05z192基于Linux的嵌入式网络DVR系统软件设计.pdf

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1、 南京大学学报(自 然科学)J OURNAL OF NANJ I NG UNI VE RS I TY (NA T UR A L S C I E N C E S)Vo l.4 1Oc t.,2 0 0 5 月卷1041年第05 门 2基于L i n u x的嵌入式网络 D V R系统软件设计 刘世栋，程存学 (北京市7 2 2 0 信箱 信息化建设室，北京，1 0 0 0 7 2)摘 要:L i n u x 操作系统在嵌人式开发应用上越来越广泛，针对安全防范领域中 某种新型嵌人式网络数字视频录 像系统，详述了基于嵌人式L i n u x 的数字视频录像系统软件 设计实现方法，介绍了数宇视频录像系

2、统的软件构成，并对各软件模块进行了分析探讨 最后重点讨论了系统涉及的一些关键技术关键词:嵌人式L i n u x,D VR,D VS，软件设计中图分类号:T P 3 9 1T h e S o f t w a r e D e s i g n o f E m b e d e d N e t w o r k D V R S y s t e m B a s e d L i n u x L i u S h i-D u n g,C h e n g C u n-X u e (B e ij i n g 7 2 2 0 ma i lb o x I n fo r ma t io n R e s e a r c h

3、 C e n t e r,1 0 0 0 7 2)Ab s t r a c t:T h e L i n u x o p e r a t io n s y s t e m h a s w id e l y u s e d in t h e e n t b e d e d s y s t e m.Th is p a p e r m a in ly in t r o d u c e s a n e w ty p eo f d i g it a l v i d e o r e cor d e r(D VR)s y s t e m u s e d i n t h e s e c u r it y p r

4、ote c t i o n f ie ld.I t s e ts f o rt h t h e m e t h o d s o f t h e s o ft wa red e s i g n o f t h e D V R s y s t e m b a s e d L in u x.T h e p a p e r a l s o i n t r o d u c e s th e con s t i tu t io n o f th e D V R s y s t e m s o f t w a re a n da n a l y s es t h e s o f twa r e mo d u

5、 le s.A t l a s t it ma in l y d is c u s s e s s o m e k e y t e c h n i q u e i n t h e s y s t e mKe y w o r d s:e mb e d e d li n u x,d i g it a l v i d e o r e cor d e r,d i g i t a l v id e o s e r v e r,-f t-d e s ig n 目前，L i n u x 操作系统发展越来越迅速，应用也越来越广泛，特别是在嵌人式系统中正在越来越多地使用 L i n u x 系统.在数字视频录像

6、(D V R,D i g it a l V id e o R e c o r d e r)系统中，由于要求体积小、稳定性高、网络性能好等特点，采用嵌人式L in u x 操作系统实现D V R系统已经成为主流的实 现方法，传统的基于P C的D V R 产品 正逐步为 嵌人式D V R 所取代 t,2 1 由 于D V R在安防监控领域应用越来越广泛，本文针对D V R系统的发展趋势，阐 述了 一种新型嵌人 式L in u x 的网络数字视频录像系统的软件设计实现方法，文章主要给出了系统的软件构成，并对D V R系统的远程管理软件进行了 分析探 讨、最后重点 讨论了 系统软件体系、视频采集处理、

7、网 络通信、编解码等关键技术.1 系统配置框架 嵌入式网络D V R系统采用嵌人式L i n u x操作系统、M P E G 4/I-I.2 6 4 视频压缩技术、远程控制、数据存储、网络传输等技术，实现远程数字视频采集、传输以 及处理的 整个过程.该系统同时 具备数 字视音频录像D V R和数字视音频服务器(D V S,D i g it a l V id e o S e rv e r)的功能，其既可独立于网络作为一个独立的节点出现，也可连网组成一个强大的安全监控网.其总体系统配置框架如图1 所示:嵌 人式网 络D V R系统可以通过配置 接人多种不同的通信 协议，主要包括基 于串口、网络接口

