劉竹林（湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院　電子工程系，湖北十堰442000）

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基于Linux的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉竹林
（湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，湖北十堰442000）

摘要：本系統(tǒng)以ARM處理器和攝像頭作為視頻監(jiān)控服務(wù)端，完成視頻的采集、壓縮編碼、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?；以PC機(jī)作為監(jiān)控終端，完成視頻解碼、遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)顯示、視頻保存等功能。通過實(shí)驗(yàn)，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確與合理；視頻清晰連續(xù)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞：嵌入式；ARM；Linux；視頻監(jiān)控；V4L；RTP/RTCP

0　引言

本文針對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)一個(gè)視頻采集系統(tǒng)，把采集到的視頻在液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示出來并且能夠通過USB接口把視頻保存U盤中，以達(dá)到對(duì)某個(gè)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。系統(tǒng)的控制沒有采用傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)或者網(wǎng)絡(luò)方式，而是采用觸摸屏的方式，用戶使用起來比傳統(tǒng)的視頻采集系統(tǒng)更加方便靈活。整個(gè)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)、交通監(jiān)控和醫(yī)院病房監(jiān)護(hù)室等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1　視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案介紹

方案1：視頻采集芯片+DSP處理器。運(yùn)算速度快，圖像處理能力強(qiáng)但沒有操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，功能擴(kuò)展比較難。

方案2：嵌入式處理器+DSP處理器。運(yùn)算速度快、圖像處理能力強(qiáng)，且有完備的操作系統(tǒng)功能但具有兩塊芯片，設(shè)計(jì)、調(diào)試、實(shí)現(xiàn)較難，系統(tǒng)成本偏高。

方案3：視頻采集芯片+嵌入式處理器。攝像頭作為視頻采集前端，成本低廉，而且基于ARM開發(fā)視頻采集、編碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)瘸绦蚍奖沆`活。S3C2440主頻400M，而且局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)帶寬也很高，實(shí)時(shí)性良好。

2　監(jiān)控系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

本嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用中微星ZC301系列攝像頭進(jìn)行視頻采集，采用s3c2440微處理器作為視頻采集前端處理器，將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)需要對(duì)視頻進(jìn)行存儲(chǔ)，在用戶控制終端可對(duì)多點(diǎn)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)視頻畫面進(jìn)行切換。本系統(tǒng)主要功能模塊如圖1所示。

圖1　主要硬件模塊結(jié)構(gòu)

3　監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件模塊分為兩個(gè)部分，包括基于ARM平臺(tái)的服務(wù)端程序和基于PC的監(jiān)控終端程序。軟件模型如圖2所示。

圖2　軟件模塊結(jié)構(gòu)

ARM平臺(tái)作為服務(wù)端，負(fù)責(zé)視頻圖像采集、編碼壓縮、視頻圖像發(fā)送等功能；PC平臺(tái)作為客戶監(jiān)控終端，完成視頻圖像的接收、視頻解碼、視頻顯示、視頻存儲(chǔ)等功能。功能模塊的解決方案如下：

3.1視頻采集模塊

視頻采集是整個(gè)視頻采集的核心模塊。它通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)調(diào)度V4L（video41inux）和影像設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來完成視頻捕獲。在Linux操作系統(tǒng)中，外部設(shè)備都作為設(shè)備文件來管理，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)攝像頭通過USB接口連接到視頻采集終端后，在程序中調(diào)用V4LAPIs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。具體流程如圖3。

圖3　視頻采集的流程

3.2視頻壓縮編碼模塊

在本設(shè)計(jì)中，采用最基本的JPEG算法，其主要步驟為：首先，通過離散余弦變換（DCT）去除數(shù)據(jù)冗余；其次，使用量化表對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化；最后，采用Huaffman可變字長編碼對(duì)量化后的DCT系數(shù)進(jìn)行編碼，使其熵達(dá)到最小。通過實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)壓縮效果良好，圖像壓縮率可以達(dá)到70%左右。

3.3網(wǎng)絡(luò)通信模塊

主要是接收和發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解包和封裝。控制指令采用TCP傳輸協(xié)議，視頻數(shù)據(jù)采用RTP/RTCP傳輸協(xié)議。具體流程如圖5。

圖5　RTP傳輸流程

3.4視頻顯示模塊

將對(duì)從服務(wù)端接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行MPEG-4解碼處理，以用于視頻顯示模塊。具體流程如圖6所示。

3.5視頻文件存儲(chǔ)模塊

此功能模塊主要用于保存視頻文件到硬盤，開辟緩沖區(qū)存放壓縮后的視頻數(shù)據(jù)，線程不斷從該緩沖區(qū)讀取視頻數(shù)據(jù)，然后把這些視頻數(shù)據(jù)保存為avi格式。具體流程如圖7所示。

圖6　顯示視頻流程

圖7　視頻保存流程

4　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

本監(jiān)控系統(tǒng)采用15fps采集視頻數(shù)據(jù)，分辨率為320×240，視頻圖像實(shí)時(shí)性較好，視頻采集分辨率最高可以達(dá)到640×480。對(duì)視頻圖像能夠及時(shí)備份，備份視頻文件播放流暢，畫面清晰，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

［1］朱鵬，李春文.基于RTP的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003（26）：18-20.

［2］王永剛，章堅(jiān)武.3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（34）：56-57.

Design and Realization of Wireless Video Surveillance System Based on Linux

LIU Zhu-lin
（Dept. of Electronics Engineering，Hubei Industrial Polytechnic，Shiyan 442000，China）

Abstract:This system can complete the function of video capture，compression coding，data transmission，video decoding，real time remote video display and video preservation with ARM processor and camera as video surveillance server. Experiment proves that the system design is correct and reasonable，and video performance is clear and the system runs continuously stable.

Key words:embedded；ARM；Linux；video surveillance；V4L；RTP/RTCP

中圖分類號(hào)：TN47；TP36

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8153（2016）02-0102-03

收稿日期：2016-03-18

作者簡(jiǎn)介：劉竹林（1980-），男，湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系副教授，碩士，研究方向：嵌入式技術(shù)。