嵌入式Linux网络视频监控系统研究与实现.pdf

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1、武汉理工大学硕士学位论文嵌入式Linux网络视频监控系统研究与实现姓名：杨亚雄申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：阙大顺20080401武汉理工大学硕士学位论文摘要随着网络通信技术和多媒体技术的飞速发展，全世界在网络视频方面的投入逐年加大，视频监控系统的应用也越来越广泛。视频监控在经历了第一代模拟系统、第二代数字化本地系统之后，正向着视频数字化、传输网络化与监控智能化的方向发展。目前，第三代数字化网络视频监控系统，可实现对大量视频数据实时地、远距离地传输，为人们提供了直观、快捷、有效的信息。本文在分析前人研究成果的基础上，将嵌入式技术与网络技术相结合，研究了一种基于嵌入式L i n

2、 u x 的网络视频监控系统方案并进行了仿真实现。本文研究的主要内容如下：1 系统归纳总结了视频监控系统的国内外发展现状和研究热点，概述了嵌入式系统的定义、特点与组成。2 分析了视频监控系统的组成，经过比较选型，以嵌入式L i n u x 和微控制器$3 C 2 4 1 0 为核心开发平台，以U S B 摄像头作为视频采集设备，进行了系统总体方案设计。3 讨论了系统的硬件开发平台，分析了系统软件层次结构，总结了本文的软件开发流程，并分析了整个系统的工作流程。4 建立了嵌入式L i n u x 软件开发平台，其中包括交叉编译环境的建立、T F T P 和N F S 的配置、系统引导代码的配置移植

3、、L i n u x 内核的配置编译以及根文件系统的构建等。5 研究了L i n u x 下设备驱动与文件系统的关系，分析了L i n u x 设备驱动程序开发流程，进行了U S B 设备驱动程序设计，实现了U S B 摄像头的驱动加载；同时研究了基于V i d c 0 4 L i n u x 的视频编程，实现了摄像头图像采集。6 针对基于C S 和B S 模式的两种网络监控系统结构，研究了套接字编程原理，详细阐述了基于T C P I P 协议网络通信的具体实现过程和方法，并构建了嵌入式W e b 服务器，实现了嵌入式网络视频监控。关键词：嵌入式L i n u x，U S B 摄像头，V i

4、d c 0 4 L i n u x，图像采集，嵌入式W e b 服务器武汉理工大学硕士学位论文A B S T R A C TW i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y,t h em p u to fw o r l d w i d en e t w o r kv i d e oi si n c r e a s i n gy e a rb yy e a r V i d e om o n i

5、t o r i n gs y s t e mh a sb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e d A f t e rt h ef i r s tg e n e r a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e ma n dt h es e c o n dg e n e r a t i o nd i g i t a ll o c a ls y s t e m,v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p i n gt o w a r d sd

6、i g i t a lv i d e o，t r a n s m i s s i o nn e t w o r k,m o n i t o r i n gi n t e l l i g e n c e A tp r e s e n t,ag r e a td e a lo fv i d e od a t ac o u l db et r a n s p o r t e dt i m e l ya n dd i s t a n t l yb yt h et h i r dg e n e r a t i o ns y s t e m A n dv i s u a l，s h o r t c u t

7、a n de f f e c t i v ei n f o r m a t i o ni sp r o v i d e df o rp e o p l e O nt h eb a s i so ft h ef o r m e rr e s e a r c hp r o d u c t i o n,an e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nE m b e d d e dL i n u xi sr e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n I tc o

8、 m b i n e st h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yw i t hn e t w o r kt e c h n o l o g y F i n a l l y,t h es i m u l a t i o ni m p l e m e n t a t i o ni sc a r r i e do u t T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r er e c a p i t u l a t e da sf o l l o w s

9、：1 T h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o n,r e s e a r c hf o c u so fv i d e om o n i t o r i n gs y s t e ma th o m ea n da b o a r da r es y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e d T h ed e f i n i t i o n,c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m p o s i t i o no fe m b e d d e ds y s t e m

10、i s1 2 T h ec o m p o s i t i o no f v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi sa n a l y z e d A f t e rc o m p a r i s o na n ds e l e c t i o n,e m b e d d e dL i n u xa n dm i c r o p r o c e s s o r$3 C 2 410a l eu s e da sc o r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m A n dt h eU S Bc a m e r ai s

11、u s e da sv i d e oc a p t u r i n gd e v i c e T h eg e n e r a ld e s i g no ft h es y s t e mi Sc a r d e do u t 3 T h eh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma sw e l la ss o f t w a r eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ei Sd i s c u s s e d T h ed e v e l o p m e n tf l o wo ft

