精品文檔-下載后可編輯基于ARM平臺的遠程視頻監控系統的研究-設計應用摘要介紹了一種基于S3C2440[1]硬件平臺和嵌入式Linux操作系統[2]的遠程視頻監控系統的總體設計方案，詳細闡述了系統的總體結構和各部分功能特點，對系統視頻采集，MPEG-4壓縮的實現進行了詳細分析，并給出關鍵功能的軟件實現方法，與傳統的視頻監控系統比較，該方案具有體積小，成本低，穩定可靠等優點。關鍵詞視頻采集；MPEG-4編碼；嵌入式Linux；驅動程序

引言

視頻監控系統是安全防范系統的組成部分，它是一種防范能力較強的綜合系統。現今監控系統已經步入了數字化、網絡化時代，即視頻從前端圖像采集設備輸出時即為數字信號，并以網絡為傳輸媒介，基于TCP/IP協議，采用流媒體技術實現視頻在網上的多路復用傳輸。使用嵌入式系統實現遠程視頻監控技術，符合網絡化數字化的特點，對公安、安防等行業有著重要的現實意義。

視頻監控系統一般采用基于PC機平臺＋視頻采集卡的形式，該方案系統體積大、成本高，在遠距離、多點系統中實現困難。本設計采用三星公司的S3C2440[1]硬件平臺（CPU芯片含有視頻采集接口），軟件平臺是Linux-2.4.20操作系統內核，由于Linux操作系統的開放特性、優良的網絡支持性能、模塊化的結構，較好滿足系統的需要。

1.系統硬件設計

系統主要由視頻采集和傳輸部分組成。有嵌入式處理器、CMOS圖像傳感器、存儲器、以太網接口、串口、及電源管理電路。嵌入式處理器是韓國三星公司的基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器（型號：S3C2440），主要面向高性價比、低功耗的應用。為了處理圖像數據，CPU的工作頻率可達400MHz。S3C2440的資源包括LCD控制器，SDRAM控制器，攝像頭接口，3路串行接口，IICBUS接口，USB接口，觸摸屏接口。在處理器豐富資源的基礎上，還進行了相關的擴展，配置了32MFlashROM和256MBSDRAM。在嵌入式處理器的控制下，CMOS圖像傳感器(片上)采集到的數據經幀同步信號觸發產生中斷后被拷貝到SDRAM，經過MPEG-4編碼后由網口發送到遠端監控中心顯示，系統框圖如圖一所示。

1.1視頻采集模塊的設計

圖像傳感器接口電路是硬件設計的關鍵部分，如何有效的采集數據也是系統的關鍵問題。視頻采集模塊采用OV9640圖像傳感器[3]，它是一款高集成度、高分辨率（1280*960）的CMOS傳感芯片，內部集成了時序電路，模擬信號處理電路，數字信號處理電路。該芯片支持RGB(4:2:2)，YUV(4:2:2),YCrCb(4:2:2)數據輸出格式，內置138個設備控制寄存器，地址分

別從0x00到0x8A,通過SCCB（SerialCameraControlBus）接口可以方便的設置傳感器視窗大小、增益、白平衡校正、曝光控制、飽和度、色調等。由于S3C2440芯片有一個專用的視頻接口，所以CPU可以直接和CMOS圖像傳感器連接。圖像傳感器輸出的數據及控制信號包括像素時鐘(PCLK)、水平參考(HREF)、幀同步(VSYNC)和數據總線(D0-D7)，分別和主處理器的相應信號相連。PCLK與HREF在處理器內部相與后產生有效的像素時鐘信號，在有效時鐘信號的上升沿或下降沿將數據鎖定[4]。模塊和S3C2440接口電路如圖二所示。在OV9640圖像傳感器中，如果輸出YUV格式[5]，要用到數據線的Y2-Y9；如果輸出RGB格式，則要用數據線Y0-Y9。本設計中采用了YUV格式。

圖二視頻采集模塊接口

1.2網絡接口的設計

在S3C2440芯片上無網絡接口，為了實現在系統調試時，操作系統內核、文件系統映像，及在系統運行中實現視頻數據的網絡傳輸等功能，所以在系統中擴展網絡接口模塊（DM90000）。該芯片為10M/100M以太網物理層芯片，具有通用的處理器接口。模塊與2440接口如圖三所示：其中CMD為命令類型引腳，在高電平時為數據周期，在低電平時為地址周期。可通過CMD與數據總線訪問內部54個控制及狀態寄存器。當AS9-AS8設置成高，SA7設置成低，SA6-4與TXD2-0匹配時，DM90000由AEN引腳控制是否被選中。此外，DM9000工作在正常模式，TEST1-4依次為1、1、0、0。為了保證DM90000收發正常，還要加上25M的晶振。

2.系統的軟件設計

軟件平臺由三部分組成：系統引導加載程序、嵌入式Linux內核、文件系統及應用程序。本設計中通過向ARM平臺移植u-boot-1.1.1實現系統的引導加載，uboot除了正常的引導嵌入式Linux外，還可以方便的切換到更新模式，利用TFTP功能對內核映像及文件系統實時更新。嵌入式操作系統采用Linux2.4.20，開發模式采用為普遍的宿主開發模式，即在宿主機上編譯內核及應用程序然后通過網口到目標平臺上運行，通過打印終端打印調試信息。文件系統是嵌入式系統軟件平臺占用存儲量的一部分，它存儲了系統配置文件、系統程序和系統外設驅動程序。嵌入式Linux內核移植[2]好后，主要工作就變成在操作系統下編寫驅動程序。在這里我們著重介紹OV9640的驅動程序的開發及MPEG-4編碼的實現。

