徐繼富，張秋林

(空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，陜西 西安 710077)

進(jìn)入21世紀(jì)，視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛。然而，目前的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)多是以DSP芯片或者ARM9芯片為核心開發(fā)的。基于DSP芯片的視頻監(jiān)控系統(tǒng)雖然在視頻信號(hào)處理上優(yōu)勢(shì)明顯，但其在智能化控制上的短板極大地限制了它的應(yīng)用;基于ARM9的監(jiān)控系統(tǒng)雖然能夠克服DSP芯片的不足，但是其在視頻信號(hào)處理能力上的不足，使其不得不依靠專業(yè)的多媒體芯片來完成視頻信號(hào)的處理，而這無疑將增加制造成本。然而，新一代的ARM11處理器由于其內(nèi)嵌了多媒體處理模塊MFC，使其在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)中具有極大的優(yōu)勢(shì)。因此，基于ARM11的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究成為目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。本文介紹的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是根據(jù)某單位的項(xiàng)目需求而進(jìn)行的研發(fā)。

1 基于ARM11的IP網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)控前端、監(jiān)控終端和網(wǎng)絡(luò)三個(gè)部分，監(jiān)控前端是一個(gè)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，它通過S3C6410接收攝像頭采集到的數(shù)據(jù)，并傳送給硬件編解碼(MFC)模塊，并把得到的經(jīng)過H.264壓縮的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到IP網(wǎng)絡(luò)上，監(jiān)控終端(PC機(jī))通過網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)包，經(jīng)過解碼實(shí)時(shí)播放?？傮w構(gòu)架如圖1所示。

圖1 基于ARM11的視頻監(jiān)控系統(tǒng)

2 硬件設(shè)計(jì)

在該網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控前端主要由視頻采集模塊、主控制模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊等組成。其硬件框架［1－2］如圖 2 所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)中S3C6410處理器用于接收控制攝像頭所獲取的視頻信號(hào)，其內(nèi)部集成有用于進(jìn)行基于H.264壓縮編碼的多媒體編解碼器(MFC)。此外，JTAG主要用于程序的下載;SDRAM用于存取系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序;NAND Flash用于存儲(chǔ)固化程序;串口用于調(diào)試程序和打印輸出信息。

系統(tǒng)主芯片采用最新的ARM11處理器S3C6410。Flash為32 Mbyte的NAND型，存放有嵌入式視頻采集前端的根文件系統(tǒng)、啟動(dòng)代碼和內(nèi)核代碼。并且在Flash管理方面，根文件系統(tǒng)采用的是最新的YAFFS可讀寫文件系統(tǒng)。為了使本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，本系統(tǒng)采用2片共64 Mbyte的SDARM，這樣就可流暢地運(yùn)行Linux系統(tǒng)及應(yīng)用程序。網(wǎng)卡采用AX88796以太網(wǎng)控制器，該網(wǎng)卡是10/100 Mbit/s自適應(yīng)通信速率，通過它可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的連接。攝像頭采用市場(chǎng)上普通的模擬攝像頭，通過SAA7113芯片，攝像頭采集的模擬信號(hào)將被轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳送給MFC模塊。

3 監(jiān)控前端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控前端的軟件設(shè)計(jì)由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建和應(yīng)用軟件組成。嵌入式系統(tǒng)部分包括Bootloader、Linux內(nèi)核、交叉編譯器、驅(qū)動(dòng)等，具體構(gòu)架如圖3所示。

圖3 嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

基本的嵌入式運(yùn)行環(huán)境由引導(dǎo)程序、Linux內(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成。應(yīng)用層軟件通過控制Camera IF接口接收攝像頭(SAA7113)采集的數(shù)據(jù)，并將其傳送給硬件編解碼(MFC)模塊;然后把從MFC模塊得到的H.264碼流打包發(fā)送到IP網(wǎng)絡(luò)上;監(jiān)控終端通過網(wǎng)絡(luò)接收視頻數(shù)據(jù)包，并解碼實(shí)時(shí)播放。

3.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)的定制

本系統(tǒng)采用Linux2.6.21作為嵌入式平臺(tái)的操作系統(tǒng)。在對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行裁剪后，保留了本系統(tǒng)所需的NAND Sevice Support、MTD分區(qū)、UDP協(xié)議以及套接字、NFS文件系統(tǒng)、framebuffer等驅(qū)動(dòng)。通過運(yùn)用交叉編譯器編譯，即可得到ARM處理器能夠運(yùn)行的文件。再將鏡像文件通過Bootloader下載到目標(biāo)板的Dataflash中［3］。

3.2 應(yīng)用層軟件的開發(fā)

應(yīng)用層軟件是本系統(tǒng)的核心，主要功能是響應(yīng)用戶的連接請(qǐng)求、視頻采集、編碼壓縮和數(shù)據(jù)發(fā)送［4］。該程序的實(shí)現(xiàn)過程主要包括2個(gè)線程:第1個(gè)為主線程，第2個(gè)線程主要任務(wù)是處理用戶的連接。

第1個(gè)線程的流程如圖4所示。

圖4 主函數(shù)流程圖

第2個(gè)線程的流程如圖5所示。

圖5 用戶線程流程圖

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的功能是為了實(shí)現(xiàn)H.264視頻碼流的傳輸?，F(xiàn)行的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議主要有TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議。為了提高視頻碼流的傳輸速度和實(shí)時(shí)性，本設(shè)計(jì)采用UDP協(xié)議作為C/S模型的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。在監(jiān)控前端，網(wǎng)絡(luò)編程通過socket接口進(jìn)行，通過listen()函數(shù)和send()函數(shù)完成客戶端的監(jiān)聽、連接的建立和數(shù)據(jù)的發(fā)送等功能［5］。網(wǎng)絡(luò)編程過程中用到的socket函數(shù)主要有:

