嵌入式视频监控终端的设计与实现.pdf

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1、第2 5 巷第6 期2()I()年1 2 j光电技术应用E【。E(r R o o I y l I(：T 以：H N()I X j YA I P L I C A T I O NV 0 1 2 5，N o 6I X-c e m b e r 2 0 1 0电路与控制嵌入式视频监控终端的设计与实现全青松，余厚全(长江大学电f 信息学院，湖北荆州4 3 4 0 0 0)摘要：设计r 一种肇于F B C 2 4 1 0 硬件平台和嵌入式操作系统的远程视频监控系统终端，介绍r 该嵌入式系统的软硬件设计思想和体系架构，对系统视频采集，M P E G 4 雎缩，网络传输进行r 详细分析与传统的视频监控系统比较，

2、该方案具自体积小成本低，稳定性好等优点关键词：嵌入式；L i n u x 操作系统；M P E G 4 标准；R F P 协议中图分类号：T N 7 0 2文献标识码：A文章编号：1 6 7 3 1 2 5 5(2 0 1 0)0 6 0 0 5 3 一0 3D e s i g na n dI m p l e m e n a t i o no faV i d e oM o n i n t o r i n gT e r m i n a lB a s e do nE m b e d d e dS y s t e mQ U A NO i n g 一,s o n g，Y UH o u q u a n(

3、C o l l e g e E l e c t r o n i cI n f o r m a t i o n，C h a n g i i a n gU n i v e r s i t y，J i n g z h o u4 3 4 0 0 0 C h i n a)A b s t r a c t：T h en e t w o r kv i d e om o n i t o rs y s t e mb a s e do n$3 C 2 41 0a n de m b e d d e dl i n u xw a sd e s i g n e d T h ep r i n c i p l eo fe m

4、b e d d e ds y s t e ma r c h i t e c t u r ew a si n t r o d u c e d，a l s ot h ev i d e od a t ac o l l e c t i o n，M I】E G 4d a t ac o d i n ga n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o nw e r ea n a l y z e dd e t a i l e d l y C o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lv i d e os y s t e m，t

5、 h e 汇h e m ef e a t u r e ss i n a i lv o l u m e，I O Wc o s t，s t a b i l i t y，e t c K e yw o r d s：e m b e d d e dt y p e；L i n u x；M P E G 4；R T P视频嘧控系统是安伞防范系统的覆要组成部分，它具有直观。方便。信息内容丰富而被广泛应用于许多场合传统的数字视频监控一般采用基于P C机平台+视频采集告的形式，该方案有系统体积大、成本高、稳定性不够好等缺点随着嵌入式系统监控和视频压缩技术的口渐成熟，以及高网络带宽的普及，通过嵌入式平台，实现视频信号采

6、集、压缩，通过图1 系统硬件平台网络传输，进行视频l 监控已成为叮能该设计采用的国i 星公司的$3(2 4 1 0A R M 嵌入式处理器，主频可是韩闫 单公j：J 的一款基于A R M 9 2 0 T 内核的嵌入以达到2 0 3M H z 内咒有丰富的外设资源，包括存储式处理器并将I 司际卜流行的M P E(；4 压缩编铲技器、串u、网【J 和U S B 等接1 1 控制设备主要嘶向手术和流媒体传输技术辑 结合，开发出n r 弦性高、成本持设备以及高性价比、低功耗的应用F x 3(2 4 1 0 作为低、体积小、功耗低的远程视频监控系统终端系统控制啦元，其_ f 色的性能、丰寓的片内外资源、

7、对1 系统开发硬件平台鍪淼篱磊篙鬻嚣慧鬈黧要系统硬件平台如图l 所示该设计采用的足韩M S b v l 3 9 V F l 6 0 1 的N o rH a s h，以及以太网控制芯片收稿日期：2 0 1 0 一l l 1 8作者简介：全爵松(1 9 8 1 一)男占林桦甸人硕t=主要研究办向为通讯1：程万方数据光电技术应用第2 5 卷c s 8 9 0 0 Q 3 两路U A R T 串行口支持R S 2 3 2 协议，用于和P C 通讯和控制摄像头，波特率高达1 1 52 0 0b 夕b接U S B 摄像头采用的是基于中星微Z 3 0 1 芯片的极速摄像头像素达到1 3 0 万，色彩位数2

8、4 位，最大帧数可以达到3()帧，画面流畅、清晰，支持：岛(2 4 1 0、Q Q 2 4 4()v 3m i r u 2 4 4 0 等舢蝴9 开发板，即插即用，对嵌入式系统歼发是个不错的选择该系统通过U S B 摄像头采集视频原始数据，$3 C 2 4 1 0 作为核心的中央控制和数据处理中心，主要完成视频采集终端控制和视频图像压缩，并将压缩后的视频数据打包形成标准的网络数据流传输到因特网中2 系统的软件设计系统的软件设计主要包括如下几个方面：交叉编译环境的搭建、U S B 视频采集、视频编码压缩，以及视频流的网络传输系统软件架构如图2 所示嵌入式应用软件f s B 视频采集E 视频编码，

