王祥金

（山東司法警官職業(yè)學(xué)院，山東濟(jì)南，250000）

0 前言

近些年來(lái)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在外貿(mào)物流、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，并表現(xiàn)出較為良好的應(yīng)用成效。但在具體應(yīng)用過(guò)程中，由于傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)傳輸距離相對(duì)有限、需要實(shí)時(shí)大量布線、圖像數(shù)據(jù)易受損、圖像查詢難度大等問(wèn)題，相關(guān)問(wèn)題的存在嚴(yán)重阻礙視頻監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用及發(fā)展。據(jù)此，本文將提出一種小型化視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并充分保障此系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中的圖像查詢便利性和應(yīng)用有效性，解決當(dāng)前視頻監(jiān)控系統(tǒng)中存在的各類問(wèn)題。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為保障基于計(jì)算機(jī)軟硬件的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的通用性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中引入了嵌入式技術(shù)。此系統(tǒng)主要由采集前端（USB攝像頭）、嵌入式硬件平臺(tái)、Web服務(wù)器以及客戶端四部分組成[1]，具體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。此外，在設(shè)計(jì)中還會(huì)引入MEJEPG算法，主要用于對(duì)攝像頭所采集的視頻圖像進(jìn)行壓縮處理，以此來(lái)減少視頻圖像存儲(chǔ)過(guò)程中的內(nèi)存占用。在完成圖像壓縮后，所有圖像均會(huì)上傳到Web服務(wù)器，用戶有需求時(shí)可以通過(guò)登錄Web服務(wù)器的方式來(lái)查看存儲(chǔ)在Web服務(wù)器中的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

從計(jì)算機(jī)軟硬件角度來(lái)看，本文所設(shè)計(jì)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)還可以分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分。其中軟件系統(tǒng)主要是USB攝像頭驅(qū)動(dòng)、V4L2信號(hào)采集、圖像壓縮算法、Web服務(wù)器、用戶控制模塊、客戶端模塊等[2]；硬件系統(tǒng)則分為核心板監(jiān)控?cái)z像電路以及WiFi無(wú)線網(wǎng)卡三部分。具體應(yīng)用過(guò)程中，客戶端或者手機(jī)等終端設(shè)備可以通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)等方式對(duì)Web服務(wù)器上的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 核心板設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，其開發(fā)板將會(huì)采用核心板+底板的方式進(jìn)行集成開發(fā)?；谟?jì)算機(jī)軟硬件的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中硬件系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 基于計(jì)算機(jī)軟硬件的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中硬件系統(tǒng)電路

（1）S3C2440核心板

核心板將會(huì)采用S3C2440核心板。S3C2440核心板上集成有ARM920T內(nèi)核，32位總線以及ARM指令集，其內(nèi)置主處理器工作頻率可達(dá)到400MHz，不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效運(yùn)算及處理，還可以為人機(jī)交互、OS支持等方式提供更為良好的支持，符合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，所以在對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)中各類產(chǎn)品進(jìn)行性能及經(jīng)濟(jì)性綜合考慮后，最終選用了S3C2440核心板。

（2）底板

底板作為硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，其中集成了電源電路、USB監(jiān)控設(shè)備電路、LCD電路等除S3C2440核心板對(duì)應(yīng)電路以外其他各類硬件電路。在相關(guān)硬件電路的支持下，底板同時(shí)兼具高頻電路和數(shù)字電路的特點(diǎn)，為能夠可以有效抑制傳統(tǒng)電路中的噪聲干擾問(wèn)題，設(shè)計(jì)中將會(huì)采用如電源粗導(dǎo)線、避免90°折線、芯片背置濾波電容等電路板抗干擾技術(shù)。

2.1.2 USB監(jiān)控?cái)z像電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中所采用的USB監(jiān)控?cái)z像頭為UVC攝像頭，此攝像頭內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)USB接口，有利于后續(xù)使用。在具體設(shè)計(jì)中，USB監(jiān)控?cái)z像電路設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 USB監(jiān)控?cái)z像電路設(shè)計(jì)方案