12、 h eS O f h V a r ei Ss u m m a r i z e d A n dt h e nt h ew o r kf l o wo ft h ew h o l es y s t e mi sa n a l y z e d 4 T h es o f td e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do ne m b e d d e dL i n u xi Se s t a b l i s h e d I ti n c l u d e st h ec o n s t r u c t i o no fc r o s s c o m p i

13、l e re n v i r o n m e n t,t h ec o n f i g u r a t i o no fT F T Pa n dN F S，t h et r a n s p l a n t a t i o no fs y s t e mb o o tc o d e，t h ec o n f i g u r a t i o na n dt r a n s p l a n t a t i o no fk e r n e l，t h ec o n s t r u c t i o no ft h er o o tf i l es y s t e m 5 T h er e l a t i

14、 o n s h i pb e t w e e nd e v i c ed r i v e ra n df i l es y s t e mi nL i n u xi S武汉理工大学硕士学位论文r e s e a r c h e d T h ed e v e l o p m e n tf l o wo ft h eL i n u xd e v i c ed r i v e ri sr e s e a r c h e d A n dt h eU S Bd e v i c ed r i v e ri sd e s i g n e da n ds u c c e s s f u l l yl o a

15、 d e d M e a n w h i l e，t h ev i d e op r o g r a mb a s e do nV i d e 0 4 1 i n u xi sr e s e a r c h e d mi m a g ec a p t u r i n gb yt h eU S Bc a m e r ai sr e a l i z e d 6 A c c o r d i n gt ot h et w on e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m sb a s e do nC Sa n dB Sa r c h i t e c t u r

16、e s，t h ep r i n c i p l eo fs o c k e tp r o g r a mi sr e s e a r c h e d n l es p e c i f i cr e a l i z a t i o np r o c e s sa n dm e t h o do fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na r ed e s c r i b e di nd e t a i l A n dt h e nt h ee m b e d d e dW e bs e r v e ri sc o n s t r u c t e d A n

17、 dt h ee m b e d d e dn e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gi sr e a l i z e d K e y w o r d s：E m b e d d e dL i n u x，U S BC a m e r a,I m a g eC a p t u r i n g，V i d e 0 4 L i n u x，E m b e d d e d 黝S e r v e rI I I独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或

18、撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意研究生(签名)：关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生(签名，：巡导师(签名)：岫日武汉理工大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 课题研究的目的与意义视频图像是对客观事物形象生动的描述，是直观而具体的信息表达形式，是人类最重要的信

19、息载体。随着网络、通信和微电子技术的快速发展和人民物质生活水平的提高，视频监控以其直观、方便和内容丰富等特点，日益受到人们的青睐。伴随着互联网的普及和多媒体技术在互联网上的应用，实时传送视频、音频、多媒体动画等数字媒体文件的技术越来越成为研究热点，这种传输技术称为流媒体传输技术。在监控领域中，数字化和网络化成为一种趋势，采用最新的计算机、通讯、图像处理技术，通过以太网及其他网络传输视频图像，可为远程视频监控提供高效可行且价格低廉的解决方案。结合多媒体技术、视频图像压缩技术、网络通信技术的飞速发展，数字化的网络视频监控系统正迅速崛起。这种新型的视频监控系统的迅速崛起，取代了以视频矩阵图像分割器、

20、录像机为核心，辅以其它设备的模拟视频监控系统【l 圳。进入2 1 世纪，嵌入式技术、多媒体图像处理技术的进一步发展，为嵌入式网络视频监控系统的发展提供了技术条件。嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，具有高可靠性、低成本、严要求、综合性强的专用计算机系统，它主要由嵌入式微处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，集软、硬件于一体，能够独立工作 3 1。嵌入式系统具有实时性好，稳定性强等特点，在网络视频监控中得到快速发展。因此，加强对嵌入式系统的研究，尤其是嵌入式网络视频监控系统的研究，对我国监控行业今后的发展有着重要意义。1 2 国内外相关研究现状视频监控一直是人们关注的应

21、用技术热点之一，它以其信息内容丰富、直观而被广泛应用。在电子技术与通信技术的发展过程中，图像监控系统的技术武汉理工大学硕士学位论文水平，直接反应了不同阶段电子与通信的技术现状。在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品【1 1。前者的技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到了广泛应用。后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩技术为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟视频监控系统的部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。目前，视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并逐渐向数字系统过渡的阶段。数字信号控制的模拟视频监控系统现在分为两种

