基于ARM的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

國內(nèi)外市場上主要推出的是數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字視頻監(jiān)控兩類產(chǎn)品[1]。前者的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。后者是新近崛起的以計(jì)算機(jī)技術(shù)及圖像視頻壓縮技術(shù)為核心的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在解決模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的部分弊端的基礎(chǔ)上迅速崛起。在互聯(lián)網(wǎng)的普遍推廣和網(wǎng)絡(luò)帶寬逐漸提高的背景下，視頻監(jiān)控技術(shù)飛速發(fā)展，出現(xiàn)了集多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)于一體的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

目前國內(nèi)嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究有了很大的發(fā)展，但是國內(nèi)對嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究還比較少。本文介紹了自主開發(fā)的基于ARM的嵌入式無線視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案采用S3C2410嵌入式處理器和ARMLinux操作系統(tǒng)，利用通過自行開發(fā)的視頻服務(wù)器軟件，通過3G無線上網(wǎng)卡完成客戶端與視頻服務(wù)器的通信。介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、服務(wù)器端軟件的總體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)程序的構(gòu)建、圖像的采集和壓縮以及傳輸模塊的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)采用H.264編碼技術(shù)在保證視頻傳輸質(zhì)量的同時(shí)具有良好的帶寬適應(yīng)能力。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由監(jiān)控現(xiàn)場攝像頭、嵌入式視頻服務(wù)器、客戶端三部分組成。監(jiān)控現(xiàn)場的攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像的采集，并把采集的圖像信息通過內(nèi)部總線傳送給嵌入式視頻服務(wù)器。嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)基于S3C2410處理器、H.264壓縮、Web服務(wù)器和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，它的主要功能是對攝像頭采集到的圖像進(jìn)行H.264壓縮編碼，并對編碼后的圖像通過3G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。客戶端主要完成圖像的接收和解壓縮，用戶可以通過Web瀏覽器訪問嵌入式視頻服務(wù)器來觀看攝像頭采集到的圖像，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件由圖像傳感器MI360、3G無線模塊MC8630、圖像壓縮芯片ZC0301、微處理器芯片S3C2410、以太網(wǎng)控制芯片、SDRAM等芯片組成。S3C2410具有低功耗、精簡而出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，具備MMU存儲器管理功能，擁有獨(dú)立的16 KB指令和16 KB數(shù)據(jù)緩存，在高性能和低功耗特性方面提供了可靠的性能。無線模塊選用中興3G模塊 MC8630，數(shù)據(jù)速率為前向：3.1 Mb/s max，反向：1.8 Mb/s max。
為了降低成本，簡化設(shè)計(jì)，本方案選用中星微的ZC0301作為視頻壓縮編碼芯片，Vimicro ZC0301主要由系統(tǒng)控制、圖像信號處理、次取樣和水平掃描、JPEG編碼器和USB設(shè)備控制五大功能模塊組成。CMOS圖像傳感器選擇美光的MI360，它采用VGA標(biāo)準(zhǔn)（30萬像素），感光面積為1/4英寸，有效像素649H×489H，采用低噪聲技術(shù)，噪聲等級達(dá)到CCD標(biāo)準(zhǔn)。MI360和ZC0301壓縮編碼芯片完成視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮和編碼。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件由攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊、圖像采集模塊、H.264圖像壓縮模塊、嵌入式Web服務(wù)器組成。攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)攝像頭在Linux操作系統(tǒng)下的正常工作，并為應(yīng)用程序提供接口。圖像采集程序獲取攝像頭傳送過來的圖像信息并進(jìn)行暫存。H.264壓縮模塊完成對原始圖像的編碼處理。嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)傳輸。嵌入式Web服務(wù)器一般由5個(gè)主要模塊組成：嵌入式HTTP引擎、安全模塊、應(yīng)用程序接口、文件系統(tǒng)和配置模塊[2]。由于開發(fā)平臺采用的嵌入式操作系統(tǒng)為ARMLinux，具有成熟的文件系統(tǒng)，提供文件訪問的接口，可以直接使用文件系統(tǒng)提供的讀寫接口訪問嵌入式Web資源文件，不需要另外設(shè)計(jì)文件系統(tǒng)。嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1 攝像頭驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

圖像的采集工作由圖像傳感器MI360和視頻壓縮芯片ZC0301完成，ZC0301通過USB接口和S3C2410相連，因此驅(qū)動(dòng)程序主要是對Linux下USB驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，ZC0301的驅(qū)動(dòng)獨(dú)立開發(fā)難度較大，主要是既要考慮圖像采集芯片的驅(qū)動(dòng)，還要考慮USB的驅(qū)動(dòng)，且Vimicro沒有公布ZC0301的詳細(xì)技術(shù)資料。Linux下ZC0301的驅(qū)動(dòng)程序有開源代碼，根據(jù)本系統(tǒng)的開發(fā)平臺進(jìn)行修改、移植、重新編譯內(nèi)核等操作可以完成ZC0301的驅(qū)動(dòng)程序。

3.2 圖像采集模塊設(shè)計(jì)

Video4linux(V4L)是Linux的影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是Linux Kernel中支持影像設(shè)備的一組APIs，配合適當(dāng)?shù)囊曨l采集卡與視頻采集卡驅(qū)動(dòng)程序，可以實(shí)現(xiàn)影像采集、AM/FM無線廣播、影像CODEC、視頻切換等功能。Video4linux為二層式架構(gòu)，上層為Video4linux驅(qū)動(dòng)程序本身，下層架構(gòu)則是影像設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。這里用到的是Video4linux的上層驅(qū)動(dòng)程序，即Video4linux本身所提供給程序開發(fā)人員的APIs[3]。Video4linux視頻圖像采集流程如圖4所示。