9、K 缩视频网络传输今币i 产八V P 0 4 L i n u x lA r m l i n u x 嵌入式操作系统f R T P R T C P I 办测图2 系统软件架构2 1交叉编译环境的搭建由于嵌入式开发板的资源有限，不能直接在开发板上进行开发和调试，需要以交叉编译凋试的方式进行开发和调试，鉴于嵌人式L i n u x 强大的网络支持功能，源代码完全开放、可移植性强、网络功能强大等特点，选用它作为系统软件平台在系统开发前需安装L i n u x 操作系统，然后在宿主机即P C 机上建立交叉编译环境安装对应A R M 开发板的交叉编译器c r 0 8 8 3 3 2 t a r b z 2

10、 这样，一个嵌入式A R M L I N U X 下的交叉编译环境就搭建成功了2 2 视频采集系统的实现视频采集是通过嵌入式L i n u x 操作系统调用v 4 L(v i d e 0 4 1 i n u x)和影像驱动程序来完成的V i d e 0 4 1 i n u x 是l i n u x 的影像流系统二j 嵌入式影像系统的基础它是l i n u xk e r n e l 里支持影像设备的一组A P I(应用接u 程序)，若配合适当的视频采集卡与驱动程序，v i d e 0 4 1 i n u x 就可以实现影像采集、A M F M 无线广播、影像C O D E C、频道切换等功能目前

11、，V 4 L 主要应用在影像串流系统与嵌入式影像系统里，如：远程教学、远程医疗、视频会议、视频监控、可视电话等它分为2 层式构架，上层为v i d e 0 4 1 i n u x驱动程序本身，下层为影像设备的驱动程序，如该设计中的中星微摄像头Z 3 0 1 芯片的驱动程序在L i n u x 操作系统中，外部设备都作为设备文件来管理，冈此，对外部设备的操作就转变成对设备文件的操作采集程序调用V 4 LA P I 对设备文件进行读操作，即可实现视频数据采集由于开发板自带的L i n u x 内核并不支持中星微的摄像头，所以要在网上下载Z 3 0 1 驱动芯片的补丁，x,t 应A R M L i

12、n u x 版本号利用p a t c h 命令打在内核L 在编译内核的时候，会在u s b 一 s u p p o r t 出现S P C C A 5 X X 选项，以模块的形式加载，开机的时候顺序加载V i d e 0 4 1 i n u x 和S p c a 5 x x 模块，加载成功后，会在没备文件里看到d e v v i d e 0 0 文件，说明U S B 摄像头驱动加载成功，就可以在终端对摄像头操作进行集视频采集了2 3 视频编码压缩视频监控系统的要求是要做到实时性，由于直接通过摄像头采集到的原始图像数据量大，而网络带宽有限，所以一定要经过视频编码压缩处理后才能进行网络传输，视频压

13、缩也是该设计的核心内容目前，在众多视频编码算法中影响最大并被，“泛应用的国际标准是H 2 6 X 系列和M P E G 系列M P E G系列的M P E G 一4 被I S 0 I E C 批准为正式标准，编号为I S O I E C l 4 4 9 6，它不仅针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性这个标准主要应用于视频电话，视频电子邮件等，对传输速率要求较低，在48 0 0 64 0 0b i t s 之间，它能利用很窄的带宽，通过帧蓖建技术，数据压缩，用最少的数据获得最佳的图像质量，与M P E G l和M I E G 2 相比，M P E(；4 的特点是更

14、适用于交互A V 服务以及远程监控M I E G 一4 是第一个使你由被动变为主动(不再只是观看，允许你加入其中，即有交互性)的动态图像标准目前基于M P E G 一4 标准的视频编解码器较多，比较常用的自微软开发的m s m p c g v 3，以及开放源代码的x v i d 和f f m p e g f f m r)e g 是一套完整的录制、转换、流化音视频的解决方案，它的兼容性很好，包含了业界领先的音视频编解码库，对嵌入式视频万方数据第6 期全静松等：嵌入式视频监控终端的设i P 勺，实现5 5监控系统来说足个非常好的选择系统采用rF F M P E(；进行视频编码、压缩编码过程中主要使

15、用F F M P E G 的l i b a v f o r m a t 和l i b a v c o d e c 这两个函数库，许多视频文件格式一般只是定义如何将视频流编护5 进一个独讧的文件，而小明确指出其使 j 的编码工具，l i b a v f o r m a t 库的功能主要是分析视频文件的语法格式，并将它从流中分理 l；原始的视频流，l i b a v c c M e c 库的功能则足按照流格式处删原始的视频流编码视频编码的流程如下，首先打开文件i f(a v o p e n i n p u t f i l e(&p F o r m a t C t x，f i l e n a m e