22、类型：一个是基于微处理器的视频切换控制加P C 机的多媒体管理；另一个是基于P C 机实现对矩阵主机的切换控制及对系统的多媒体管理。基于微处理器的视频切换控制加机的多媒体管理利用微处理器固件发展的矩阵切换器，将原来分散的全硬件视频监控系统微型集中化，如将视频切换、对前端的控制等功能集合一起，一机处理。基于P C 机的视频监控系统采用软件设计，实现摄像机到监视器的视频矩阵切换，云台和镜头的控制，通过串口连接报警设备的报警信息，并通过程序编程自动完成视频切换、云台控制、报警联动、报警录像等各项控制功能。系统能充分利用P C 机的资源，使视频监控系统随机算计技术的发展而不断进步，同时其开放性的结构特

23、性更可使之与其它多种系统如与消防报警系统、出入口管理系统、楼宇自控系统等实现互动集成。数字控制模拟视频监控系统随着微处理器、微机性能的增强和提高，多媒体技术的应用，系统在功能、性能、可靠性、结构方式等方面都发生了很大的变化，视频监控系统的构成更加方便灵活，与其它技术系统的接口趋于规范，人机交互界面更为友好。但由于视频监控系统中信息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，且介质专用，因此系统尽管已发展到很高的水平，但是无太多潜力可挖，其局限性依然存在，要满足更高的要求，数字化是必由之路。随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展

24、、数字视频监控系统迅速崛起，现今市场上有两种数字视频监控系统类型，一种是以数字录像设备为核心的视频监控系统，另一种是以嵌入式视频W e b 服务器为核心的视频监控系统。数字监控录像系统通常分为两类：一类是基于P C 机组合的计算机多媒体工作方式；另一类是嵌入式数字监控录像系统。基于P C 机的多媒体监控主机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等的众多功能，使系统结构大为简化。同时采用计算机网络技术，数字多媒体远程网络监控不受距离限制。2武汉理工大学硕士学位论文采用大容量磁盘阵列存盘器或光盘存储器，可以节省大量的磁带介质，同时有利于系统实现多媒体信息查询。嵌入式的视频监控系统以应用为中心，软硬件可

25、裁减的，对功能、可靠性、成本、体积等综合性严格要求的专用计算机系统，亦即为监控系统量体裁衣的专用计算机系统1 3】。系统小，指令精简，处理速度快，系统数据置于R O M F L A S HM E M O R Y，调用速度快，不会被改变，稳定性好。但在网络功能、音视频同步等方面也难令人满意。随着嵌入式I n t e m e t 技术的发展，国外许多大公司包括E m W a r e、M i c r o c h i p、P h i l i p s 和M o t o r o l a 等在内的数十家公司联合成立了“嵌入式I n t e m e t 联盟(E T I)，专门讨论和制定嵌入式领域的I n t

26、 e m e t 标准和开发相关的技术，共同推动这一市场【4】。实现嵌入式I n t e m e t 系统的W e b 化，其实质就是实现嵌入式w 曲服务器。以嵌入式视频W e b 服务器为核心的视频监控系统，采用嵌入式实时多任务操作系统【5】。摄像机送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过内部总线到内置的W e b 服务器，网络上用户可以直接用浏览器观看W e b 服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操作。由于把视频压缩和功能集中到一个体积很小的设备内，可以直接连入局域网，达到即插即看，省掉多种复杂的电缆，安装方便，用户也无需安装任何硬件设备

27、，仅用浏览器即可观看。同时还具有如下优点：布控区域广阔。嵌入式视频W e b 服务器监控系统的W e b 服务器直接连入网络，没有线缆长度和信号衰减的限制，同时网络是没有距离概念的，彻底抛弃了地域的概念，扩展布控的区域。系统具有几乎无限的无缝扩展能力。所有设备都以地址进行标识，增加设备只是意味着P 地址的扩充。可组成非常复杂的监控网络，采用基于嵌入式W e b 服务器为核心的监控系统，在组网方式上与传统的模拟监控和基于平台的监控方式有极大的不同，由于W e b 服务器输出已完成模拟到数字的转换并压缩，采用统一的协议在网络上传输，支持跨网关、跨路由器的远程视频传输。性能稳定可靠，无需专人管理。嵌

28、入式服务器实际上基于嵌入式微处理器技术，采用嵌入式实时多任务操作系统，又由于视频压缩和功能集中到一个体积很小的设备内，直接连入局域网或广域网，即插即看，系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。当监控中心需要同时观看较多个摄像机图像时，对网络带宽就会有一定的要求。3武汉理工大学硕士学位论文1 3 嵌入式系统概述随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机，使现代科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式控制器技术的出现则给现在工业控制领域带来了新的技术革命。嵌入式系统的快速发展和应用的日益广泛也极大的丰富、延伸了嵌入式系统的概念。1 3 1 嵌入