3.3 H.264圖像壓縮模塊設(shè)計(jì)

H.264是ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC活動(dòng)圖像編碼專家組(MPEG)的聯(lián)合視頻組（JVT）開發(fā)的一個(gè)新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)[4]。在技術(shù)上，H.264標(biāo)準(zhǔn)有很多優(yōu)勢，如統(tǒng)一的VLC符號編碼，高精度、多模式的位移估計(jì)，基于4×4塊的整數(shù)變換、分層的編碼語法等。這些措施使得H.264算法具有很高的編碼效率，在相同的重建圖像質(zhì)量下能夠比H.263降低50%左右的碼率。

H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，增加了差錯(cuò)恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)[5]。H.264能以較低的數(shù)據(jù)速率傳送基于IP的視頻流，在視頻質(zhì)量、壓縮效率和數(shù)據(jù)包恢復(fù)丟失等方面，超越了現(xiàn)有的MPEG-2、MPEG-4和H.26x視頻通信標(biāo)準(zhǔn)，更適合窄帶傳輸，是目前監(jiān)控系統(tǒng)最為理想的信源壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。
相對于有線網(wǎng)絡(luò)而言,無線網(wǎng)絡(luò)狀況更不穩(wěn)定,除去網(wǎng)絡(luò)流量所造成的傳輸速率的波動(dòng)外,設(shè)備的移動(dòng)速度和所在位置也會嚴(yán)重地影響到傳輸速率。其次,無線信道的環(huán)境也要比有線信道惡劣得多，數(shù)據(jù)的誤碼率也要高許多,而高壓縮的碼流對傳輸錯(cuò)誤非常敏感,還會造成錯(cuò)誤向后面的圖像擴(kuò)散,因此無線流媒體在信源和信道編碼上需要很好的容錯(cuò)技術(shù)。錯(cuò)誤恢復(fù)的工具隨著視頻壓縮編碼技術(shù)的提高在不斷改進(jìn)。舊的標(biāo)準(zhǔn)(H.261、H.263、MPEG-2的第二部分)中,使用片和宏塊組的劃分、幀內(nèi)編碼宏塊、幀內(nèi)編碼片和幀內(nèi)編碼圖像來防止錯(cuò)誤的擴(kuò)散。之后改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)(H.263+，MPEG-4)中,使用多幀參考和數(shù)據(jù)分割技術(shù)來恢復(fù)錯(cuò)誤。H.264標(biāo)準(zhǔn)在以前的基礎(chǔ)上提出了三種關(guān)鍵技術(shù)來進(jìn)行錯(cuò)誤的恢復(fù)，分別是參數(shù)集合、靈活的宏塊次序(FMO)和冗余片(RS)。FMO是H.264的一大特色，可以是一幀中的宏塊順序分割，使分割后的片的尺寸小于無線網(wǎng)絡(luò)的MTU尺寸，避免在網(wǎng)絡(luò)層再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)分割，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)念~外開銷。

3.4 嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用適合嵌入式系統(tǒng)的Boa服務(wù)器，它是單任務(wù)HTTP服務(wù)器，占用空間小，另外支持動(dòng)態(tài)Web技術(shù)的CGI技術(shù)，源代碼開放，性能高。嵌入式Boa服務(wù)器移植到Linux系統(tǒng)中的網(wǎng)上相關(guān)資料很多，不再贅述。下面重點(diǎn)介紹應(yīng)用程序接口CGI程序設(shè)計(jì)。

公共網(wǎng)關(guān)接口CGI是HTTP服務(wù)器與其他機(jī)器上的程序進(jìn)行“交談”的一種工具[6]，其程序須運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上。CGI是一個(gè)用于Web服務(wù)器與外部程序之間通信方式的標(biāo)準(zhǔn)，使得外部程序能生成HTML、圖像或其他內(nèi)容，而服務(wù)器處理的方式與那些非外部程序生成的HTML、圖像或其他內(nèi)容的處理方式是相同的。使用CGI的原因在于它是一個(gè)定義良好并被廣泛支持的標(biāo)準(zhǔn)，沒有CGI就不可能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的Web頁面，除非使用一些服務(wù)器中提供的特殊方法。

CGI程序入口為main()函數(shù)，函數(shù)首先執(zhí)行初始化用到的變量，然后根據(jù)提供的環(huán)境變量Environmentv獲取當(dāng)前訪問用戶的用戶名，判斷用戶的訪問權(quán)限，然后根據(jù)REQUESM得到用戶的請求方法。如果是POST，則根據(jù)Contentl獲取用戶請求內(nèi)容并分析；如果是GET，則根據(jù)Querys獲取信息并分析請求內(nèi)容，最后根據(jù)用戶權(quán)限做出相應(yīng)的處理；如果是其他的請求方法，則返回錯(cuò)誤，不支持該請求方法。流程圖如圖5所示。

S3C2410憑借其高性價(jià)比、豐富的接口以及對網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大支持,使其非常適合做網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的Web視頻服務(wù)器的處理器。H.264算法具有很高的編碼效率，在相同的重建圖像質(zhì)量下，能夠比H.263降低50%左右的碼率。H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，增加了差錯(cuò)恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)支持動(dòng)態(tài)IP,可以直接連入以太網(wǎng),能夠即插即看。通過局域網(wǎng)(100 Mb/s以太網(wǎng))內(nèi)部測試,可以達(dá)到25幀/秒CIF圖像(320×240)要求,傳輸延遲0.6 s以內(nèi)，編碼后的碼率150 Kbit/s，由客戶端軟件解碼恢復(fù)后的視頻圖像清晰、流暢、沒有抖動(dòng)現(xiàn)象，能獲得較好的視頻質(zhì)量。