基于Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)

　　本嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用高性能ARM9芯片微處理器，內(nèi)置嵌入式Web服務(wù)器。

　　通過(guò)嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)采集攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù);采集的視頻信號(hào)數(shù)字化后經(jīng)MJPEG算法壓縮，再通過(guò)內(nèi)部總線送到內(nèi)置的Web服務(wù)器;使用者可以直接用瀏覽器觀看Web服務(wù)器上的攝像機(jī)圖像;通過(guò)通用網(wǎng)關(guān)接口CGI，授權(quán)用戶還可以控制攝像機(jī)、云臺(tái)和鏡頭的動(dòng)作或直接通過(guò)Web頁(yè)面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置。

　　引言

　　基于同軸電纜的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、可靠性低且價(jià)格昂貴，因而出現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等遠(yuǎn)程Web視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，采用高性能的ARM9芯片作微處理器，內(nèi)置嵌入式Web服務(wù)器—Boa，通過(guò)嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)—Linux采集攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù);攝像機(jī)采集的視頻信號(hào)數(shù)字化后經(jīng)MJPEG算法壓縮，壓縮后的視頻流再通過(guò)內(nèi)部總線送到內(nèi)置的Web服務(wù)器;通過(guò)在網(wǎng)頁(yè)中嵌入圖像播放器，用戶可以直接通過(guò)瀏覽器觀看Web服務(wù)器上的攝像機(jī)圖像;通過(guò)通用網(wǎng)關(guān)接口CGI，授權(quán)用戶還可以控制攝像機(jī)、云臺(tái)和鏡頭的動(dòng)作或直接通過(guò)Web實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置。

　　1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)原理及組成結(jié)構(gòu)

　　嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的基本原理：在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中內(nèi)置Web服務(wù)器Boa，攝像機(jī)采集視頻信號(hào)并將其數(shù)字化，經(jīng)MJPEG壓縮后，傳送到內(nèi)置的Web服務(wù)器，通過(guò)Web頁(yè)面將視頻信息發(fā)布到Internet。由于嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是視頻采集終端和Web服務(wù)器的融合，因此，用戶可以直接通過(guò)瀏覽器觀看攝像機(jī)拍攝的視頻圖像，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

　　整個(gè)系統(tǒng)由視頻采集模塊、視頻壓縮模塊、Web服務(wù)器、通用網(wǎng)關(guān)接口、Web頁(yè)面等5個(gè)部分組成。 其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示：

　　圖1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　視頻采集模塊包括以S3C2410X為核心的中央控制和數(shù)據(jù)處理中心，以及USB Camera數(shù)據(jù)采集單元。中央控制和數(shù)據(jù)處理中心主要完成視頻采集終端的控制和視頻圖像的壓縮;Web服務(wù)器完成基本服務(wù)器的功能，負(fù)責(zé)響應(yīng)HTTP請(qǐng)求，配合視頻采集、壓縮模塊完成圖像信息發(fā)布;通用網(wǎng)關(guān)接口—CGI，可以根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)信息，控制攝像機(jī)、云臺(tái)和鏡頭的動(dòng)作或直接通過(guò)Web實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置。

　　嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的“硬核”。微處理器的選擇將對(duì)整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的成本和性能產(chǎn)生決定性的影響。目前，比較流行的處理器主要有：Power PC 、MIPS、Intel、ARM等。ARM(Advanced RISC Machines)公司是一家全球領(lǐng)先的嵌入式微處理器IP(Intellectual Property )核提供商，它設(shè)計(jì)了一系列高性能、低功耗、低成本和高可靠性的RISC處理器核、外圍部件和系統(tǒng)級(jí)芯片應(yīng)用解決方案。當(dāng)前，ARM系列微處理器核廣泛應(yīng)用于便攜式通訊設(shè)備、手持終端、多媒體數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品等嵌入式系統(tǒng)解決方案中。本設(shè)計(jì)選用以ARM920T為核心的S3C2410X 32位微處理器，該處理器集成了LCD控制器、USB Host、USB Slave、NAND控制器、中斷控制、功率控制、UART、SPI、SDI/MMC、IIS、GPIO、RTC、TIMER/PWM、ADC等豐富的資源。

