摘要：提出了基于AT91RM9200微處理器的嵌入式Linux視頻監(jiān)控系統的視頻服務器設計方法。采用韓國Pentamicro公司的視頻芯片AT2042對數字視頻數據進行MPEG-4壓縮編碼，生成MPEG-4碼流。為實現交互性的要求，在嵌入式WEB服務器中采用CGI技術，對遠程監(jiān)控端的控制信息分析處理，實現B／S模式的交互功能和系統的遠程控制。與傳統的設計方法相比，該系統視頻圖像的質量得到改進，開發(fā)便捷，成本低廉，應用范圍廣。
關鍵詞：視頻服務器；AT91RM9200；嵌入式Linux；MPEG-4；視頻監(jiān)控

    視頻監(jiān)控系統以其數字化、網絡化和智能化等方面的特征廣泛應用于各種場合。隨著通信技術和網絡技術的發(fā)展，通過網絡進行重要場所的監(jiān)控越來越引起人們的關注和重視。傳統的視頻監(jiān)控系統圖像的壓縮解壓都是基于PC機，在穩(wěn)定性，可靠性方面都受到限制。近年來，隨著嵌入式技術的發(fā)展，嵌入式設備體積小、集成度高、高效可靠、可移植、功耗低等一系列優(yōu)點使得基于嵌入式的視頻監(jiān)控系統逐漸取代
了傳統的視頻監(jiān)控系統。筆者所介紹的嵌入式視頻服務器是建立在嵌入式WEB服務器的基礎上，基于AT91RM9200微處理器，采用Linux實時操作系統，由專門的視頻芯片接收數字視頻數據完成壓縮編碼，生成MPEG-4碼流，通過內部總線傳送到WEB服務器上，遠程授權用戶可以通過網絡瀏覽器觀看WEB上的圖像信息，控制圖像獲取方式。該系統保證了圖像質量，客戶端零維護，開發(fā)便捷，成本低廉。

1 系統的整體設計
    整個系統分為硬件和軟件2個部分。硬件部分分為4個模塊：視頻采集模塊，視頻壓縮編碼模塊，網絡傳輸模塊和其他輔助功能模塊。系統采用B／S模式。軟件部分分為視頻圖像采集的驅動程序，WEB服務器程序，CGI和用戶瀏覽器的網頁設計4部分。系統整體結構如圖1所示。