8、 的通信协 议，系统可以连接云台、报警输人等控制设备，也可以连接摄像头等视频采集设万方数据5 7 6南京大学学报(自然科学)第 4 1卷备;同 时可以将视频 信号连接到监视器、显示屏等外接显示设备 系统可通过网络与远程的管理系 统共 享数据，将视频、报警等信息在远程控制中心显示处理，通过网络中每个嵌人式网络D V R系统的 视频输人和 各类信号的 处理，形成一个分布式网络，从而构成一个单 自治和多 自治的 分布式监控系统网络.输山设备产尸 介、.一，.一.份3=凡图 1 嵌入式网络D VR AM EN框架 (1)嵌人式系统程序 嵌人式系统程序设计主要 基于L i n u x 的操作系统，运行在

9、嵌人式网络D V R系统硬件平台上的程序.该程序可以单独运行来管理相互联系的 外部设备，也可以 通过网络接口与远程管理程序进行相互通信，实现 数字视频服务、视频管理、设备控制等功能.嵌人式系统程序主要包括嵌人式操作系 统以及在操作系统之上运行的系统程序，例如数字视频服务组件、数字硬盘录像程序等.(2)远程管理程序 远程管理程序运行在远程管理主机上，其主要 目的是通过网络接口，实现与系统中的嵌人式视频服务器之间的相互通信.(3)嵌人式系统接口 嵌人式系统接口主要包括为远程管理软件提供的实时通信、视频存储、播放、查询、管理等接口，并提供相应的A P I 函数对系统进行远程控制.整个嵌人式网络D V

10、 R系统的软件总体逻辑体系如下:Z 系统软件设计 嵌人式 D VR系统主要运行嵌人式硬件平台 上，采用L i n u x 操作系统和基于P C I 的 视音频解压 缩卡，通过系统软件集成控制、存储、网络功能，并提供数字硬盘录像功能，同能够提供报警控制、远程网 络访问等功能.同时要求系统能 够稳定、实用、可靠的运行 嵌入式网络 D V R采用嵌人式结构，内置小型网络 操作系统，预留 扩展闪 存系统，具有网络地址、网 关、子网掩码等，后端使用卡类扩充式结构，根据内 部 信息情况，支持不同 的压缩卡及压缩结构 方式，根据使用要求可插人不同路数的板卡，对卡的 要求上实现总 线、带宽等方面的 完善，具备

11、 本地及远程网络监控和录像能力，可以实现音视频的 同步传输和录制，最终实现完全的嵌人式网络硬盘录 像机.2.1 系统软件体系结构嵌人式网络D V R系 统软件主 要包括以下3 部分内容:嵌入式网络型D V R系统iL,y TY r,i711 C7fA#k远程管理程序一里5 I-,-fV+fi1l;一-嵌入式系统程序 数 字 视 频 月。务 组 件 数 字 硬 盘 录 像 程 序:运行 在嵌 入式 操作系 统 之上图2 系统软件总体逻辑体系 其中嵌人 式系统程序主要是对嵌人式操作系统进行相 应的裁减，在较小的嵌入式操作系统基础之上，实现数字视频录像和视频服务器的功能 3,4 1万方数据第 4 1

12、卷刘世栋等:基于 L in u x 的嵌人式网络 D V R系统软件设计5 7 7 嵌人式系统具体逻辑结构如下图所示:(1)嵌人 式操作系统，通过裁减设计的嵌人式 L i n u x 操作系统必须能够支持嵌人式D V R系统采用的主板，能够对任务、内 存、电源进行管理，同时提供对网络、文件系统的支持，支持D V R系统使用的硬件的驱动程序.(2)应用系统软件，嵌人式网络D V R应用系统软件主要分为对视音频的处理程序;对外部接口处理程序，这主要包括对 R S 2 3 2/R S 4 8 5,U S B 接口、网络接口的处理程序;系统控制程序，主要是指能够通过面板对嵌人式系统进行配置的相关程序;

13、视频服务程序，主要是指远程管理主机能够通过网络，对视频进行相关处理，这包括远程客户端利用w e 方式对视频进行相关操作;同时系统通过网络接口 提供软件升级的功能.(1)嵌人式L i n u x 操作系统;(2)驱动程序模块;(3)视频处理模块;(4)音频处理模块;(5)外设处理模块;(6)系 统控制模块;(7)文件存储 模块;(8)视频输出模块;(9)音频输出模块.2.2 远程管理程序远程管理程序运行在P C机上，通过以 太网方式与嵌人式网络D V R(可配置I P 地址)进行互联.远程管理程序的主要功能是对嵌人式网 络D、吸设置系统参数，实时 浏览、播放、存储视频信息，获取系统状态等功能，同