　　操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的“軟核”。早期的嵌入式系統(tǒng)，由于當(dāng)時(shí)還沒(méi)有操作系統(tǒng)的概念，系統(tǒng)的主要功能都是用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，其兼容性、通用性及擴(kuò)展性都很差。隨著硬件性能不斷提高，在嵌入式系統(tǒng)中使用通用操作系統(tǒng)已成為現(xiàn)實(shí)。在嵌入式系統(tǒng)中引入操作系統(tǒng)后，利用軟件工程的思想指導(dǎo)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，其開(kāi)發(fā)效率和資源可重用率都將得到很大的提高。目前較為流行的嵌入式操作系統(tǒng)有：VxWorks、Neculeus、WindowsCE、Linux等。相對(duì)其它商業(yè)操作系統(tǒng)，Linux這個(gè)開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

　　(1) 價(jià)格低廉。在保證產(chǎn)品性能的前提下，價(jià)格永遠(yuǎn)都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重用因素之一。由于Linux來(lái)源于開(kāi)源社區(qū)，相對(duì)于其它商業(yè)操作系統(tǒng)，其價(jià)格幾乎為零。

　　(2)文檔豐富。全世界的Linux程序員都是技術(shù)顧問(wèn)，任何人都可以在開(kāi)源社區(qū)得到其系統(tǒng)所需要的文檔和幫助。

　　(3)網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)良。與Unix一脈相承的Linux支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并能夠使系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

　　(4)知識(shí)創(chuàng)新。在國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)被認(rèn)為是唯一可以趕超國(guó)外同行的操作系統(tǒng)。而Linux是操作系統(tǒng)中的佼佼者，任何人都可以遵照GPL規(guī)則發(fā)布包含自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，可以高效地進(jìn)行知識(shí)創(chuàng)新，少走彎路。

　　為此，本設(shè)計(jì)選用高性能ARM9芯片和嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

　　2 視頻采集模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　視頻采集模塊是嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的核心模塊之一。它通過(guò)嵌入式Linux操作系統(tǒng)調(diào)度V4L(video4linux)和影像設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成視頻捕獲。V4L是Linux影像系統(tǒng)與嵌入式影像的基礎(chǔ)，是Linux kernel里支持影像設(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，V4L可以實(shí)現(xiàn)影像采集、AM/FM無(wú)線廣播、影像CODEC、頻道切換等功能。目前，V4L主要應(yīng)用在影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)里，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，例如：遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控、可視電話等。V4L為2層式架構(gòu)，最上層為V4L驅(qū)動(dòng)程序，最下層則是影像設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

　　在Linux操作系統(tǒng)中，外部設(shè)備都作為設(shè)備文件來(lái)處理，因此，對(duì)外部設(shè)備的操作就轉(zhuǎn)變成對(duì)設(shè)備文件的操作。視頻設(shè)備文件位于/dev/目錄下，一般情況下為video0。當(dāng)攝像機(jī)通過(guò)USB接口連接到視頻采集終端后，在程序中調(diào)用V4L APIs對(duì)設(shè)備文件video0的讀操作即可實(shí)現(xiàn)攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集。其主要過(guò)程如下：

　　1) 打開(kāi)設(shè)備文件： int v4l_open(char *dev, v4l_device *vd){}打開(kāi)影像源的設(shè)備文件;

　　2) 初始化picture： int v4l_get_picture(v4l_device *vd){} 獲取輸入的影像信息;

　　3) 初始化channel：int v4l_get_channels(v4l_device *vd){} 獲取每個(gè)channel的信息;

　　4) 對(duì)channel設(shè)置norm：int v4l_set_norm(v4l_device *vd, int norm){} 對(duì)所有的channel設(shè)置norm;

　　5) 設(shè)備地址映射：v4l_mmap_init(v4l_device *vd){} 返回存放圖像數(shù)據(jù)的地址;

　　6) 初始化mmap緩沖區(qū)： int v4l_grab_init(v4l_device *vd, int width, int height){};

　　7) 視頻捕獲同步： int v4l_grab_sync(v4l_device *vd){};

　　8) 視頻捕獲： int device_grab_frame(){}。

　　通過(guò)以上操作，即可將攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)采集到內(nèi)存。采集到內(nèi)存的視頻數(shù)據(jù)既可采用文件的形式保存，也可將其壓縮后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到Internet。本設(shè)計(jì)采用后一種處理方法，即：將采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)MJPEG壓縮，生成視頻數(shù)據(jù)流并發(fā)布到Internet。

　　3 視頻壓縮模塊設(shè)計(jì)

　　由于攝像機(jī)采集到的視頻數(shù)據(jù)信息量較大，如果直接將其處理成視頻，將會(huì)給視頻處理和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)。因此，本設(shè)計(jì)采用高性能ARM9處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行MJPEG壓縮。

