張海嬌 孫文勝

摘 要：隨著城市建設(shè)數(shù)字化、智慧化、管理遠(yuǎn)程化、生產(chǎn)異地化，安防和智能管理技術(shù)擁有越來越廣闊的發(fā)展前景。針對(duì)監(jiān)控產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)需求，提出了一種以O(shè)K6410嵌入式ARM開發(fā)板為硬件平臺(tái)，以Linux-3.6.0為軟件平臺(tái)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。描述了整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)以及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了V4L2視頻框架設(shè)計(jì)以及CMOS攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像捕捉的過程，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了循環(huán)鏈表緩沖池，明顯緩解了輸入輸出同步問題，提高了程序健壯性。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能較好地為多個(gè)用戶同時(shí)提供實(shí)時(shí)視頻服務(wù)，具有較高的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，并擁有日志記錄功能。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控系統(tǒng);Linux;OK6410;V4L2;緩沖池

DOI：10. 11907/rjdk. 182098

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）003-0121-05

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展和人們安防意識(shí)的提升，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用 [1]。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：第一階段為已經(jīng)退出歷史舞臺(tái)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)[2];第二階段為目前小范圍使用的PC機(jī)插卡式監(jiān)控系統(tǒng)[3];第三階段為當(dāng)今普遍使用的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)[4]。

目前，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐步向移動(dòng)化和全數(shù)字化演進(jìn)[5]，移動(dòng)視頻監(jiān)控[6]、基于IPV的視頻監(jiān)控[7]、滿足數(shù)字化家庭需求的視頻監(jiān)控[8]均以嵌入式技術(shù)為依托。隨著嵌入式處理器性能的不斷提高，嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。

為在嵌入式芯片上進(jìn)行多種方式擴(kuò)展，本系統(tǒng)選用資源容量和圖像處理能力較為強(qiáng)大的OK6410開發(fā)板作為硬件平臺(tái)，利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核搭建軟件平臺(tái)，為多個(gè)用戶同時(shí)提供實(shí)時(shí)視頻服務(wù)。系統(tǒng)在V4L2視頻框架[9]中新定義了攝像頭捕捉結(jié)構(gòu)體，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了V412框架操作，實(shí)現(xiàn)用戶查看監(jiān)控視頻中重要畫面的抓圖功能;同時(shí)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了適用于本系統(tǒng)的循環(huán)鏈表緩沖池，以及采用適當(dāng)?shù)木€程同步機(jī)制對(duì)緩沖池進(jìn)行讀寫操作，使系統(tǒng)可以明確分離輸入輸出設(shè)備，增強(qiáng)程序健壯性，提高系統(tǒng)模塊化水平;充分利用OK6410的開發(fā)資源，加入日志記錄功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試控制，保障運(yùn)行穩(wěn)定性，為日后系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展提供支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C/S（客戶/服務(wù)）架構(gòu)[10]，通過個(gè)人PC上通用的http服務(wù)，用戶不需要安裝客戶端即可在網(wǎng)頁上獲取監(jiān)控服務(wù)[11]。以因特網(wǎng)作為通信平臺(tái)，傳輸html文件表單和視頻流數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)傳感和嵌入式技術(shù)，有效獲取實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)，同時(shí)利用高效穩(wěn)定的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核管理硬件平臺(tái)，使系統(tǒng)擁有強(qiáng)大功能。

系統(tǒng)有前端采集、視頻處理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù) [12] 3大子系統(tǒng)，通過前端采集系統(tǒng)將CMOS攝像頭[13]采集的視頻數(shù)據(jù)導(dǎo)入視頻處理系統(tǒng)，經(jīng)過處理的視頻數(shù)據(jù)更適合存儲(chǔ)和傳輸。當(dāng)有客戶登錄服務(wù)器時(shí)，被處理的視頻數(shù)據(jù)導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)，客戶即可通過網(wǎng)頁查看實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)采用基于三星S3C6410處理器ARM 11的飛凌公司OK6410開發(fā)板，此開發(fā)板具有更高的主頻和豐富的外設(shè)，提供LCD 接口、Camera 輸入接口、4路串口、SDIO接口、100M 網(wǎng)卡、USB2.0-OTG接口、USB Host 接口、音頻輸入輸出接口、按鍵接口等硬件資源[14]，適用于對(duì)性能和處理能力有更高要求的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合。系統(tǒng)主控機(jī)硬件由電源模塊、按鍵設(shè)備模塊、串口設(shè)備模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元模塊和視頻監(jiān)控模塊組成，硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用功能強(qiáng)大、穩(wěn)定安全的Linux操作系統(tǒng)，使用的Linux內(nèi)核版本為3.6.0。前期在OK6410開發(fā)板上完成Linux操作系統(tǒng)的移植、U-BOOT移植、文件系統(tǒng)制作與移植以及交叉編譯環(huán)境的搭建[15]。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要滿足以下幾個(gè)功能：①通過軟件編程，控制CMOS攝像頭傳感器，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集;②完成文件系統(tǒng)搭建以及FLASH和 SD卡存儲(chǔ)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，使所采集視頻信息可以保存到本地存儲(chǔ)設(shè)備;③完成基于Linux的TCP并發(fā)服務(wù)器搭建[16];④在軟件編程上考慮使用對(duì)應(yīng)的硬件視頻編解碼控制器驅(qū)動(dòng)軟件代碼，通過S3C6410的H.264硬件編碼器[17]和PP硬件多媒體轉(zhuǎn)換器[18]，完成視頻硬件H.264編碼和縮放轉(zhuǎn)碼功能;⑤因?yàn)橄到y(tǒng)需要使用按鍵作為系統(tǒng)功能控制輸入設(shè)備，所以在軟件設(shè)計(jì)上需要加上對(duì)應(yīng)按鍵驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 V4L2視頻框架設(shè)計(jì)