2 系統硬件部分
    本系統采用Atmel公司的AT91RM9200微處理器。該處理器是高性能，低功耗的32位RISC微處理器，最高主頻為180MHz，32位外部數據總線支持8／16／32位數據寬度，可對64 MB空間尋址。內部集成豐富的外設資源，MMU管理單元，16 kB SRAM和128 kB ROM，各種外圍接口，適用本系統的開發(fā)。AT91RM9200微處理器的作用是在系統上電時配置芯片的相關功能寄存器，正常運行時進行總體控制，如接受視頻數據流，配置網絡接口，實現本地存儲等功能。
2．1 視頻采集模塊
    本模塊的作用是把模擬視頻轉換成數字視頻，產生符合編碼芯片接口標準的數字視頻信號。采用的是Tl公司的TVP5150低功耗視頻A／D轉換芯片。TVP5150支持NTSC／PAL／SECAM 3種格式，可以輸出ITU-R BT．656和ITU-R BT．601兩種信號，考慮到編碼芯片的標準，本系統采用ITU-RBT．656格式8為數據串行傳輸。TVP5150的AIPIA為模擬信號輸入端，接收攝像頭的模擬視頻信號輸人。行同步脈沖和場同步脈沖分別對應HSYNC和VSYNC，分別連接編碼芯片的HSYNIN和VSYNIN2個引腳，實現圖像的行同步和場同步操作。YOUT[7：0]為數據輸出引腳，將數字視頻信號送到編碼芯片的數據接收端。SCL和SDA分別為I2C接口的串行時鐘和數據引腳，AT91RM9200對TVP5150的內部寄存器的訪問是通過I2C總線實現的。
2．2 視頻壓縮編碼模塊
    動態(tài)圖像被數字化處理成YUV格式，數據量非常大。未經壓縮的CIF格式的RGB數據至少需要58．01 Mb／s，因此視頻數據在傳輸和處理的過程中必須經過壓縮。視頻編碼標準有MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，M-JPEG和H．26x系列。本系統采用的是MPEG-4標準。MPEG(Moving Pictures Experts Group)，該專家組成立于1988年，致力于運動圖像的編碼標準化工作。MPEG-4是該專家組研制出來的于1999年正式成為ISO和IEC聯合制定的國際編碼標準。MPEG-4與其他編碼標準相比，相同比特率下，具有更高的視覺質量，可以在低帶寬的信道上傳輸。本系統采用韓國Pentamicro公司的壓縮／解壓芯片AT2042．AT2042接收經過TVP5150進行A／D轉換的數字視頻數據。AT2042支持視頻壓縮和音頻壓縮標準，支持CBR和VBR兩種碼率。采用ITU-R 656接口標準。工作原理：在AT91RM9200的控制下，要進行壓縮編碼的數據經AT2042的FIFO口輸入。AT2042的解壓是壓縮的逆過程。本系統中，AT2042的數據接收端VIN[7：0]接收TVP5150的YOUT[7：0]端輸出的數據，同時AT2042的HSYNI N和VSYNIN信號分別和TVP5150的HSYN和VSYN相連，實現圖像的行同步和場同步操作。接收來的數據送到AT2042的壓縮編碼處理單元，壓縮編碼后送到芯片外部的SDRAM中存儲，通過片內的SDRAM控制器可以實現對外部SDRAM的訪問，并通過HPI與AT91RM9200微處理器進行通信，以便遠程監(jiān)控端的實時監(jiān)控。視頻壓縮編碼框圖如圖2所示。

2．3 網絡傳輸模塊
    本模塊是采用LAN91C11構建嵌入式以太網，實現視頻數據網絡傳輸的通路。LAN91C11是SMSC公司推出的快速以太網控制器。芯片上集成MAC和PHY，符合IEEE802．3／802．U-100Base-Tx／10Base-T規(guī)范。AT91RM9200微處理器通過地址、數據、控制線和片選信號線對LAN91C11進行通信和控制。網絡傳輸硬件連接原理圖如圖3所示。AT91RM9200發(fā)送數據時，首先置發(fā)送使能信號ETXEN有效。數據發(fā)送端ETX[1：0]與LAN91C11的TXD[1：0]引腳相連接。以AT91RM9200的時鐘信號EXTCK發(fā)送視頻數據。數據的接收端ERX[1：0]與LAN91C11的RXD[1：0]引腳相連接，接收視頻數據。EMD10和EMDC分別控制芯片的讀寫。數據從DMA通道發(fā)送。在發(fā)送數據時，首先設置好傳輸控制寄存器和傳輸傳輸地址寄存器，從指定的存儲區(qū)取數據，并且記錄發(fā)送完的字節(jié)數，數據發(fā)送完之后，LAN19C11產生中斷信號，請求DMA中斷，由AT91RM9200處理。

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2．4 其他輔助功能模塊
   該模塊包括Fiafh、SDRAM、以太網接口、串口和USB接口。用來實現操作系統內核和應用程序的存儲，網絡傳輸，本地存儲和遠程控制。

