发展更加趋近无线化和智能化， 而且在智能视频理解方面己经取得重大突破，例如美国 IBM 公司早在 2006 年即 发售了一款安全软件 S3 (Smart Surveillance System)，己成功实现了远程的智 能化监控功能 6。此外还有许多基于嵌入式 Web 的比较成熟的监控产品，如三 星 SNO-6084RP型号、安讯士 Axi

23、s 系列产品等。此类产品虽然功能强大，监控 性能优越，但大多数产品属于中高端产品，昂贵的价格致使不是大多数用户都能 接受，在性价比上不适合应用于像家庭室内这种小型场所使用。 国内对于嵌入式 Web 视频监控技术的研宄相对较晚，与国外集成化、智能 化相比还有一些差距，但己在性能上有很大提升。其应用领域主要还是集中在银 行、交通、大型超市等行业场所，随着数字化家庭网络的逐渐普及，个人场所的 应用有很大的发展空间 7。目前国内的数字化监控己经发展得十分普遍，且监控 智能化的发展也日渐成熟，如海康威视的 DS-1100K 和大华的 DH-IPC 系列等产 品都有不错的 性能，且视频压缩，目标识别等功能

24、还可以继续提升。同样，国内 的这些产品虽然性能不错但价格上还是相对偏高，也不适用于个人使用。 1.2.2 发展趋势 近十几年来，随着互联网、嵌入式及智能识别等技术的不断提高，远程视频 监控系统现今已逐步发展为基于嵌入式设备，以 Internet 网络为依托且更具智能 化。互联网打破了监控区域的局限，可以充分利用整个网络资源 8，同时将智能 识别技术与嵌入式监控技术相结合形成基于嵌入式的智能监控，而且嵌入式操作 系统可通过裁剪使得监控系统功耗降低。随着无线网络的迅猛发展，监控系统可 以充分利用现在广泛普及的无线网络的便捷性，提高监控系统组网的灵活性，实 现视频图像的无线传输使得监控系统的应用变得

25、更加简单、便捷。 充分利用互联网强大的数据传输能力，随时可以在互联网环境下登录监控系 统对现场实施监控，由此得知，嵌入式视频监控技术未来的发展方向应为基于互 联网的无线化和智能化 9。只是由于许多优秀的图像处理算法复杂度较高，应用 在嵌入式系统实现图像的实时处理还比较困难，这就使得目前基于嵌入式应用开 发的监控系统还没有完全智能化。因此，远程监控技术的未来发展主要包括下面 几个方向： (1) 嵌入式化 视频监控系统基于嵌入式系统进行设计开发，可根据不同用户需求进行配置 裁剪，这样可以缩短开发时间、提高效率，有利于产品的更新换代。 (2) 无线网络化 把无线传输模块嵌入到监控系统中，利用无线网络

26、在监控现场和远端客户端 西北师范大学工程硕士学位论文 进行数据传输，满足灵活机动的应用需求，成为新的发展趋势。 (3) 智能化 智能视频监控是指嵌入式系统集成了智能行为识别算法，主要是运动检测， 识别监控画面中的是否存在运动物体，进而可以实现相应的报警功能。 近几年来，监控系统走进了我们的生活，己经从大型的公共场所慢慢推广到 小型的个人场所，对于家庭的安全防范和家庭成员的监护等方面起到了不可低估 的作用。在人们越来越重视生活环境的今天，基于嵌入式 Web 的远程视频监控 蕴含着巨大的应用前景和商业效益 1Q。 1.3 课题研宄的主要内容 本课题设计的是一种基于 B/S 结构、应用嵌入式监控技术

27、和无线传输技术、 具有实时监控功能的视频监控系统，硬件采用 ARM9处理器为控制核心，软件 采用 Linux操作系统。该系统以嵌入式 Web 技术为基础，结合图像压缩、无线 传输，运动目标检测，动态网页编程等技术，通过 USB 摄像头来采集视频图像， 经过 JPEG 压缩后无线传输至浏览器，用户只需使用浏览器登录 Web 服务器就 可实现远程监控。 本课题研宄的主要内容包括六个方面： (1) 深入学习嵌入式 Linux 和嵌入式 Web 技术，分析远程监控的功能需求， 设计基于 B/S 监控模式的系统整体架构和详细的总体设计方案。 (2) 搭建基于嵌入式 Linux 的软件开发平台，建立基于

28、Ubuntu 的交叉编译 环境，完成 U-bootl.3.4、 Linux3.1.8 内核、 Yaffs2 文件系统的编译和移植。然后 将摄像头和无线网卡的驱动模块加载至 Linux 内核，再重新编译并烧入 ARM 板， 实现外设驱动随内核启动而自动加载。 (3) 进行视频图像的采集、压缩和传输等模块设计。利用 V4L2 采集技术 及其API 接口函数实现 USB 摄像头的视频采集，经过 MJPEG 图像压缩算法的 软压缩后输出 JPEG 格式的数据流，通过 WiFi 模块实现视频数据的无线传输。 (4) 进行智能监控功能模块设计，选取适合于嵌入式系统的背景差分算法 来识别监控画面中的运动物体