29、式系统的定义根据I E E E(国际电气与电子工程师协会)的定义【3】，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。这主要是从应用上进行定义的，目前看其定义并不能充分表达出嵌入式系统的精髓。“嵌入性、“专用性 与“计算机系统 是嵌入式系统的三个最基本的要素。今天国内普遍认同的定义是：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【3-6 1。简单的说嵌入式系统就是系统硬件与应用软件的一体化，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特别适合于有实时性要求的多任务体系。1 3 2 嵌入式

30、系统的特点嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，归纳起来有如下特点【6】：1)软硬件一体化、集计算机技术、微电子技术和行业技术于一体；2)需要操作系统支持、代码占有空间少、执行速度快；3)专用紧凑、用途固定、成本、体积敏感；4)可靠性、实时性要求高；5)多样化，应用广泛。1 3 3 嵌入式系统组成嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌4武汉理工大学硕士学位论文入式应用软件等四大部分组成 7 1，如图1-1 所示。嵌入式应用软件嵌入式操作系统嵌入式处理器嵌入式外围设备嵌入式硬件平台图1 1 嵌入式系统组成框图嵌入式系统分为硬件和软件两个部分。1)嵌入式系统硬件嵌入

31、式系统硬件的核心部件是嵌入式处理器【8 J。目前，世界上具有嵌入式功能的处理器已超过1 0 0 0 种，主要分为四类：嵌入式微处理器嵌入式微控制器嵌入式D S P(D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s)处理器嵌入式片上系统嵌入式微处理器是由通用计算机中C P U 的演变而来的，它是具有3 2 位以上的处理器，性能、价格高。在实际应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。目前主要的嵌入式微处理器类型有A m l8 6 8 8、3 8 6 E X、S C 一4 0 0、P o w e r

32、P C、6 8 0 0、M I P S、A R M S 仃o n gA R M 系列等【9。1 2 1。嵌入式微控制器的典型代表是单片机，它是目前嵌入式系统工业的主流，单片机芯片内部集成了R O M E P R O M(E r a s a b l eP r o g r a m m a b l eR e a d O n l yM e m o r y,可擦除可编程只读存储器)、R A M(R a n d o mA c c e s sM e m o r y,随即存储器)、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、串行1 2 1、脉宽调制输出、A D、D A、F l a s h 等各种必要功能与外设。与嵌入

33、式微处理器相比，它的最大特点是单片化，体积大大减小，从而功耗与成本下降。嵌入式D S P 处理器是专门用于信号处理方面的处理器。嵌入式D S P 处理器广泛应用于数字滤波、F F T、谱分析领域。嵌入式片上系统是追求产品系统最大包容的集成器件，它实现了软硬件的5武汉理工大学硕士学位论文无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。2)嵌入式系统软件嵌入式系统的软件由嵌入式操作系统和基于操作系统的应用程序组成。起初，简单的嵌入式系统不使用操作系统，它只包含一些控制流程，但随着嵌入式系统日益复杂，简单的流程控制已不能满足系统的要求，为此，7 0 年代末，嵌入式操作系统E O S(E m b e

34、 d d e dO p e r a t i n gS y s t e m)就应运而生，它具有小巧、可装卸、代码固化、弱交互性、强稳定性、实时性和具有统一的接口等特点，它的出现大大简化了应用程序设计，并有效地保障软件质量和缩短开发周期【1 0 1。目前使用较多的E O S 产品有开源的L i n u x、W m d R i v e r 公司的V x w o r k s、Q N X 公司的Q N X、P a l m 公司的P a l m O S、M i c r o s o f t 公司的W 协d O W SC E t l 3 J。其中，V x w o r k s 使用最为广泛、市场占有率最高，其突

35、出特点是实时性强采用优先级抢占和轮转调度等机制，具有可靠性和可剪裁性。Q N X 是一种伸缩性极佳的系统，具核心、实时P O S I X 环境和完整的窗口系统在一起不到一兆。M i c r o s o f tW m C E 的核心体积庞大，实时性能也差强人意，但由于W m d o w s 系列友好的用户界面和为程序员所熟悉的A P I，并捆绑I E、O f f i c e 等应用程序，使其具有一定的市场份额。与商业化的操作系统相比，开源L i n u x 系统的小巧灵活、强大的网络、硬件及开发工具支持等优点使其具有较高的市场占有率【1 纠5 1。嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的

