引言

傳統(tǒng)的數(shù)字視頻監(jiān)控多采用數(shù)字芯片集成或采用純PC監(jiān)控，由于數(shù)字芯片無智能化的操作系統(tǒng)而PC機處理多路視頻信號的速度較低，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠好。隨著嵌入式系統(tǒng)和視頻壓縮技術的日漸成熟，以及高網(wǎng)絡帶寬的普及，通過嵌入式平臺，將視頻信號數(shù)字化并壓縮，并通過內置的Web服務提供給訪問者已成為可能。用戶可在現(xiàn)有網(wǎng)絡環(huán)境中，通過瀏覽器直接觀看實時的監(jiān)控圖像，實現(xiàn)高效、簡潔的監(jiān)控操作。以嵌入式系統(tǒng)為基礎的數(shù)字視頻監(jiān)控具有：便于計算機處理，適合遠距離傳輸，可靠性高、安裝方便、使用靈活和體積輕巧等優(yōu)點[1- 3]。

1  系統(tǒng)組成方案

我們設計的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻服務器、控制中心、和客戶端組成，這是因為當監(jiān)控點和控制臺到達一定數(shù)目之后，監(jiān)控點對于用戶的開銷也越來越大，因此增加控制中心輔助進行管理。系統(tǒng)結構如圖1所示。

1) 嵌入式視頻服務器

嵌入式的視頻服務器由硬件模塊和軟件模塊組成。視頻服務器硬件模塊主要完成視頻信號采集、壓縮、網(wǎng)絡傳輸和用戶設置，每個視頻服務器出廠時被分配了一個唯一的序列號作為用戶訪問的唯一標識。嵌入式軟件模塊的主要功能有是控制硬件和向用戶傳輸經過壓縮的視音頻數(shù)據(jù)。

2) 控制中心

控制中心主要處理從客戶端發(fā)送過來的視頻監(jiān)控信息，然后將許可的請求通知視頻服務器，使它們之間建立有效連接以傳輸監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)；另外，控制中心負責視頻服務器的登記注冊，設定用戶權限和視頻服務器的參數(shù)?？刂浦行能浖\行在PC服務器上，由管理員操作維護。

3) 客戶端

客戶端是提供給用戶使用的基于PC的操作界面，可根據(jù)不同用戶權限設定其操作功能?？蛻舳送瓿煽刂浦行牡墓芾砭S護、圖像觀看、云臺調整、圖像參數(shù)調整、錄像、告警等功能。
 

2  視頻終端硬件設計

視頻終端硬件完成視頻信號采集、MPEG-4壓縮和網(wǎng)絡傳輸。由于高精度實時視頻信息量巨大，在傳輸時需丟棄大量數(shù)據(jù)幀，因此必須壓縮[4]。我們采用專用芯片按即定格式高速壓縮視頻，實時性好，可靠性高。系統(tǒng)視頻服務器硬件的結構如圖2所示。

(1) 視頻解碼器模塊：采用SAA7114H視頻解碼芯片，主要功能是將1路模擬視頻量化后形成YUV數(shù)據(jù)格式通過并行輸出端口傳輸?shù)絀ME6410視頻MPEG-4壓縮處理單元。

(2) 音頻編解碼器模塊：主要是完成模擬音頻到數(shù)字音頻的解碼工作，采樣速率32K bps。

(3) MPEG-4壓縮處理器模塊：數(shù)字視頻數(shù)據(jù)編碼壓縮工作由INTIME公司設計的IME6410視/音頻壓縮處理器完成。微控制器通過主機接口對IME6410配置和接收壓縮得到的視頻碼流。

(4) SDRAM模塊：IME6410和網(wǎng)絡處理器S3C2500B各需要一片SDRAM，為DSP和網(wǎng)絡處理器中程序運行提供外部存儲器。

(5) FLASH模塊：用來存儲DSP和網(wǎng)絡處理器中運行的程序。

(6) 網(wǎng)絡處理器模塊：選用SAMSUNG的ARM940T內核的S3C2500B網(wǎng)絡處理器，S3C2500B將編碼后的視頻/音頻數(shù)據(jù)流打包形成標準的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流并傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)中。用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送命令，對IP編碼器進行參數(shù)調整，例如編碼的幀率、編碼效率、圖像質量、IP地址設定等。