29、，并使用开源视觉库 OpenCV 实现检测功能。若发 现有运动物体进入监控区域后，系统会自动触发视频存储和邮件提醒功能，为用 户发送提醒邮件。 (5) 通过 HTML+JavaScript 的网页编程技术完成登录页面和监控页面的设 计和制作，以及应用 Java Applet 技术实现监控视频的接收和显示。 (6) 对基于 B/S 监控模式的实时视频监控系统进行功能测试，完成测试结 果分析，并对已做工作进行总结以及指出系统后续需要改进和完善的方向。 嵌入式 Web 远程视频监控系统设计与实现 1.4 章节结构与内容安排 根据课题研宄的主要内容，文章分为七个章节。 第一章绪论 阐述课题的研宄背景与

30、意义，分析国内外视频监控技术的发展现状及未来发 展方向，最后介绍该论文的主要工作及各章节安排。 第二章远程视频监控系统总体设计 通过功能需求分析，设计了监控系统的整体架构和实施方案，在系统硬件设 计方案中完成硬件框架设计和设备选型，软件方案设计中主要是应用程序详细设 计和具体实现。 第三章嵌入式开发环境的构建 搭建嵌入式 Linux 系统的软硬件开发环境，通过建立的基于 Ubuntu 的交叉 编译环境，完成了嵌入式 Linux3 丄 8 系统软件平 台的构建，以及摄像头、无线网 卡驱动程序的移植和 OpenCV 函数库的移植。 第四章服务器端应用程序设计与实现 进行主程序设计，对采集模块、压缩

31、模块、传输模块和运动目标检测模块进 行了详细设计。通过移植 Thttpd 服务器和 MJPG-streamer 流媒体服务器实现了基 于 B/S结构的视频监控，利用 OpenCV 函数库实现了运动目标的检测功能。 第五章客户端网页设计与功能实现 介绍 Web 界面总体设计和涉及到的编程技术；详细阐述了登录界面和视频 监控界面的网页制作，以及登录验证和视频显示等功能的实现； 第六章系统测试与结果分析 搭建软硬件和网络测试环境，进行远程视频监控的功能测试，测试的功能项 包括登录验证、视频显示、邮件提醒等，以及对浏览器兼容性的测试，测试完毕 进行测试结果分析。 第七章总结与展望 对本课题所做的工作内

32、容进行总结，指出系统仍需完善和改进的方面，并在 此基础上提出了课题和下一步的工作目标。 西北师范大学工程硕士学位论文 第 2 章远程视频监控系统总体设计 2.1 监控系统功能需求分析 本文设计的视频监控系统主要针对用户出差在外、旅游度假或家中只有老 人、小孩居住的情况。由于主要面向的是用户家中的室内环境，所以监控系统首 先必须具有低成本、小型化和安装使用简便的特点；其次还需要具有一定的智能 性，能够对摄像头监控的区域进行运动目标识别，实现智能监控 11。根据远程监 控系统的实际情况及用户需求，系统需要实现的功能主要包括以下几个方面： (1) 视频实时显示 /控制功能 实时采集现场的监控视频，为

33、用户提供视频图像及时了解家中的当前状况。 此外，用户在监控页面还可执行控制操作，如对摄像头的控制。 (2) 无线网络接入功能 随着当前无线网络的广泛普及，系统需带有 WiFi 模块来 实现视频数据的无 线传输，用户也可以在有互联网的环境下通过浏览器查看实时视频图像。 (3) 智能监控功能 能够自动检测进入到监控区域的运动物体，存储视频图像同时为用户提供提 醒服务，如短信提醒、邮件提醒等。 (4) 文件自动清除功能 由于嵌入式设备本身或外设的存储空间毕竟有限，所以需设置定期清理计 划，清除早期的图片和视频文件，为保存新文件预留存储空间。 (5) 登录验证功能 用户登录系统时必须先完成身份验证，填

34、写授权的用户信息，如用户名和密 码，只有通过授权的用户才可访问。 2.2 监控系统整体架构设计 根据系统的功能需求，为了提高监控系统的应用范围和移动灵活性，通过家 中的无线路由器来组建室内网络，实现室内的无线局域网连接和室外的 Internet 接入功能。本课题基于 ARM-Linux 开发平台的，采用嵌入式 Web 技术和无线传 输技术实现了 B/S 模式的无线视频监控。通过 V4L2 技术从 CMOS 摄像头采集 视频图像，经过 JPEG格式压缩后通过 TCP 协议和无线传输协议实现无线网络传 输，实现内部家庭网络和Internet 网络的信息互通 12，客户端浏览器则在 Internet 环境下实现远程监控视频的接收和显示。 本系统的整体设计方案分为硬件方案和软件方案两部分。硬件部分由 ARM 开发板、 USB 摄像头、 USB 无线网卡、 SD 存储卡以及开发板集成的网口、 USB 嵌入式 Web 远程视频监控系统设计与实现 接口、 SD 卡槽等设备组成。软件部分主要由嵌入式 Linux 操作系统和摄像头、 无线网卡及 SD 存储卡等外围设