【摘 要】本文介紹了一種基于嵌入式 linux 的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。首先介紹了網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)；其次闡述了系統(tǒng)總體方案包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)利用linux操作系統(tǒng)內(nèi)建的video4linux對(duì)攝像頭進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了將USB攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存為圖片的功能。文章最后給出了基于所建平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，即在上述所建的軟硬件平臺(tái)上創(chuàng)建Web服務(wù)器Boa，遠(yuǎn)程客戶端用戶通過(guò)IE瀏覽器可直接訪問(wèn)服務(wù)器，進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】嵌入式linux，USB攝像頭，Boa，視頻監(jiān)控

1緒論

1.1視頻監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)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。前者技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟、性能穩(wěn)定，并在實(shí)際工程應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用；后者是新近崛起的以計(jì)算機(jī)技術(shù)及圖像視頻壓縮為核心的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了模擬系統(tǒng)部分弊端而迅速崛起，但仍需進(jìn)一步完善和發(fā)展。目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)正處在數(shù)控模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)混合應(yīng)用并將逐漸向數(shù)字系統(tǒng)過(guò)渡的階段。

1、數(shù)字信號(hào)控制的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)字信號(hào)控制的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為基于微處理器的視頻切換控制加 PC 多媒體管理和基于 PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣主機(jī)的切換控制及對(duì)系統(tǒng)的多媒體管理兩種類型。

2、數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)今市場(chǎng)上有兩種數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)類型，一種是以數(shù)字錄像設(shè)備為核心的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，另一種是以嵌入式視頻 Web 服務(wù)器為核心的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2視頻監(jiān)控系統(tǒng)的趨勢(shì)

前端一體化、視頻數(shù)字化、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成化是視頻監(jiān)控系統(tǒng)公認(rèn)的發(fā)展方向，而數(shù)字化是網(wǎng)絡(luò)化的前提，網(wǎng)絡(luò)化又是系統(tǒng)集成化的基礎(chǔ)，所以，視頻監(jiān)控發(fā)展的最大兩個(gè)特點(diǎn)就是數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。

（1）數(shù)字化

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化首先應(yīng)該是系統(tǒng)中信息流（包括視頻、音頻、控制等）從模擬狀態(tài)轉(zhuǎn)為數(shù)字狀態(tài)，這將徹底打破“經(jīng)典閉路電視系統(tǒng)是以攝像機(jī)成像技術(shù)為中心”的結(jié)構(gòu)，根本上改變視頻監(jiān)控系統(tǒng)從信息采集、數(shù)據(jù)處理、傳輸、系統(tǒng)控制等的方式和結(jié)構(gòu)形式。信息流的數(shù)字化、編碼壓縮、開放式的協(xié)議，使視頻監(jiān)控系統(tǒng)與安防系統(tǒng)中其它各子系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，并在統(tǒng)一的操作平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)管理和控制，這也是系統(tǒng)集成化的含義。

（2）網(wǎng)絡(luò)化

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化將意味著系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將由集總式向集散式系統(tǒng)渡。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化在某種程度上打破了布控區(qū)域和設(shè)備擴(kuò)展的地域和數(shù)量界限。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化將使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件和軟件資源的共享以及任務(wù)和負(fù)載的共享，這也是系統(tǒng)集成的一個(gè)重要概念。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本課題的設(shè)計(jì)目的是：設(shè)計(jì)一種嵌入式視頻服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)把USB攝像頭采集到的信息通過(guò)USB口傳輸給CPU處理器，CPU處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮打包，并通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送出去。使任意一臺(tái)連接到該網(wǎng)絡(luò)上的PC機(jī)都能觀看攝像頭處的視頻信息，PC機(jī)通過(guò)串行口可以做出相應(yīng)的控制。

本系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)為：

1 嵌入式視頻服務(wù)器實(shí)現(xiàn)：視頻圖像采集、存儲(chǔ)和壓縮編碼工作，并通過(guò)Internet傳輸圖像到遠(yuǎn)端主機(jī)。

2 PC機(jī)端可以對(duì)圖像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)處理如解壓顯示，也可通過(guò)信息交互對(duì)該設(shè)備終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制如設(shè)置攝像頭采集圖像的分辨率、亮度、對(duì)比度等參數(shù)。

3 視頻采集設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 Video4Linux簡(jiǎn)介

Video41inux（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，video41inux可以讓我們實(shí)現(xiàn)影像采集、AM/FM無(wú)線廣播、影像CODEC、視頻切換等功能，經(jīng)常使用在需要采集圖像的場(chǎng)合，如視頻監(jiān)控，webcam，可視電話。V4L經(jīng)常應(yīng)用在embedded linux中，是linux嵌入式開發(fā)中經(jīng)常使用的系統(tǒng)接口。它是linux內(nèi)核提供給用戶空間的編程接口，各種的視頻和音頻設(shè)備開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序后，就可以通過(guò)V4L提供的系統(tǒng)API來(lái)控制視頻和音頻設(shè)備，也就是說(shuō)V4L分為兩層，底層為音視頻設(shè)備在內(nèi)核中的驅(qū)動(dòng)，上層為系統(tǒng)提供的API，而對(duì)于我們來(lái)說(shuō)需要的就是使用這些系統(tǒng)的API。

3.2攝像頭采集程序的編寫

Linux下視頻編程的基本步驟是：

1、打開視頻設(shè)備；2、讀取設(shè)備信息；3、更改設(shè)備信息（如果有必要的話）；4、進(jìn)行視頻采集（有兩種方法，這里采用read的方式）；5、對(duì)采集的視頻進(jìn)行處理（使用servfox的代碼實(shí)現(xiàn)了jpeg壓縮與保存）；6、關(guān)閉視頻設(shè)備。