1)int listen(SOCKET s，int backlog)

listen函數(shù)的作用是將制定的套接字設(shè)置為偵聽模式。其中，第1個(gè)參數(shù)是套接字描述符;第2個(gè)參數(shù)(backlog)是等待連接隊(duì)列的最大長(zhǎng)度。

2)int bind(SOCKET s，const struct sockaddr FAR*name，int namelen)

通過bind函數(shù)，將創(chuàng)建的套接字綁定在本地的某個(gè)地址或端口上。參數(shù)SOCKET用來指定需要綁定的套接字，而參數(shù)name主要用來指定該套接字的本地地址信息;參數(shù)namelen則用于指定該地址信息結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。

3)int send(SOCKET s，const char FAR*buf，int len，int flags)

send函數(shù)主要借用已建立連接的套接字進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。參數(shù)SOCKET代表已經(jīng)建立連接的套接字;參數(shù)buf則用于指向一個(gè)緩沖區(qū);參數(shù)len是已經(jīng)制定的緩沖區(qū)的長(zhǎng)度;參數(shù)flags設(shè)定的值一般為0，該參數(shù)的設(shè)置值將影響函數(shù)的行為。

4)int recv(SOCKET s，char FAR*buf，int len，int flags)

recv函數(shù)的主要功能是從一個(gè)已連接的套接字接收數(shù)據(jù)。參數(shù)SOCKET用于接收數(shù)據(jù)而建立的套接字;參數(shù)buf用于指向一個(gè)用來保存數(shù)據(jù)的緩沖區(qū);參數(shù)len表明所指向的緩沖區(qū)的長(zhǎng)度;參數(shù)flags通常設(shè)置為0。

5)SOCKET accept(SOCKET s，struct sockaddr FAR*addr，int FAR* addrlen)

accept函數(shù)用來接收客戶端發(fā)送的連接請(qǐng)求。參數(shù)SOCKET是套接字描述符;參數(shù)addr是指向一個(gè)緩沖區(qū)的指針;參數(shù)addrlen是指向一個(gè)整型的指針。

3.2.2 視頻編碼模塊MFC

本文采用MFC模塊進(jìn)行H.264視頻壓縮編碼，主要原因是多媒體編解碼模塊MFC被集成到S3C6410處理器內(nèi)部。MFC模塊具有高性能的視頻編解碼功能，支持MPEG－4，H.263，H.264 的編解碼［1］。本文采用 H.264 編碼，其工作流程如圖6所示。

圖6 MFC應(yīng)用程序流程圖

其中，在調(diào)用MFC模塊中要用到的主要語句有:

4 客戶端播放程序設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端是一臺(tái)運(yùn)行Windows系統(tǒng)的PC機(jī)，主要負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)接收壓縮包，并使用Avcodec進(jìn)行解碼顯示［6－8］，其主程序工作流程如圖7 所示。

圖7 客戶端程序流程圖

終端監(jiān)控打開后，程序首先試圖讀取用戶設(shè)定的參數(shù)。得到參數(shù)后，PC機(jī)端就會(huì)創(chuàng)建套接字，并與監(jiān)控前端建立連接。正確連接后，監(jiān)控終端就會(huì)向前端發(fā)送視頻請(qǐng)求，監(jiān)控前端在接收到服務(wù)請(qǐng)求之后會(huì)將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到PC終端。PC終端在接收到視頻碼流之后通過ffmpeg解碼后顯示。同時(shí)，視頻接收端不停地判斷用戶線程是否保持運(yùn)行，只要用戶線程一直保持運(yùn)行，客戶端就不停地向監(jiān)控前端請(qǐng)求視頻數(shù)據(jù)，PC端就可得到連續(xù)的視頻畫面。

5 系統(tǒng)性能測(cè)試

測(cè)試環(huán)境為:內(nèi)線采用速率為10 Mbit/s的實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)Intranet;客戶端采用PC機(jī)，主頻為2.7 GHz，內(nèi)存為2 Gbyte;監(jiān)控前端為本文設(shè)計(jì)的ARM11視頻采集前端。系統(tǒng)中設(shè)置采集分辨力為640×480，視頻監(jiān)控效果如圖8所示，視頻播放速度達(dá)到了30 f/s(幀/秒)，在監(jiān)控移動(dòng)目標(biāo)時(shí)比較流暢，無抖動(dòng)現(xiàn)象，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 監(jiān)控終端

6 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了基于ARM11芯片的IP網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。由于該方案采用了新一代的ARM11處理器和先進(jìn)的 H.264視頻壓縮技術(shù)，使其具有如下優(yōu)點(diǎn):1)S3C6410微處理器內(nèi)嵌的多媒體處理模塊MFC，使該系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上無須考慮視頻編解碼部分，大大降低了成本，縮短了研發(fā)周期;2)先進(jìn)的H.264視頻壓縮技術(shù)的采用，使該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的高度壓縮，大大減少了系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的占用，非常適用于帶寬資源受限的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

［1］郭巧云，許雪梅，李岸，等.基于ARM11的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(8):1786－1789.

［2］唐永彬，楊恢東，墨芹.基于ARM11的嵌入式Web網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2011，35(9):122－124.

［3］羅蕾.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［4］馮麗芳，孫俊，周俊華，等.基于ARM9的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2006，10(26):95－98.

［5］孫瓊.嵌入式Linux應(yīng)用程序開發(fā)詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［6］張?jiān)拼?，王正勇，卿粼波，?基于ARM的便攜式視頻解碼終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2009，24(35):232－234.

［7］郭盛榮.基于Linux的開放式媒體播放器研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2006.

［8］林德彬，趙慧民，譚恒良.基于ARM嵌入式局域網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2006，30(9):88－89.