圖三：以太網模塊接口

2.1OV9640驅動的開發[6]

在Linux下編寫OV9640CMOS圖像傳感器驅動，首先要初使化OV9640。通過SCCB總線設置OV9640的工作模式，各種參數，分配連續內存空間，容量與采集圖像的點陣數相匹配。然后用request_irq()函數為OV9640登記中斷，其中斷號為06。當S3C2440捕捉到VSYNC信號時觸發中斷，把一幀圖像數據拷貝到用戶空間。如此反復，視頻數據源源不斷的被采集到SDRAM。軟件流程如圖四所示。

圖四讀取OV9640數據流程

我們知道，用戶進程是通過設備文件同硬件打交道，對設備文件的操作就是一些系統調用。要想把系統調用和設備驅動程序關聯起來，必須用到一個非常關鍵的數據結構：structfile_operations{}。因此編寫設備驅動的主要工作就是編寫數據結構中定義的子函數，并填充file_operations的各個域。

攝像頭file_operations的數據結構如下

staticstructfile_operationscam_fops=

｛owner:THIS_MODULE,

open:cam_open,

read:cam_read,

ioctl:cam_ioctl,

release:cam_release,

｝；

編寫好成員函數后，接下來編寫module_init()和module_exit()。module_init()是驅動程序的入口，當用insmod命令加載模塊時自動運行。此函數中包括①初使化CMOS圖像傳感器②分配連續內存地址空間③注冊設備文件④登記中斷。module_exit()函數在rmmod卸載模塊時調用。函數功能包括①釋放內存空間②釋放中斷③注銷設備文件。

至此，驅動模塊編寫好了，編譯加載后，我們就可以像操作普通文件一樣對攝像頭進行讀取數據了

2.2基于MPEG4的數據壓縮算法的實現

2.2.1MPEG-4[7]壓縮標準

數字視頻流的數據量是巨大的,以QVGA圖像，每秒20幀為例，每秒鐘的數據量為2.92M,假設系統有十路傳感器，如果不經過壓縮，實現數據在網上的多路復用傳輸是相當困難的，為了系統可靠的運行，本設計采用高壓縮率的MPEG-4視頻壓縮編碼。MPEG-4顯著的特點是基于內容的編碼方法，即把一段視頻序列看成有不同的視頻對象VO組成，編碼器根據實際情況對各個視頻對象面VOP進行編碼,其壓縮率可達到100:1。

2.2.2MPEG-4的實現與優化

XVID是一種開源的MPEG-4視頻編碼軟件，是目前所有開源視頻編碼軟件中比較的一個，它嚴格按照GPL發布，圖像質量可以達到DVD的效果，而數據量只有DVD的1/8。XVID的版本為xvidcore1.1.0，這里我們選擇xvidcore1.1.0作為進一步優化的基礎。從xvidcore1.1.0源碼，修改MAKEFILE文件，把XVID移植到ARM平臺。具體的實現方法可參照example下的例子，結合項目的實際，寫出自己的應用程序。然后進入xvidcore-1.1.0/build/generic目錄，執行./configure–disable–assembly命令，手工配置platform.inc文件，修改CC=/opt/host/armv41/bin/arm4l-unknown-linux-gcc，再執行makeclean，make。把生成的庫拷貝到example目錄下，修改example下的Makefile文件，編譯到目標板上運行即可。

經過測試，XVID的壓縮比是很高的，可達到20:1，重要的是編碼速度快，壓縮解壓后的圖像質量稍有降低，完全可以達到實用的要求。

3.結束語

利用嵌入式系統實現遠程視頻監控符合數字化、網絡化的發展趨勢，具有布線集中，設備簡單，體積小，成本低等特點，與傳統的視頻監控方案比較有不可比擬的優越性。前端采集部分采用S3C2440微處理器，利用其自身提供的視頻接口，圖像采集的速度完全可以達到動態顯示的要求（在400M的時鐘頻率下，QVGA圖像可以達到20幀/秒的顯示速率）。本文作者的創新點：采用圖像壓縮編碼和網絡技術，可實現視頻數據的多路復用傳輸。監控端采用基于MPEG-4的視頻對象分割方法，利用相鄰幀視頻對象的差異，實現智能報警的功能。該系統性價比較高，使用方便，值得推廣使用。

4.參考文獻

[1]S3C2440XRISCMICROPROCESSORdatesheet.samsungelectronics.2022

[2]張積紅,吳強.嵌入式linux研究及其在ARM上的移植.電腦知識與技術,2022,(8)

[3]OV9640version1.0.OmnivisionTechnologies.2022

[4]王曉明，一種MPEG-4視頻采集與傳輸系統的研究與實現，計算機測量與控制，2022,（8）

[5]陳福，馬莉等.基于嵌入式系統的視頻圖像捕獲研究與實現.微計算機信息，2022,（12）

[6]李駒光,鄭耿.基于嵌入式linux的設備驅動程序開發(二).電腦編程技巧與維護,2022,(12)

[7]ISO/IECJTC1/SC29/WG11DocumentN4668,OverviewoftheMP