4 基于Boa的嵌入式Web服務(wù)器的視頻傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

4.1嵌入式Web服務(wù)器簡(jiǎn)介

嵌入式設(shè)備資源一般都比較有限，并且不需要能同時(shí)處理很多用戶的請(qǐng)求，因此這里不使用Linux下最常用的如Apache等服務(wù)器，而需要使用一些專門為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的Web服務(wù)器，這些Web服務(wù)器在存貯空間和運(yùn)行時(shí)所占有的內(nèi)存空間上都非常適合于嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合。典型的嵌入式Web服務(wù)器有Boa和thttpd等，它們和Apache等高性能的Web服務(wù)器主要的區(qū)別在于它們一般是單進(jìn)程服務(wù)器，只有在完成一個(gè)用戶請(qǐng)求后才能響應(yīng)另一個(gè)用戶的請(qǐng)求，而無(wú)法并發(fā)響應(yīng)，但這在嵌入式設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合里已經(jīng)足夠了。

Boa是一個(gè)單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，跟傳統(tǒng)的Web服務(wù)器有所不同，它不為每一個(gè)訪問(wèn)的連接單獨(dú)開啟一個(gè)進(jìn)程，而是通過(guò)建立HTTP請(qǐng)求列表來(lái)處理多路HTTP連接請(qǐng)求。Boa對(duì)所有活動(dòng)的HTTP連接在內(nèi)部進(jìn)行處理， 而只為每個(gè)CGI程序啟動(dòng)新的進(jìn)程。因此Boa在同等硬件條件下節(jié)省了系統(tǒng)資源，顯示出了更快的速度，這對(duì)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。同時(shí)它還具有自動(dòng)解壓文件、自動(dòng)創(chuàng)建目錄等功能，在嵌入式系統(tǒng)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

4.2 基于Boa的嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)分析系統(tǒng)的功能需求可知，要設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，首先要設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，然后再在該嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做視頻處理，以及網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。本設(shè)計(jì)采用基于Linux的嵌入式系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是將視頻前端和嵌入式Web服務(wù)器整合在一起，采集數(shù)字?jǐn)z像頭傳送來(lái)的視頻信號(hào)，通過(guò)USB總線傳送到Web服務(wù)器。Web 服務(wù)器接上網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上用戶可以用IE觀看Web服務(wù)器上的監(jiān)控圖像。由于把視頻采集壓縮和Web功能集成到一個(gè)設(shè)備內(nèi)，直接接入網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到即插即看，省掉很多復(fù)雜的電路，在有網(wǎng)絡(luò)接口的地方都可以直接使用，安裝簡(jiǎn)單使用方便。系統(tǒng)的工作原理是利用嵌入式Linux和ARM9控制器建立Web服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器接收來(lái)自瀏覽器的指令并采集USB 攝像頭的視頻圖像，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向?yàn)g覽器傳輸視頻，從而達(dá)到遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的目的。

基于ARM的嵌入式視頻服務(wù)器主要由兩部分組成：服務(wù)器端部分和客戶端部分。服務(wù)器端部分包括圖像采集驅(qū)動(dòng)程序模塊、視頻數(shù)據(jù)采集壓縮模塊、視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。服務(wù)器端首先要搭建好嵌入式Linux平臺(tái)，在ARM 硬件平臺(tái)成功構(gòu)建了arm-linux嵌入式系統(tǒng)：包括引導(dǎo)程序Boodoader的設(shè)計(jì)、修改配置linux內(nèi)核以及制作JFFS2文件系統(tǒng)。服務(wù)器端部分的主要功能為：圖像傳感器M1360采集的RGB原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字壓縮芯片ZC0301壓縮編碼后輸出JPEG格式的二進(jìn)制位流。然后經(jīng)由Linux視頻子系統(tǒng)video4Linux采集，通過(guò)UDP協(xié)議的口多播方式將采集的一幀JPEG圖像的二進(jìn)制位流通過(guò)RJ45接口發(fā)送到瀏覽器客戶端。客戶端部分的主要功能為：在微處理器S3C2410的嵌入式Linux系統(tǒng)上移植嵌入式WEB服務(wù)器Boa，實(shí)現(xiàn)與視頻服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信、視頻圖像顯示等功能，并通過(guò)WEB服務(wù)器發(fā)布，這樣就可以通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)WEB服務(wù)器IP對(duì)遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

結(jié) 論

在上述搭建的軟硬件平臺(tái)上創(chuàng)建Web服務(wù)器，提出了基于Boa的嵌入式Web服務(wù)器的解決方案和利用java接口基于C語(yǔ)言動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器頁(yè)面的實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)PC機(jī)IE瀏覽器可以直接控制目標(biāo)板上的硬件和可執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)板的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

遠(yuǎn)程客戶端用戶通過(guò)IE瀏覽器訪問(wèn)嵌入式視頻服務(wù)器，實(shí)際測(cè)試效果表明，實(shí)時(shí)視頻圖像傳輸流暢，無(wú)明顯延遲和抖動(dòng)，本嵌入式視頻服務(wù)器具有可行性、穩(wěn)定性和較高的性價(jià)比，滿足了實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控的需要，具有一定的實(shí)用價(jià)值，可作為實(shí)驗(yàn)室的嵌入式應(yīng)用二次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于產(chǎn)品開發(fā)及教學(xué)工作。

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