2.1.3 WiFi無(wú)線網(wǎng)卡模塊

綜合經(jīng)濟(jì)性、性能、便利性等多方面要求，在設(shè)計(jì)中WIFi無(wú)線網(wǎng)卡模塊最終選擇了TL-WN321G5無(wú)線網(wǎng)卡，此網(wǎng)卡內(nèi)置有智能天線和USB總線接口，可以通過(guò)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線的快速訪問(wèn)和讀數(shù)，最大反射功率可達(dá)到20dBm，實(shí)際工作頻率為2.4～2.48GHz，在理想工作環(huán)境下的最遠(yuǎn)覆蓋范圍可達(dá)到300m，可以滿足本設(shè)計(jì)中WiFi無(wú)線網(wǎng)卡模塊的相關(guān)功能、性能要求。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)中的V4L2信號(hào)采集會(huì)通過(guò)USB攝像頭驅(qū)動(dòng)會(huì)從采集前端獲取USB攝像頭所采集的視頻圖像數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)圖像壓縮算法處理后，傳遞給Web服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，客戶端可以通過(guò)獲取Web服務(wù)器中的視頻數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻查看的效果。

2.2.1 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)

設(shè)計(jì)中USB攝像頭渠道將會(huì)采用spca5xx，此驅(qū)動(dòng)為L(zhǎng)inux平臺(tái)下通用驅(qū)動(dòng)，功能可以滿足本設(shè)計(jì)要求。但由于此通用驅(qū)動(dòng)不支持ZC301P芯片，所以還需要在設(shè)計(jì)中對(duì)通用驅(qū)動(dòng)內(nèi)核源代碼進(jìn)行合理修改，確保修改代碼后的通用驅(qū)動(dòng)可以支持設(shè)計(jì)中所采用的USB攝像頭。此過(guò)程中采用了驅(qū)動(dòng)模塊模式，僅需要對(duì)通信驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行內(nèi)核模塊化修改，然后通過(guò)“insmod”命令來(lái)加載修改后的模塊，便可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中USB攝像頭驅(qū)動(dòng)加載效果。

2.2.2 V4L2信號(hào)采集

設(shè)計(jì)中所采用的V4L2接口可以為系統(tǒng)上層應(yīng)用提供重要接口函數(shù)支持，進(jìn)而方便后續(xù)系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中的系統(tǒng)對(duì)USB攝像頭的合理操作及使用，達(dá)成系統(tǒng)設(shè)計(jì)中規(guī)定的視頻圖像采集效果。相對(duì)傳統(tǒng)方式來(lái)說(shuō)，V4L2接口對(duì)USB攝像頭的操作方式更為簡(jiǎn)便，具體設(shè)計(jì)過(guò)程中可以直接通過(guò)“Open（）”等操作函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)USB攝像頭的直接操作效果。此外，V4L2接口可以提供直接數(shù)據(jù)讀取和內(nèi)存映射兩種視頻數(shù)據(jù)采集方式，兩種數(shù)據(jù)采集方式分別以“read（）”和“mmap（）”實(shí)現(xiàn)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，內(nèi)存映射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率更高，所以在設(shè)計(jì)中將會(huì)采用此種方式進(jìn)行V4L2接口設(shè)計(jì)[3]。

2.2.3 圖像壓縮算法

圖像壓縮算法最為常用的算法為MPEG圖像壓縮算法，其在應(yīng)用是僅會(huì)對(duì)圖像幀之間的差異數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，而對(duì)于相同數(shù)據(jù)則不會(huì)存儲(chǔ)，以此來(lái)減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，達(dá)成最大化視頻壓縮效果。但受限于本文所設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備限制，為保障最佳遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控效果，實(shí)際設(shè)計(jì)中無(wú)法采用MPEG圖像壓縮算法，則會(huì)采用MJPEG算法進(jìn)行圖像視頻壓縮。此算法在應(yīng)用過(guò)程中動(dòng)態(tài)化使用了JPEG算法，其在視頻圖像壓縮過(guò)程中僅會(huì)實(shí)現(xiàn)圖像幀壓縮保存，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步壓縮效果，配合Web服務(wù)器和Soeket編程，可以實(shí)現(xiàn)視頻采集后的快速壓縮及上傳。

