許 玲，李吉彪

（河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校 自動控制系，新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

隨著數(shù)字技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的各種業(yè)務(wù)呈幾何指數(shù)規(guī)律飛速增長，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控作為基于互聯(lián)網(wǎng)的一種全新業(yè)務(wù)也得到了飛速的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控平臺已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生活小區(qū)、會展中心、銀行、大型企業(yè)等場所[1]。安全防范是校園安全管理的一個重要組成部分，也是體現(xiàn)安全保衛(wèi)功能先進(jìn)性的重要環(huán)節(jié)。學(xué)校校園監(jiān)控因為學(xué)校管理人員少，學(xué)生多，給學(xué)校的安全管理帶來許多不便之處，為隨時掌握學(xué)校動態(tài)，發(fā)現(xiàn)安全隱患，記錄異常情況的視頻影像，以便立即防范或作為事后分析處理的客觀依據(jù)。因此，學(xué)校安裝監(jiān)控設(shè)施就成為了一種趨勢。實踐中，充分發(fā)揮計算機(jī)無人值日、全天候安全監(jiān)控的功能，是一種節(jié)省人力物力的最佳輔助安全管理方案。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)[2,3]是指一套由攝像、傳輸、控制、顯示和記錄登記五部分組成，為客戶提供圖像、聲音和各種報警信號, 并進(jìn)行遠(yuǎn)程采集、傳輸、存儲、處理與轉(zhuǎn)播的系統(tǒng)。而融合互聯(lián)網(wǎng)、電視技術(shù)、通信技術(shù)的基于互聯(lián)網(wǎng)平臺的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化是必然的趨勢。本文采用ARM公司最新的ARM11 RISC 處理器進(jìn)行開發(fā)，使用其內(nèi)部模塊MFC 完成H.264 的編解碼，在嵌入式和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，完成視頻的采集、傳輸、實時顯示、存儲等功能。

1 ARM11處理器

ARM11處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器[4,5]，它是ARM新指令架構(gòu)——ARMv6的第一代設(shè)計實現(xiàn)。ARM11處理器的流水線和以前的ARM內(nèi)核不同，它由8級流水線組成，8級流水線可以使8條指令同時被執(zhí)行，比以前的ARM內(nèi)核提高了至少40%的吞吐量。ARM11處理器提供動態(tài)預(yù)測和靜態(tài)預(yù)測兩種技術(shù)來對跳轉(zhuǎn)作出預(yù)測。

在ARM11處理器中，指令和數(shù)據(jù)可以更長時間的被保存在Cache中。一方面是由于物理地址Cache的實現(xiàn)，使上下文切換避免了反復(fù)重載Cache；另一方面是由于ARM11的Cache還有很多其它新穎的技術(shù)特點(diǎn)。在ARM11處理器中，內(nèi)核和Cache及協(xié)處理器之間的數(shù)據(jù)通路是64位的，因此可以提供64位處理器性能的解決方案。ARM11內(nèi)核在運(yùn)行于極高頻率的同時，也能非常容易的被集成在SoC設(shè)計中。同時，ARM11處理器提供的向上兼容性，使OEM可以放心的選用任何基于ARM的產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 整體設(shè)計方案

在學(xué)校大門、圍墻、重要通道、教師家屬院及家屬院出入口等重點(diǎn)部位安裝攝像機(jī)，24小時的監(jiān)控和錄像。監(jiān)視大門人員出入情況及車牌號，并能發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)視。同時在學(xué)校大門內(nèi)側(cè)廣場區(qū)域、主干道、湖面附近、圖書館天井處等地方安裝紅外云臺攝像機(jī)。在校園內(nèi)距離小于300米的攝像機(jī)采用視頻線直接傳輸，在距離大于300

校園網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了它與信息時代數(shù)字化的匹配。本系統(tǒng)設(shè)計了一個總控室，有14孔位的電視墻，16路硬盤錄像機(jī)4臺，4聯(lián)操作臺及4臺顯示器，利用監(jiān)控室監(jiān)視器作為監(jiān)視單元分別對分控區(qū)域內(nèi)的信號進(jìn)行輪巡顯示。采用專用的文件系統(tǒng)，無磁盤碎片，數(shù)據(jù)保密性高，單硬盤容量不受限制，并具有硬盤休眠技術(shù)和SMART技術(shù)，支持硬盤狀態(tài)報警；硬盤錄像機(jī)功能強(qiáng)大，具備斷電重啟的功能，真正能夠達(dá)到無人值守的目的?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本方案設(shè)計硬盤時除了系統(tǒng)本身的內(nèi)置硬盤以外，還可以采用外掛硬盤存儲系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