V4L2視頻框架只能在Linux操作系統(tǒng)上運(yùn)行，是針對(duì)uvc免驅(qū)USB設(shè)備的編程框架，主要用于設(shè)置攝像頭的頻率、幀率、視頻壓縮格式等圖像參數(shù)，完成對(duì)USB攝像頭設(shè)備圖像數(shù)據(jù)的采集，在APP編程中主要使用該框架提供的API和驅(qū)動(dòng)命令工作。該框架的工作模式如圖3所示。

針對(duì)v4l2_camera.h新定義了描述攝像頭捕捉的結(jié)構(gòu)體CAMERA_CAPABILITY，該結(jié)構(gòu)體定義如下：

typedef struct

{? /* output param */

int cam_fd;

unsigned int width;

unsigned int height;

unsigned long int file_length;

unsigned long int data_size;

int isstreaming;????????????????? // state

void *mem[NB_BUFFER];?????? // 內(nèi)核視頻緩沖區(qū)長(zhǎng)度

struct v4l2_capability cap;??????? // 攝像頭查詢驅(qū)動(dòng)能力

struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;????? // 攝像頭支持的視頻格式

struct v4l2_format format;??????? // 攝像頭視頻參數(shù)

struct v4l2_requestbuffers req;???? // 前端數(shù)據(jù)緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換物理地址

struct v4l2_buffer buf;?????????? // 前端視頻緩沖區(qū)

}CAMERA_CAPABILITY;

系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了v4l2框架操作，在v4l2_camera.c源文件中實(shí)現(xiàn)了攝像頭捕捉，相關(guān)操作實(shí)現(xiàn)如下：

extern int Camera_Init（CAMERA_CAPABILITY *cam）??? // 初始化v4l2框架

extern int Camera_Start（CAMERA_CAPABILITY *cam）?? // 開啟視頻捕捉

extern int Camera_Stop（CAMERA_CAPABILITY *cam）??? // 停止視頻捕捉

extern int Camera_Grab（CAMERA_CAPABILITY *cam

#if CAM_PHOTO

，

char *photo_name，

int volatile *photo_enable_flag

#endif

）? // 循環(huán)捕捉一幀

extern int Camera_Exit（CAMERA_CAPABILITY *cam）??? // 退出視頻捕捉

操作流程如下：

（1）調(diào)用Camera_Init（&cam）;初始化攝像頭捕捉程序。

（2）調(diào)用Camera_Grab（&cam，PHOTONAME，&photo_post）;進(jìn)行一幀圖像的捕獲，其中第二和第三個(gè)參數(shù)在用戶配置宏CAM_PHOTO非0時(shí)有效。PHOTONAME為保存圖片的名字，photo_post為是否拍照的flag標(biāo)準(zhǔn)，非0代表保存當(dāng)前幀圖片，保存格式默認(rèn)為BMP圖片文件格式。

（3） 調(diào)用Camera_Exit（&cam）;退出攝像頭視頻捕捉。

2.2 循環(huán)鏈表緩沖池設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了循環(huán)單向鏈表緩沖池，使用該緩沖池可明確分離輸入輸出設(shè)備，提高系統(tǒng)模塊化水平，很簡(jiǎn)單地增加輸入或輸出設(shè)備數(shù)量使之同時(shí)工作。循環(huán)單向鏈表緩沖池結(jié)構(gòu)如圖4所示。

循環(huán)鏈表緩沖池設(shè)計(jì)方案如下：

在queue.h中新定義了描述循環(huán)鏈表節(jié)點(diǎn)NODE和緩沖池的結(jié)構(gòu)體MyQueue：

typedef struct signal_loop_chain

{

unsigned int * dataaddr;

unsigned long int len;

struct signal_loop_chain *next;

}NODE;

typedef struct _QUEUE

{

NODE *queue_head;

NODE *queue_end;

int n;

}MyQueue;

在queue.c源文件中定義了功能函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，具體如下：

extern NODE *Create_loop_chain（int n）;??? // 循環(huán)鏈表緩沖池創(chuàng)建

extern int Quere_Show（）;? // 打印當(dāng)前鏈表信息，調(diào)試用

extern int Quere_Read_Buf（S3C_HD_JPEG_DECODE_INFO *to

#if WEB_CAP

，WEB_STREAM_CAP *web

#endif

）; ? // 讀鏈表某一數(shù)據(jù)塊

extern int Quere_Write_Buf（CAMERA_CAPABILITY *in）;? // 寫鏈表某一空塊

extern int Free_loop_chain（）; // 鏈表注銷資源

設(shè)計(jì)鏈表后，還需要利用存儲(chǔ)空間塊儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，故使用OK6410的硬件cached內(nèi)存分配器，獲取8塊cached虛擬內(nèi)存區(qū)域，在鏈表初始化時(shí)依次插入到鏈表中。