　　JPEG(Joint Photographic Experts Group)—聯(lián)合圖像專家組的簡(jiǎn)稱，它的主要目標(biāo)是研究具有連續(xù)色調(diào)圖像(包括灰度和彩色圖像)的壓縮算法，是MJPEG的基礎(chǔ)。JPEG算法被確定為靜態(tài)數(shù)字圖像壓縮的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，不僅適用于靜止圖像壓縮，而且適用于電視圖像序列的幀內(nèi)圖像壓縮。由于JPEG壓縮采用的是全彩影像標(biāo)準(zhǔn)，其主要處理過(guò)程包括：色彩模型轉(zhuǎn)換、離散余弦—DCT變換、重排DCT結(jié)果、量化、編碼等。

　　MJPEG是Motion JPEG的縮寫(xiě)，即動(dòng)態(tài)JPEG。它將動(dòng)畫(huà)播放與JPEG結(jié)合，按照25幀/秒的速度使用JPEG算法壓縮視頻信號(hào)，完成動(dòng)態(tài)視頻的壓縮。

　　4 Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

　　在資源有限的嵌入式設(shè)備中可以使用的輕量級(jí)Web Server有：httpd、thttpd、boa等。本設(shè)計(jì)選用開(kāi)源的、支持CGI的Boa Web Server，其主要移植過(guò)程如下：

　　(1)到www.boa.org下載最新軟件包并解壓到相關(guān)目錄。

　　(2)在目錄boa/src下的defines.h文件頂部設(shè)置默認(rèn)的SERVER_ROOT路徑。

　　(3)選擇交叉編譯工具。在boa目錄下使用 ./configure --host=i686-pc-

　　Linux-gnu --target=arm-Linux 完成對(duì)boa的配置。

　　(4)執(zhí)行make編譯boa后即在src/目錄下生成可執(zhí)行文件boa。

　　(5)對(duì)boa.conf文件進(jìn)行配置。主要完成對(duì)boa運(yùn)行的端口號(hào)、Server 根目錄、log files、html文件、cgi文件目錄及可讀寫(xiě)的temp目錄的屬性的設(shè)置。

　　5 瀏覽器與服務(wù)器之間的通信—通用網(wǎng)關(guān)接口

　　CGI(Common Gateway Interface)是外部應(yīng)用擴(kuò)展程序與WWW服務(wù)器交互的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。按照CGI標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)的外部擴(kuò)展程序能夠處理客戶端瀏覽器輸入的數(shù)據(jù)，從而完成客戶端與服務(wù)器的交互、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)Web技術(shù)。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)用戶通過(guò)瀏覽器向網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)發(fā)送控制信息(比如控制攝像機(jī)云臺(tái)的動(dòng)作等)時(shí)，服務(wù)器守護(hù)進(jìn)程啟動(dòng)CGI模塊，CGI模塊通過(guò)串口將控制傳給服務(wù)器。如圖二所示：

　　圖2 CGI控制云臺(tái)動(dòng)作原理流程圖

　　6 Web頁(yè)面的設(shè)計(jì)

　　在本嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中，Web頁(yè)面的主要功能是顯示W(wǎng)eb頁(yè)面及動(dòng)態(tài)視頻信息。由于標(biāo)準(zhǔn)的html網(wǎng)頁(yè)只具有顯示文字和圖片的功能，因而無(wú)法在標(biāo)準(zhǔn)的html網(wǎng)頁(yè)里嵌入一個(gè)窗口來(lái)“實(shí)時(shí)”觀看視頻圖像。解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是將“實(shí)時(shí)”視頻監(jiān)控軟件嵌入到網(wǎng)頁(yè)中。Microsoft 制定了ActiveX規(guī)范，只要符合這個(gè)規(guī)范的軟件都可以嵌入到網(wǎng)頁(yè)中。為了能滿足多人同時(shí)“實(shí)時(shí)”觀看視頻圖像，在本設(shè)計(jì)中選用標(biāo)準(zhǔn)ActiveX控件—VgPlayerObject來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了一種基于ARM S3C2410X和Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)。采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行視頻采集、壓縮并通過(guò)ActiveX控件顯示動(dòng)態(tài)視頻，通過(guò)嵌入式Web Server和CGI技術(shù)融合整個(gè)系統(tǒng)，形成一套完整的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)解決方案。由于系統(tǒng)采用高性能嵌入式處理器完成主要控制、壓縮和Web處理工作，因此該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在油田、油氣井現(xiàn)場(chǎng)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能小區(qū)、移動(dòng)監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn):成功將CGI技術(shù)應(yīng)用到嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中，利用簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)了用戶和嵌入式系統(tǒng)的交互，本網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在智能監(jiān)控和移動(dòng)監(jiān)控中有廣闊的應(yīng)用前景。

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