武 穎，李 博，南春輝

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

隨著嵌入式技術(shù)、信息通信技術(shù)的高速發(fā)展，基于嵌入式的多媒體視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于市面上的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)大多采用24 h實時監(jiān)控，使得一些不需要實時監(jiān)控的使用者比如家庭用戶等浪費了很多系統(tǒng)資源，功耗小、能耗低的產(chǎn)品才是現(xiàn)今倡導(dǎo)的低碳社會的主流。為了滿足這些新條件的需求，本文提出了一種以ARM11為核心芯片，基于Linux的觸發(fā)式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)無人時待機，有陌生人入侵時開機監(jiān)控，并將監(jiān)控視頻信息傳至服務(wù)器進行處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計

觸發(fā)式視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為嵌入式監(jiān)控終端和客戶服務(wù)器兩個部分。嵌入式監(jiān)控終端基于三星公司S3C6410嵌入式微處理器，采用開源的Linux操作系統(tǒng)。紅外傳感器負(fù)責(zé)判斷監(jiān)控現(xiàn)場是否有陌生人入侵，攝像頭負(fù)責(zé)采集圖像?？蛻舴?wù)器為PC機，通過局域網(wǎng)與嵌入式監(jiān)控終端相連。工作流程如下:

1)陌生人入侵時觸發(fā)紅外傳感器，嵌入式監(jiān)控終端將報警信息發(fā)送至服務(wù)器。

2)系統(tǒng)根據(jù)服務(wù)器命令驅(qū)動攝像頭采集視頻，并將數(shù)據(jù)傳遞至服務(wù)器。

系統(tǒng)設(shè)計與流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計與流程示意圖

2 硬件平臺設(shè)計

嵌入式監(jiān)控終端的硬件平臺選用TE6410開發(fā)板。TE6410開發(fā)板基于三星公司ARM11(ARM1176J ZF-S)處理器S3C6410，是一款低功耗、高性價比的RSIC處理器，主頻可穩(wěn)定運行在667 MHz以上，內(nèi)置強大的硬件加速器(運動視頻音頻處理、2D/3D加速、顯示處理和縮放等);集成了一個MFC支持MPEG-4/H.263/H.264編解碼;帶有128 Mbyte的DDR內(nèi)存，1 Gbyte的MLC NAND Flash;板上集成了多種高端接口如USB、SD、LCD、以太網(wǎng)、外部存儲器接口以及工業(yè)CAN總線、RS-485總線，支持Linux操作系統(tǒng)［1］。

攝像頭采用臺電USB攝像頭慧眼MK02。紅外傳感器采用幕簾紅外探測器SP-9923。

客戶服務(wù)器采用聯(lián)想PC機:酷睿2雙核，CPU主頻2.93 GHz，內(nèi)存3 Gbyte，操作系統(tǒng)為Microsoft Windows XP Professional SP3。

硬件平臺設(shè)計如圖2所示。

圖2 硬件平臺結(jié)構(gòu)圖

3 軟件平臺設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)的軟件采用主機-目標(biāo)機模式進行開發(fā)。主機的操作系統(tǒng)為Ubuntu-11.10，在主機中安裝交叉編譯工具arm-linux-gcc 4.3.2。然后，依次完成Uboot和Linux-2.6.36內(nèi)核的編譯及移植，燒寫cramfs文件系統(tǒng)。

3.1 紅外監(jiān)控模塊

紅外監(jiān)控模塊由紅外信號采集模塊和報警模塊組成。

紅外模塊根據(jù)繼電器特性判斷是否有陌生人入侵，如果有，調(diào)用報警模塊。本模塊無特殊算法，采用無限循環(huán)方式采集紅外信息并進行處理，流程圖見圖3，實現(xiàn)代碼如下:

ret=read(key，&keyval，sizeof(keyval));

if(keyval==128)

{printf(”Invalid coming! ”);

keyval=0;

if(devsta==ON)

alarming();}

報警模塊采用順序結(jié)構(gòu)，流程圖見圖4。

3.2 視頻采集模塊

3.2.1 加載攝像頭驅(qū)動

本系統(tǒng)使用的攝像頭采用2.6.36內(nèi)核支持的zc301芯片(中星微公司生產(chǎn))。直接在內(nèi)核配置中啟用zc301驅(qū)動即可。

源碼目錄/arch/arm/boot/中將生成新的zImage文件，用DNW將新內(nèi)核下載至開發(fā)板。開發(fā)板重啟后，便可實現(xiàn)zc301驅(qū)動的正確加載，正確接入后會自動顯示［2］。

3.2.2 視頻采集程序設(shè)計

視頻采集的程序設(shè)計基于Video4Linux模塊提供的API函數(shù)。Video4Linux是Linux系統(tǒng)中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動，為Linux系統(tǒng)所支持的USB芯片攝像頭提供統(tǒng)一的編程接口。具體信息保存在include/linux/videodev.h和drivers/media/video/videodev.c文件中。流程圖如圖5所示。

1)設(shè)備的初始化

首先打開攝像頭設(shè)備。攝像頭在系統(tǒng)中對應(yīng)的設(shè)備文件為/dev/video0，采用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)打開。打開攝像頭使用open函數(shù):vd→fd=open(dev，O_RDWR)。接著利用I/O控制函數(shù)ioctl讀取攝像頭的相關(guān)信息，攝像頭的結(jié)構(gòu)體為stuct video_capability。

圖5 視頻采集流程圖

該函數(shù)得到正確的返回值后，從內(nèi)核空間將信息復(fù)制到用戶空間c_cap各個分量中，通過調(diào)用printf函數(shù)得到各個分量的信息。之后分別調(diào)用ioctl函數(shù)對c_pic、c_window函數(shù)進行操作，完成對視頻窗口和采集圖像屬性的設(shè)置［3］。