(7) 異步串口：支持RS-232、RS-422/485等多種協(xié)議，用于和PC通訊和控制攝像頭。用戶可根據(jù)需要設置系統(tǒng)的工作參數(shù)，例如網(wǎng)絡的IP地址，編碼的幀率、編碼效率、圖像質量等。

(8) I/O模塊：通用I/O接口可以滿足用戶的控制目的，例如攝像機的鏡頭焦距控制等。

(9) PHY層網(wǎng)絡接口：完成調制、解調功能。

3  嵌入式視頻服務器軟件的設計與實現(xiàn)

uCLinux具有精巧、高效的內核，完整的網(wǎng)絡功能和良好的可裁剪性，它內置的TCP/IP協(xié)議找、良好的開放性和可擴展性以及高效的任務管理，能夠滿足數(shù)字視頻服務器的要求[5]。

本視頻服務器采用了uCLinux作為嵌入式操作系統(tǒng)，移植BLOB作為系統(tǒng)引導模塊，移植ez-ipupdate實現(xiàn)動態(tài)域名解析，使用在系統(tǒng)內核態(tài)下編寫的driver實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的獲取，使用在系統(tǒng)用戶態(tài)下編寫的應用服務程序iplay實現(xiàn)組幀、發(fā)送以及與用戶交互等功能。

3.1  系統(tǒng)引導模塊

系統(tǒng)引導模塊LOADER移植自BLOB(Boot Loader OBject)項目，它是LART項目的系統(tǒng)引導模塊。移植的BLOB的發(fā)行版是BLOB-2.0.5-pre2，編譯器使用arm-linux- toolchain。由于視頻服務器上的硬件環(huán)境與處理器SAMAUNG的S3C2500B的軟件開發(fā)包SMDK2500中的配置有所不同，因此對 BLOB中的源代碼在移植過程中作出了修改。以下是對BLOB程序做出的具體修改。

(1) 串口參數(shù)代碼修改

由于視頻服務器上的串口時鐘源和SMDK2500不一樣，因此對文件“/src/lib/serial-s3c2500.c”做出修改。

(2) 修改BLOB程序中各塊在內存中的分布。

因為BLOB中的各部分內存分配和SMDK2500不一樣，因此需要修改內存分配的預定義。修改文件是“include/BLOB/arch/smdk2500.h”。

(3) 增加對網(wǎng)卡支持

由于BLOB只支持一個網(wǎng)口，且只能在編譯前指定使用使用WAN還是LAN，故首先在編譯配置時添加：enable-network，這個指定修改在文件“/src/BLOB/smdk2500.c”中。為了在網(wǎng)絡中避免地址沖突，需要為本機網(wǎng)卡設置唯一的MAC地址。這個修改在文件“src /lib/ether.c”中。

(4) 修改啟動延時

針對本系統(tǒng)的啟動延時，修改文件“src/BLOB/main.c”中的原設置時間。

3.2  系統(tǒng)內核的移植

系統(tǒng)內核Kernel是基于uClinux-dist-20040408的uClinux的分發(fā)版，下面是移植的修改部分。

(1) 修改時鐘頻率的設置

修改的原因是目標版與評估版采用的時鐘源不一樣。需要修改的文件為“uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/mach-SMDK2500/config.c”。

(2) 添加支持從flash中獲取MAC地址

為了防止網(wǎng)絡上出現(xiàn)MAC地址重復的情況，采用了從flash中直接讀取BLOB中設定的MAC地址。在此需修改在文件“uClinux- dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/mach-SMDK2500/readf.c”中相關的調用函數(shù)實現(xiàn)調用自己的函數(shù)。添加的自定義函數(shù)用來從flash的BLOB區(qū)域中指定的位置來獲取MAC參數(shù)，然后向系統(tǒng)內核kernel提供獲取的MAC參數(shù)內容。