2.2.4 Web服務(wù)器

Web服務(wù)器會(huì)通過(guò)HTTP協(xié)議與用戶側(cè)客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)控制模塊接受用戶所發(fā)出視頻監(jiān)控系統(tǒng)操控指令，根據(jù)操控指令為用戶傳遞存儲(chǔ)在Web服務(wù)器中的壓縮視頻內(nèi)容。本設(shè)計(jì)中采用了更適用于嵌入式系統(tǒng)的Boa Web服務(wù)器.此服務(wù)器作為一種單任務(wù)HTTP服務(wù)器，其可以動(dòng)態(tài)化支持Web技術(shù)，并且為此服務(wù)器采用開放式源代碼，實(shí)際性能和性價(jià)比均相對(duì)較高，再加上服務(wù)器運(yùn)行程序?qū)τ诳臻g占用相對(duì)較小，綜合來(lái)說(shuō)符合本設(shè)計(jì)中視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)要求，進(jìn)而在綜合市場(chǎng)上多種服務(wù)器后，選用了Boa Web服務(wù)器[4]。此外，設(shè)計(jì)中還采用了CGI技術(shù)，為Web服務(wù)器提供CGI程序調(diào)用時(shí)的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)支持，為后續(xù)設(shè)計(jì)的模塊化構(gòu)建提供重要保障。最后，Web服務(wù)器還可以將系統(tǒng)所采集到的視頻圖像進(jìn)行有效存儲(chǔ)，其中圖像拍照存儲(chǔ)間隔時(shí)間和存儲(chǔ)位置用戶可以根據(jù)自身所需執(zhí)行設(shè)置，圖像拍照的命名則是系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前時(shí)間依據(jù)時(shí)間順序方式進(jìn)行依次命名，以便于用戶在后續(xù)圖像查看時(shí)能夠更加快速有效的查詢到自身所需圖像。此過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)首先在Web服務(wù)器中申請(qǐng)一塊緩存，并確定緩存區(qū)能夠反之一幀圖像數(shù)據(jù)，之后再將獲取到的視頻幀放置在緩存區(qū)。

2.2.5 用戶控制模塊

用戶控制模塊可以根據(jù)用戶的操控需求及控制指令，對(duì)系統(tǒng)中各類設(shè)備進(jìn)行有效控制及管理。具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，用戶控制模塊可以通過(guò)Socket來(lái)接收用戶側(cè)傳遞的操控指令，并由此來(lái)對(duì)USB攝像頭進(jìn)行有效控制及Web服務(wù)器中視頻數(shù)據(jù)瀏覽及控制。為保障系統(tǒng)的安全性，用戶在向Web服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求時(shí)，Web服務(wù)器會(huì)先對(duì)用戶的權(quán)限進(jìn)行檢查確認(rèn)，用戶通過(guò)權(quán)限認(rèn)證后，方可使用用戶控制模塊的各類功能；若是用戶未通過(guò)Web服務(wù)器的權(quán)限驗(yàn)證，那么Web服務(wù)器將會(huì)向用戶返回“操作錯(cuò)誤”等提示[5]。

2.2.6 Qt主界面程序

Qt主界面程序在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)議main（）函數(shù)作為起始點(diǎn)，并由此創(chuàng)建出一個(gè)主窗口，在主窗口的基礎(chǔ)上再添加QLable進(jìn)行主界面視頻圖像顯示，其中主窗口的實(shí)現(xiàn)需要ProcessImage類作為支持。在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，不僅ProcessImage類會(huì)繼承自QWidget類，其他窗口的對(duì)應(yīng)類也同樣會(huì)如此，QWidget類則會(huì)在應(yīng)用過(guò)程中集成QObject類數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)QPaintDevice類數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)信息在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均會(huì)存儲(chǔ)在main.cpp文件中。同時(shí)，在設(shè)計(jì)中，為方便用戶操作需要將主界面程序設(shè)置為支持中文顯示，然后在為其定義QApplication對(duì)象，QApplication對(duì)象，作為Qt應(yīng)用的代表性對(duì)象內(nèi)容，其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將會(huì)通過(guò)全局指針變量qApp來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的中該對(duì)象的快速訪問(wèn)。