2)視頻的截取

設(shè)備成功初始化后，進行視頻圖像的截取。使用的方法有通過read()函數(shù)直接讀取和通過mmap()內(nèi)存映射兩種。

內(nèi)存映射的方法繞過了內(nèi)核緩沖區(qū)，進程之間通過映射同一個文件實現(xiàn)共享內(nèi)存，訪問文件時可以像訪問普通內(nèi)存一樣，不必再調(diào)用read()、write()等函數(shù)，各個進程之間可以及時看到彼此共享內(nèi)存中數(shù)據(jù)的更新，提高了訪問的速度和實時性。所以在這里，采用內(nèi)存映射的方法來實現(xiàn)。

該函數(shù)的原型為:buf=void*mmap(void*addr，size_t len，int flags，int fd，off_t offset)。

mmap()調(diào)用后，設(shè)備文件映射到內(nèi)存區(qū)，不同進程可以共享以及進行讀寫操作。函數(shù)成功調(diào)用后將返回指向該映像內(nèi)存區(qū)的指針。

3)視頻數(shù)據(jù)的采集

Video4Linux一次可以進行最多32幀的采集，因此，需要設(shè)置采集的幀數(shù)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小，然后調(diào)用ioctl函數(shù)連續(xù)采集數(shù)據(jù)，當(dāng)緩沖區(qū)的剩余空間不足，不能保存一個完整的數(shù)據(jù)幀時，停止操作。實現(xiàn)連續(xù)采集的程序如下:

for(f=0;f＜bufframes;f++)

{

mapbuf.f=f;

if(ioctl(cam，VIDEOCMCAPTURE，

&c_mbuf)＜0)

{

perror(“VIDEOCMCAPTURE”);

exit(-1);

}

}

3.2.3 視頻編碼程序設(shè)計

本系統(tǒng)使用編碼軟件FFmpeg，一種開源的MPEG-4視頻編碼器，對視頻圖像進行壓縮編碼。實現(xiàn)MPEG-4編碼的步驟如下:

1)初始化avcodec_init()，在使用avcodec庫之前調(diào)用，初始化靜態(tài)數(shù)據(jù)。

2)注冊編碼器:

register_avcodec(&mpeg4_encoder)

3)編碼過程:

(1)獲取設(shè)置的編碼器:

codec=avcodec_find_encoder(CODEC_ID_MPEG4);

cod=avcodec_alloc_context();

picture=avcodec_alloc_frame();

(2)初始化編碼參數(shù):

cod-＞bit_rate=400000;

cod-＞width=352;

cod-＞height=288;

cod-＞frame_rate=30;

avcodec_open(cod，codec);

(3)開始分配空間:

outbuf_size=100000;

outbuf=malloc(outbuf_size);

size=cod-＞width*cod-＞height;

picture_buf=malloc((size*3)/2);

(4)獲取待壓縮圖像:

picture-＞data［0］=yuv_buffer;

picture-＞data［1］=yuv_buffer+size;

picture-＞data［2］=yuv_buffer+size+size/4;

(5)調(diào)用MPV_encode_picture［4］:

out_size=avcodec_encode_video(cod，outbuf，outbuf_size，picture)。

3.3 視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

網(wǎng)絡(luò)傳輸程序的設(shè)計過程實際上是嵌入式流媒體服務(wù)器的搭建過程，是觸發(fā)式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸部分。它以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)構(gòu)建，需要實現(xiàn)RTP、HTTP、TCP和UDP等協(xié)議，擁有IP地址，將設(shè)備接入Internet，通過RTP或者HTTP協(xié)議，客戶服務(wù)器與嵌入式監(jiān)控終端建立連接，用流媒體播放軟件播放實時圖像數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸原理圖如圖6所示。

圖6 視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸原理圖

通過兩個線程實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸:首先是不斷循環(huán)的主線程，申請服務(wù)器套接字后監(jiān)聽指定端口，創(chuàng)建第二個線程;另一個線程專門處理用戶連接，接收用戶請求并返回適當(dāng)?shù)腗PEG圖像數(shù)據(jù)［5］。流程圖如圖7所示。

圖7 主線程和用戶處理子線程流程圖

相關(guān)的核心函數(shù)主要有:

1)初始化RTP包和RTCP包，填充包信息:

static void init_rtp_packet(struct rtp_packet*ep)

static void init_rtp_packet(struct rtcp_packet*ep)

2)刪除已發(fā)送的RTP包:

void del_rtp_endpoint(struct rtp_stream*ep)

3)更新時間戳:

void update_rtp_timestamp(struct rtp_stream*rtp，int time_increment)

4)讀取接收反饋的數(shù)據(jù)包:

static void udp_rtcp_read(void*d)

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種以ARM11為核心芯片的觸發(fā)式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在中北大學(xué)圖像處理與智能控制實驗室中進行了實地測試。結(jié)果顯示，從紅外觸發(fā)到視頻采集的延遲不超過1 s，視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時在5 h內(nèi)不超過1.5 s，達到了設(shè)計預(yù)期。

［1］汪慶年，孫麗兵，李桂勇.一種基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微計算機信息，2009(4):158-160.

［2］李峰，秦嘉凱.基于嵌入式Linux的實時網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電視技術(shù)，2011，35(23):145-148.

［3］楊水清，張劍，施云飛.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［4］許志飛，姚正林.基于ARM的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微計算機信息，2010(9):105-106.

［5］趙宇峰.基于嵌入式Linux的實時視頻通信的實現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2012，36(19):189-192.