14、时也可以通过标准的HT T P服务实现.远程管理程序的体系结构如图 5 所示:应 用汽 忑月氏二 百 门 广 一节 叹 不 二 厂 一门系 统I 孺 显日裱 胃 控 制 贷 警 I 软 件软 件 ，颧 屯 h l.A 9 程 序 浅 蒸】升 级I层匕二 二J【二二 习 l一一口 匕二臼 匕 J远程系统管理软件IS A 件 界 面 数 据 库 1;,&E c.理 嵌入式 操作系统图3 嵌入式系统程序体系结构通信接口程序 系统软件模块主要包括以下部分，如图4所 示:操 作 系 统图5 远程管理程序体系结构嵌入式网络型D V R 系统音频输出校块驱动程序模块白二臼频处理模块视频处理模块图4 D V

15、R系统软件模块3 系统关键技术 系统中采用的关键技术主要包括:视频采集，视频编解码，网络传输，多线程通信以及接口 编程等技术.(1)数字视频采集:视频采集主 要采用高性能 视频采集卡，支持 M P E G 4/H.2 6 4硬件压缩，通过基于P C I 的总线实现视频采集，从而降低了嵌人式网络D V R系统的C P U压力.根据编解码或显示等需要，在系统中，采集的视频万方数据5 7 8南京大学学报(自然科学)第4 1 卷I/O函数和通信函数，用户可以利用这些A P I接口函 数和相应的 数据结构编写 不同 需求的 通信程序.4 结论 本文针对目前 D V R的发展趋势和用户需求 给出了基于L

16、i n u x 的 嵌人式网络D V R系 统的软件设计，采用基于L i n u x 操作系 统设计的嵌人式网 络D V R具有小型化、网络化等特点，这样不仅能够发挥数字化监控系统的优点，同时采用 L i n u x 操作系统，实现了 安全、稳定、可靠、功能强大等需求.同时论文分析系统中采用的 关键技术。对其中的一些关键技术进行了探讨赵坚勇.电视监控录像技术的发展.电视技术2 0 0 2(l):9 9-1 0 1.殷德军，秦兆海.安全防范技术与电视监控系统.北京:电子工业出版社，1 9 9 8.张斌，高波等，L in u x网络编程.北京:清华大学出版社，2 0 0 0.王田苗.嵌人式系统设计

17、与实例开发.北京:清华大学出版社，2 0 0 2.徐小玲.远程 MP E G 4视频传输与回放设计浙江教育学院学报。2 0 0 3.5.l1圈川叫困信 号必须进行相应的格式转换，根据不同 色彩系统的 对应转换关系，通过 矩阵 及其逆运算，实现它们之间的信号转换.(2)视频编解码:由于嵌人式网络 D VR需要 外接显示设备，特 别是在远程管理系统中，需要 对传输过来的压缩的视频进行解压进行显示和 相关处理，因 此必须对压缩的图像进行编解码处理.目 前,M P E G 4/H.2 6 4 在视频编解码技术 中占主导地位，由于其占用带宽小，实时性好，存储量少，在 D V R系统中日 益得到重视，系统

18、的视频编 解码模块主要通过对数据的快速解 码 处 理 进 行 视 频 显 示(5 1 (3)网络传输:网络传输主要采用T C P/I P技术，使用户通过网络能 够对系统进行管理维护、视频传输等功能.为了便于多点监控，视频服务器采用多播技术，从而减轻了网络传输的负载，提高了网 络的利用率.(4)多线程通信:在嵌人式网络D V R设计中，由于需要进行视频采集、串口 通信、控制信号 处理、远程访问等，因此需要多个任务同时进行，这就需要进行多线程处理，在L i n u x 操作系统中，主要通过f o r k 子进程来处理不同的任务.(5)A P I接口程序:系统主要对串行 口、U S B 接口进行编程，在L in u x 中.提供相应的万方数据