此外，Qt對(duì)象之間需要特有的信號(hào)與槽作為通信機(jī)制支持，此特點(diǎn)是Qt主界面程序與其他圖形界面程序之間的典型差異特征。在信號(hào)與槽使用前，必須要對(duì)其進(jìn)行合理定義，并且還需要主義僅有從QObject類所派生出的類才能夠有效調(diào)用信號(hào)與槽，而本設(shè)計(jì)中所采用的QWidget類作為QObject所派生出的類，其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將會(huì)根據(jù)用戶需求及其控制指令來(lái)合理調(diào)用信號(hào)與槽，并對(duì)信號(hào)與槽進(jìn)行自動(dòng)定義[7]。在具體定義過(guò)程中，由于信號(hào)與槽通常不會(huì)存在函數(shù)實(shí)體，并且應(yīng)用中也不會(huì)向系統(tǒng)返回函數(shù)值，所以在定義中需要引入“slots”，而且定義過(guò)程中還需要對(duì)相關(guān)函數(shù)實(shí)體進(jìn)行詳細(xì)編寫，保障信號(hào)與槽在應(yīng)用時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)定義和使用區(qū)域位于同一個(gè)類中。

2.2.7 客戶端模塊

用戶側(cè)客戶端模塊主要分為PC客戶端和手機(jī)客戶端兩部分。其中PC客戶端主要采用OpenCV計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)，其讀寫接口則會(huì)采用OpenCV中應(yīng)用較為廣泛的HighGUI庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻圖像的讀寫處理；手機(jī)客戶端則是采用Android平臺(tái)作為基礎(chǔ)操作系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)出一款適用于手機(jī)的客戶端，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)施錄像以及視頻圖像在線瀏覽。在設(shè)計(jì)中，手機(jī)客戶端的實(shí)際工作流程如圖4所示。用戶在通過(guò)客戶端進(jìn)行Web服務(wù)器視頻圖像資源瀏覽時(shí)，還可以通過(guò)用戶控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)攝像頭的多角度旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)360°監(jiān)控的效果。同時(shí)，在實(shí)際監(jiān)控過(guò)程中，用戶還可以根據(jù)自身需要，隨意調(diào)整畫面中的對(duì)比度、亮度等基本參數(shù)，保障畫面的飽滿效果。另外，本設(shè)計(jì)還支持多平臺(tái)視頻圖像資源同時(shí)瀏覽效果，并且畫面流暢清晰，雖然具體監(jiān)控中由于網(wǎng)絡(luò)傳輸速度等因素的影響，存在一定的延遲情況，但延遲速度低于1s，基本上不會(huì)影響用戶的操作體驗(yàn)，所以可以滿足視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)性要求[8]。

圖4 V4L2接口運(yùn)作流程圖

圖5 手機(jī)客戶端的工作流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試可以有效檢測(cè)出整體設(shè)計(jì)開發(fā)中存在的各類問(wèn)題，進(jìn)而便于后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化及完善。實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)及運(yùn)行、客戶端啟動(dòng)及運(yùn)行兩部分內(nèi)容。其中視頻監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)及運(yùn)行測(cè)試會(huì)先啟動(dòng)開發(fā)板，并通過(guò)開發(fā)板來(lái)獲取USB攝像頭的視頻信號(hào)，并將視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，上傳到Web服務(wù)器，檢驗(yàn)上傳到Web服務(wù)器中數(shù)據(jù)的完整性[6]；客戶端啟動(dòng)及運(yùn)行測(cè)試則是分別在PC客戶端和手機(jī)客戶端測(cè)試兩種客戶端對(duì)視頻監(jiān)視服務(wù)器的操作控制及視頻圖像播放效果是否能夠滿足原設(shè)計(jì)要求。在經(jīng)過(guò)一系列測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，本文所提出的基于計(jì)算機(jī)軟硬件的視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本可以達(dá)成原設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明此設(shè)計(jì)較為成功，可作為后續(xù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文以Linux和核心開發(fā)板為系統(tǒng)核心，通過(guò)嵌入式技術(shù)構(gòu)建Web服務(wù)器和視頻服務(wù)器，并結(jié)合Socket來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與視頻監(jiān)控?cái)z像頭之間的網(wǎng)絡(luò)通信，進(jìn)而將視頻數(shù)據(jù)采集并上傳到服務(wù)器客戶端，用戶可以通過(guò)客戶端來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻顯示及瀏覽?？傮w來(lái)說(shuō)，此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠性，所獲取的視頻圖像實(shí)時(shí)精準(zhǔn)，值得后續(xù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行合理參考。