(3) 添加kernel中對GPIO口通用操作的支持

為了在系統(tǒng)內核kernel中調試和使用GPIO提供統(tǒng)一的調用接口，需要修改文件為“uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/mach-SMDK2500/lmhgpio.c” 。

(4) 修改有關內存分配的內容

為了使系統(tǒng)支持內存GFP_DMA方式的內存分配，需要修改文件“uClinux-dist/linux-2.4.x/mmnommu/page_alloc2.c”。

3.3  動態(tài)域名解析

ez-ipupdate程序用于實現(xiàn)動態(tài)域名解析（DDNS）的功能，移植自uClinux-dist中的ez-ipupdate包。使用此模塊的 DDNS功能，系統(tǒng)開機運行即自動登記已注冊的動態(tài)域名。ez-ipupdate基本實現(xiàn)了DDNS的規(guī)范流程，但它直接讀取端口的IP地址，這對于直接使用公網(wǎng)IP的用戶是可以的。而有些計算機可能并不是直接連接公網(wǎng)，直接獲取端口IP不合適，需要適當修改程序。

本動態(tài)域名解析模塊的功能是通過www.3322.org實現(xiàn)的，獲取本機IP的過程是通過本機向www.3322.org服務器發(fā)出一個 getip的HTTP請求包，www.3322.org的服務器收到該請求包，就會按一定格式返回一個包含本機IP的包，這樣無論是直接使用公網(wǎng)IP，還是通過代理上網(wǎng)，最后獲得的都是公網(wǎng)IP。獲得IP的方法是通過監(jiān)視服務商windows下的注冊程序的網(wǎng)絡通信得到的。

3.4  應用服務模塊

應用服務模塊iplay是運行在嵌入式系統(tǒng)上用來控制系統(tǒng)硬件，同時完成與客戶端軟件交互過程的程序。系統(tǒng)啟動時會自動運行這個程序，視頻音頻壓縮處理芯片IME6410只有通過這個程序才能正常工作。其工作模式是一個多線程的工作組合模式。主控程序首先對系統(tǒng)初始化，在完成了必要的初始化過程以后創(chuàng)建與其他模塊對應的工作線程，如RTP協(xié)議處理線程、包接收控制線程、包發(fā)送控制線程、系統(tǒng)監(jiān)控線程和CDMA通訊處理線程

4  結束語

本文介紹了一種視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，該系統(tǒng)由一個基于嵌入式平臺的視頻服務器、控制中心、客戶端三大部分組成。依據(jù)系統(tǒng)的總體架構和設計思想，主要給出了嵌入式視頻服務器軟硬件的設計與實現(xiàn)。系統(tǒng)已開發(fā)完成，基本達到了預期的各項目標。

本文作者創(chuàng)新點: 系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)uCLinux設計和實現(xiàn)視頻監(jiān)控，和一般系統(tǒng)比，具有體積輕巧，安裝方便和使用靈活的優(yōu)點。

項目產生的經濟效益: 系統(tǒng)可用于安全監(jiān)控、視頻會議、遠程同步教學和VOD（視頻點播）等領域，應用范圍十分廣泛。

參考文獻
[1] 許東. 網(wǎng)絡化的全數(shù)字圖像監(jiān)控系統(tǒng). 有線電視技術,  2002, 2(9): 31-32
[2] 劉富強. 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)及應用. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2003, 3:15-17
[3] 解天霞, 李春葆. 一種適合數(shù)字遠程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡體系設計. 計算機工程與應用, 2003(23): 154-156
[4] 張崢, 張元. 基于DirectShow的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng). 微計算機信息, 2006, 11-1: 136-139
[5] 黃賢英, 肖朝輝, 陳媛. 嵌入式軟件開發(fā)方法研究及應用. 自動化技術與應用, 2004, 3(23): 56-58