2.2 硬件設(shè)計

基于ARM11的校園網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件部分主要包括：ARM1176JZF-S為內(nèi)核的S3C6410微處理器及存儲電路模塊，電源，時鐘和復(fù)位電路模塊，外圍接口電路模塊等。S3C6410處理器負(fù)責(zé)控制接收攝像頭的視頻信號，其內(nèi)部集成的多媒體編解碼器（MFC）進(jìn)行基于H.264的壓縮編碼。而NAND FLASH用于各種固化程序的存儲，SDRAM用于存取系統(tǒng)運(yùn)行時程序，JTAG用于下載程序，串口用于打印信息的輸出及調(diào)試程序。

2.3 軟件平臺的設(shè)計

軟件平臺由U-boot引導(dǎo)程序，Linux內(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動程序共同形成運(yùn)行環(huán)境，而應(yīng)用層由視頻采集、視頻壓縮編碼模塊、視頻顯示、視頻傳輸?shù)戎饕K組成。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的具體過程如下：首先，啟動嵌入式系統(tǒng)上的服務(wù)程序，服務(wù)程序啟動后等待客戶端的連接。如果有客戶端發(fā)出連接請求，服務(wù)程序不斷的將從攝像頭采集的實時視頻數(shù)據(jù)壓縮處理，然后通過基于JRTPLIB庫的RTP/RTCP協(xié)議傳輸?shù)揭唤M播地址?？蛻舳思尤虢M播，不斷獲取視頻數(shù)據(jù)，并將視頻數(shù)據(jù)解碼顯示出來，最終實現(xiàn)實時監(jiān)控。

1）視頻采集模塊

該模塊負(fù)責(zé)USB攝像頭初始化。啟動采集線程程序，將采集到的圖像數(shù)據(jù)，放到一環(huán)行緩沖區(qū)，供視頻壓縮模塊使用。另外，該模塊負(fù)責(zé)接受控制管理指令，可改變采樣速率、分辨率大小，顏色等。

2）視頻壓縮編碼模塊

該模塊的主要任務(wù)是接受視頻采集模塊的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)編碼壓縮，再將壓縮后的視頻數(shù)據(jù)，存放在該模塊的環(huán)形緩沖區(qū)。

3）視頻顯示模塊

Linux 下的視頻采集是針對視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)。 這些視頻設(shè)備包括現(xiàn)今市場上流行的TV 卡、視頻捕捉卡和USB 攝像頭等。在應(yīng)用程序中可以利用V4L 結(jié)合I/ O 控制函數(shù)來操作攝像頭進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集。視頻采集的流程圖如圖2 所示。

4）視頻圖像的解碼模塊

由于攝像頭采集的是JPEG 格式的視頻圖像，客戶端接收到后要進(jìn)行解碼為RGB 格式才能正常顯示，這是通過調(diào)用來init _ jpeg _ decoder()函數(shù)來實現(xiàn)的。init _ jpeg _decoder()函數(shù)主要完成為圖像數(shù)據(jù)預(yù)分配空間，查詢圖像質(zhì)量等級表和哈夫曼表，進(jìn)行反DCT 變換等工作來實現(xiàn)圖像的解碼。視頻的播放是利用SDL來實現(xiàn)的。利用SDL實現(xiàn)視頻的播放主要包括以下五個步驟：（1）初始化SDL 庫；（2）設(shè)置視頻圖像顯示分辨率；（3）調(diào)用JPEG 解碼后視頻圖像數(shù)據(jù)；（4）設(shè)置播放窗口標(biāo)題；（5）掃描數(shù)據(jù)到屏幕上, 實現(xiàn)視頻播放。

圖2 視頻采集的流程圖

3 系統(tǒng)測試與分析

通過實驗測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定, 在1024×768大小的分辨率下,在局域網(wǎng)內(nèi)測得視頻幀率可達(dá)到16 幀/s, 基本可以滿足網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的要求。測試過程中的CPU 最高占有率為8.9% , CPU 平均占用率是5.6% , 說明該系統(tǒng)運(yùn)行效率較高。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了基于ARM11處理器的校園網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了視頻采集、H.264 壓縮編碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)纫曨l服務(wù)功能，同事將嵌入式視頻監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來,實現(xiàn)實時傳輸，節(jié)省了成本,更具有便攜、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)便于通訊, 具有廣泛的應(yīng)用價值和市場前景。下一步工作可在提高傳輸質(zhì)量上和差錯恢復(fù)上做進(jìn)一步研究。

[1] 馮延蓬, 仵博, 蔡學(xué)軍. 基于J2EE的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控平臺的設(shè)計[J]. 煤炭技術(shù), 2010, 29(5): 50-51.

[2] 王永利. 分布式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)[J]. 自動化儀表, 2010, 31(7): 42-44.

[3] 梁篤國, 張艷霞, 鄭澤民, 等. 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2009: 11-16.

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[5] Rahul Vanam Eve A. Riskin H.264/MPEG-4 AVC Encoder Parameter Selection Algorithms for Complexity Distortion Tradeoff. IEEE Data Compression Conference, 2009.