3 系統軟件部分
    嵌入式Linux實時操作系統，穩(wěn)定、高效、易定制、易剪裁、開源代碼，因此本系統采用Linux操作系統。軟件部分分為Bootloader文件，Linux內核文件Linux驅動和應用程序，用戶應用程序。這里主要介紹MPEG-4和CGI技術的程序設計。
3．1 MPEG-4壓縮編碼程序設計
    本系統采用MPEG-4標準對視頻圖像進行壓縮編碼。在實現MPEG-4編碼的方式上，有硬件壓縮和軟件壓縮兩種。硬件壓縮就是利用專門的壓縮芯片對視頻信號進行MPEG-4編碼，軟件壓縮就是使用壓縮軟件對視頻信號進行編碼。AT2042支持MPEG-4壓縮標準。實現方法方面就是對其相關寄存器的配置，包括編碼模式、編碼像素點、編碼幀率和設置編碼流格式等方面。具體過程：系統上電啟動后，先配置AT2042的相關寄存器，完成初始化工作后，通過I2C總線對A／D轉換芯片TVP5150進行初始化配置。所有的寄存器配置工作完成之后，開始編碼過程。其中MPEG-4數據流接收存儲程序有AT2042的數據流緩沖器標志信號來控制。緩沖器接收數據滿之后置低RISC_INT0，AT91RM9200主控制器通過DMA通道把AT2042發(fā)送過來的碼流通過網絡通道傳輸到請求監(jiān)控視頻圖像的監(jiān)控端。壓縮編碼的流程圖如圖4所示。

3．2 CGI程序設計
    在嵌入式Linux環(huán)境下，主要有3種Web服務器，分別是httpd、thttpd和Boa。Httpd功能最弱，不支持CGI、SSL和認證。本系統需要交互操作，必須使用動態(tài)Web技術，采用Boa。Boa功能強大，支持CGI，支持SSL，支持認證。使用時只需交叉編譯，修改一下配置文件即可。CGI即通用網關接口，是外部擴展應用程序與Web服務器交互的標準?？蛻舳耸褂脼g覽器向服務器發(fā)送HTFP請求，服務器響應客戶端的請求后，引導腳本程序，對命令解析，將信息提交給后臺——CGI處理。具體到本系統，就是PC機端通過瀏覽器輸入服務器的IP地址，Web服務器根據請求進行分析，如果沒有傳來參數，則調用get-status()函數取得設備當前狀態(tài)顯示給瀏覽器。用戶根據操作界面提示完成相應的操作，填寫好表單設置設備參數并提交。CGI解析信息后通過get-status()函數設置新狀態(tài)，實現交互功能。例如調節(jié)編碼屬性，對相機控制等。
    CGI的輸入輸出基本語法：
    <FORM M ETHOD=get／post ACTOD=URL><／FORM>
    M ETHOD屬性指定將數據傳送到Web服務器的方法，輸入方法有兩種。
    1)GET方法。 此方法，表單數據會附加在所指向CGI腳本的URL后一起發(fā)送給Web服務器，Web服務器將接收到的表單數據賦予環(huán)境變量QU ERY-STR NG。
    2)POST方法。POST方法通過使用標準輸入(STDN)將表單數據傳送給Web服務器，Web服務器啟動指定的腳本，并將用戶提供的數據傳入該腳本。
    ACTON屬性定義要對表單數據進行處理的CGI腳本URL。
    CGI輸出：CGI輸出方式是將執(zhí)行結果送給標準輸出(STDOUT)進行輸出，執(zhí)行結果必須是瀏覽器能夠顯示的HTML標準格式。流程圖如圖5所示。

    CGI可以用shell腳本語言、Fottran、C語言等多種語言編寫。本系統中采用C語言實現CGI的編寫，執(zhí)行速度快，安全性高。

4 結論
    筆者介紹了基于AT91RM9200微處理器的嵌入式監(jiān)控系統的視頻服務器設計，采用A／D轉換芯片TVP5150對模擬視頻數據進行數字化處理，生成符合壓縮編碼芯片AT2042接口標準的視頻數據流。在AT91RM9100的控制和調度下，將視頻數據發(fā)送到PC端。系統采用低編碼率的MPEG-4編碼標準，CGI技術，實現可靠的圖像質量的交互功能。