采用循環(huán)鏈表緩沖池優(yōu)化了存儲(chǔ)，同時(shí)使用多線程編程，極大優(yōu)化了系統(tǒng)執(zhí)行靈活度，提高了系統(tǒng)模塊化程度，但是隨之產(chǎn)生的是線程同步問題。

在Linux線程同步中，有POSIX無名信號(hào)量、POSIX有名信號(hào)量、線程互斥鎖、線程讀寫鎖、線程條件變量等幾種同步機(jī)制[19]。綜合比較這幾種同步機(jī)制，本系統(tǒng)采用POSIX無名信號(hào)量和線程讀寫鎖作為緩沖池的同步機(jī)制，使用POSIX無名信號(hào)量用于讀寫緩沖池同步。由于多用戶的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模型與單一寫多個(gè)同時(shí)讀取的同步模型相似，故使用線程讀寫鎖用于多用戶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流傳輸，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定的同步機(jī)制。

3 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試

本系統(tǒng)調(diào)試工作主要有：串口調(diào)試、攝像頭數(shù)據(jù)捕捉調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試、HTTP服務(wù)器調(diào)試。

3.1 串口調(diào)試

本系統(tǒng)需要串口進(jìn)行Linux命令和調(diào)試信息傳輸。OK6410開發(fā)板自帶COM19針串口接口，并在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中留有DEBUG配置宏和config.h配置文件，故只需在電腦上開啟串口軟件，同時(shí)在配置文件中打開DEBUG宏，即可在串口中打印系統(tǒng)調(diào)試日志信息。

3.2 攝像頭數(shù)據(jù)捕捉調(diào)試

本系統(tǒng)使用羅技C270高清USB攝像頭，該款攝像頭支持USB2.0，最大分辨率為1 024×768，感光元件為CMOS。在使用前打開總線熱插拔功能，注冊(cè)USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序以及V4L2驅(qū)動(dòng)。

在設(shè)計(jì)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，OK6410開發(fā)板的USB Host是1.1接口，Linux在識(shí)別USB1.1接口后，強(qiáng)制減緩了V4L2框架的最大傳輸速率，導(dǎo)致V4L2框架識(shí)別的YUV格式分辨率只有160×120。為了得到較為正常的分辨率，系統(tǒng)使用了經(jīng)過壓縮的MJPEG圖像，其分辨率可以達(dá)到800×600，基本滿足設(shè)計(jì)要求。開啟攝像頭捕捉調(diào)試宏，通過調(diào)試信息查看攝像頭捕捉子系統(tǒng)是否正常工作。經(jīng)上板測(cè)試，該攝像頭捕捉子系統(tǒng)工作正常。

3.3 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試

OK6410開發(fā)板帶有RJ-45網(wǎng)絡(luò)變壓器，開發(fā)板使用192.168.0.232作為自身的IP地址，使用網(wǎng)線將其與路由器相連，然后在電腦上使用PING命令檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)層是否可以建立連接。經(jīng)上板測(cè)試，該開發(fā)板可與電腦正常通信。

3.4 HTTP服務(wù)器調(diào)試

在調(diào)試HTTP服務(wù)器前，需要將自行開發(fā)的幾個(gè)HTML文件放入BOA指定的www文件夾中，BOA默認(rèn)使用index.html作為主頁[20]。調(diào)試時(shí)使用boa命令打開BOA服務(wù)器守護(hù)進(jìn)程，然后利用IP地址即可登陸服務(wù)器頁面，如圖5所示。

輸入賬號(hào)密碼后，CGI程序?qū)⑼ㄟ^數(shù)據(jù)庫(kù)查詢賬號(hào)密碼是否符合要求。如果符合要求則跳轉(zhuǎn)到控制頁面，如圖6所示。

按下“視頻預(yù)覽選擇”中的視頻圖標(biāo)后，將進(jìn)入視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控頁面，如圖7所示。

按下“視頻預(yù)覽選擇”中的照相機(jī)圖標(biāo)后進(jìn)入拍照演示頁面，如圖8所示。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)利用嵌入式系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，在OK6410開發(fā)板基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于Linux操作系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了V412框架操作，實(shí)現(xiàn)了攝像頭抓拍功能，并創(chuàng)新定義使用了循環(huán)鏈表緩沖池，以及采用POSIX無名信號(hào)量和線程讀寫鎖的同步機(jī)制，極大優(yōu)化了系統(tǒng)執(zhí)行靈活度，提高了軟件模塊化水平。上板調(diào)試與測(cè)試表明：本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，圖像實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，日志記錄功能方便調(diào)試，符合設(shè)計(jì)預(yù)期要求，同時(shí)系統(tǒng)可擴(kuò)展性良好，對(duì)安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有借鑒作用。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）