16、，N U L I，0，N U L L)!=0)然后读取流文件的信息选择对应的编解码器，并打开对应的编码器，在编码端需要使朋l i b a v f o r m a t 库函数来读取数据包，滤除掉不需要的非视频流数据，然后循环调用l i b a v c o d e c 库函数G e t N e s t F r a m c 来处理每帧数据进行编码通过试验一段4 0s 的视频原文件，分辨率为8 0 0 6 0 0，帧率为3 0，大小为2 4 6M，压缩到F L V 格式后，帧牢为2 5，分辨率为3 2 0 2 4 0，码率为5 0 0K s，压缩后的大小不到2M，雎缩比率为1 2 0：1 得到的视频文

17、件很清晰、流畅分辨率、帧率、u 4 1 J 石1 5 率、视频格式都町以更改，非常方便，可以达到实时视频监控的要求2 4 视频数据流的网络传输利用摄像头设备采集的视频图像经f f m p c g 压缩为M I E G 一4 视频流以后，需经过网络传输视频监控系统的实时性要求较低的时延和较小的夏包率，由于T(、P 的霞发机制带来较大的时延，L 丌)P 本身又彳i 提供任何Q o s 保证。冈此需要通过实H 寸传输协议(R，I、P)和实时控制协议(R，I、C P)配合使J 玎，提供数据实时传输和Q 服务来满足网络视频数据实时传输的要求R T P 数据协议负责对流媒体数据进行封装及完成媒体流的实时传

18、输，本身J f 小能为按序传输数据包提供u 靠的保征，也不提供流破控制和拥褒控制町靠惟传输足f 1 1 与它配合使用的实时传输控制协议R T(P 米负责完成的R F I 是 I j 解决流媒体实时传输n t】题的最好办法，系统中的视频传输模块采J j _ rR，I、l，和R，l、【、l，传输m 议R T P 协议为传输层协议，R F C 在对R T I，的定义过程中并没彳r 对j 底层协议进行定制R 7 r P 不提供嘲络连接在使J l I 通常需要与U I)P 等其他协议配合R T I，协议使用U I)P 的端n 号并将R T I，执行程序乍j 在U I)P 的上层，它|1 以看成址传输层的

19、I：层子层R T I，信息包中封装了编码后的视频数据，每个R T P 信息包被封装在U I)P 信息段中，然后再封装在I I】数据包中以备网络传输图3 给出了R 7 F P R F C P 在协议栈中的位簧成j f j 层R T I，|l T C PI j I)PT C PI P数据链路层物瑚层图3R T P R I r r C l 在协议栈中的位置在实际开发过程中，R T P 执行程序被看做是应用程序的一部分，被集成到应J j 程序当中在发送端首先创建R T P 会话，在创建R T P 信息包的应用程序中写入执行R T P 协议的程序，然后J 赶川程序将R T P 信息包发送到U D P 的

20、套接接口同样，在接收端，R T I，信息包通过U I)P 套接接L J 输入到心用程序，并将执行R T P 协议的程序写入到从R T I，信息包中抽 I j 媒体数据的心川程序3 结论文中设计了一种基于A R M 9 架构嘟(2 4 1 0 的嵌入式的视频监控系统完成J，视频图像的采集、编码压缩、传输等功能它不仅具有抗干扰能力强适合远辨i 离传输，能够加密，充分利川现彳网络资源等诸多优点而H 叮移植件强、低功耗、成本低、易于安装、使用方便和便于维护等优点，并 采J j 软件实现其丰要功能有利于系统的二次开发及升级，其臆用范|书J 和I；i 景将 E 常广阔参考文献 1 周t 功A R M&L

21、i n u x 嵌入式系统J F 发详解 M 北京：北京航夺航天人学 l；版社。2(X 1 7 2 t 5 忠梅A R M&L i n u x 嵌入式系统教程 M 北京：北京航伞航人人学_ l 版社2(X 1 8 3 杨宗德嵌入式A R M 系统艏i 理J 实例，F 发 M 北京：北京人学l 版 2(X 1 7 4 s c r g i oS c a g l i a 嵌入式I n t e m e t I(I 1 I 基础、实现及应用【M 北京：北片i 航夺航人大学f I J 版社，2(X)8 5 R E NY a n，H A NZ h e n，L I UL i C o m p u t e rE

22、n g i n e e r i n ga n dD e s i g n【M 2(X)7 万方数据嵌入式视频监控终端的设计与实现嵌入式视频监控终端的设计与实现作者：全青松，余厚全，QUAN Qing-song，YU Hou-quan作者单位：长江大学电子信息学院,湖北,荆州,434000刊名：光电技术应用英文刊名：ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGY APPLICATION年，卷(期)：2010,25(6)参考文献(5条)参考文献(5条)1.REN Yan;HAN Zhen;LIU Li Computer Engineering and Design 20072.Sergio Scaglia 嵌入式Internet ICP/IP基础、实现及应用 20083.杨宗德 嵌入式ARM系统原理与实例开发 20074.马忠梅 ARM&Linux嵌入式系统教程 20085.周立功 ARM&Linux嵌入式系统开发详解 2007 本文链接：http:/