36、硬件平台，并能完成用户预期目标的计算机软件。由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。在一些简单的应用场合应用软件可以不需要专门的操作系统【1 6 J。嵌入式应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，和通用计算机的应用软件有一定的区别，要求尽可能地进行优化，减少对系统资源的消耗。嵌入式软件的特点如下：软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器中。软件代码要求高质量、高可靠性。半导体技术的发展使处理器速度不断提高，也使存储器容量不断增a n；但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此，程序

37、编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码的长度，提高执行速度。系统软件的高实时性是基本要求。在多任务嵌入式系统中，对重要性各6武汉理工大学硕士学位论文不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，这不能靠单纯提高处理器的速度，必须由优化编写的系统软件来完成。多任务实时操作系统成为嵌入式应用软件的必需。随着嵌入式应用的深入和普及，接触到的实际应用环境越来越复杂，嵌入式软件也越来越复杂。支持多任务的实时操作系统成为嵌入式软件必需的系统软件。1 4 本文研究目标和主要内容根据当前的视频监控系统的发展现状和研究热点，本论文将围绕嵌入式L i n u x 网络视频监控系统开展研究

38、，主要研究内容如下：1)确立视频监控系统的设计方案；2)建立嵌入式L i n u x 开发环境；3)分析基于L i n u x 下U S B 驱动程序原理，实现U S B 摄像头驱动程序设计；4 )分析基于V i d e 0 4 L i n u x 的视频编程原理，实现图像采集程序设计；5)分析T C P I P 协议网络结构，研究S o c k e t 套接字编程原理；6 1 建立嵌入式视频服务器，实现摄像头视频采集数据的网络传输。全文的内容安排如下：第1 章概述了视频监控的现状与发展，嵌入式技术在网络视频监控中的应用以及嵌入式系统的定义、特点和组成。第2 章分析了嵌入式视频监控系统组成，讨

39、论了硬件开发平台和软件的选择，从而得出系统的整体构架。第3 章完成了嵌入式交叉编译环境的建立，启动代码的移植，嵌入式内核的移植和文件系统的构建。第4 章研究了L i n u x 下驱动程序开发和U S B 摄像头驱动程序设计，并完成摄像头驱动加载。研究了基于V i d e 0 4 L i u n x 的视频编程原理，实现了图像视频采集程序设计。第5 章研究了T C P I P 网络结构，套接字编程原理，讨论C S 和B S 两种模式的视频服务器的设计，并进行系统调试。第6 章对该系统设计所完成的任务进行了总结，并做了展望。7武汉理工大学硕士学位论文第2 章嵌入式视频监控系统设计嵌入式视频监控系

40、统涉及通信技术和视频压缩技术等多方面要点，良好的总体方案设计是系统开发成功的关键，本章给出了系统的总体设计方案，分别从硬件方案和软件方案两个方面进行设计。2 1 嵌入式视频监控系统组成嵌入式视频监控系统是前端采集并通过网络传输至后台从而实现视频监控功能的嵌入式视频系统【1 7】。前端采集采用当前流行的嵌入式开发平台实现，后台宿主机为普通的P C 机，通过宿主机上的客户端软件来浏览前端采集的图像数据。系统的组成框图如图2 1 所示。嵌客户端中心控制部分I：监控端I图2 1 嵌入式视频监控系统组成框图系统由三部分组成，各部分的功能如下。1)监控端：主要由摄像头组成，把现场采集到的视频信号传送到中心

41、控制部分。传统的视频采集设备包括摄像头、视频采集卡和视频采集、编辑软件。由于视频采集卡价格非常昂贵，系统选用成本较低、图像质量较高的摄像头作为其视频采集设备。随着C M O S 和C C D 图像传感器技术的发展，摄像头的性价比高、功耗小、即插即用、接口标准和支持多种格式高质量图像输出等优点使得它有着十分广泛的应用。8武汉理工大学硕士学位论文2)中心控制部分：嵌入式视频监控系统的核心，是一个嵌入式网络视频服务器，负责监控端采集的视频信号的压缩与网络传输。嵌入式网络视频服务器的实现基于嵌入式技术，无需P C 机的协助而独立进行工作。3)客户端：局域网及I n t e m e t 上的用户通过专用

42、软件或浏览器实时观看视频服务器中的视频。2 2 嵌入式视频监控系统设计方案本系统设计分为硬件和软件两大部分1 7】。硬件部分包括摄像头和硬件开发平台等；软件部分包括系统级软件(操作系统和驱动程序)与用户级软件(视频服务器和客户端专用软件)等。2 2 1 摄像头的选择摄像头是由镜头、传感器、数字信号处理器(D S P)、连线、电路板及阻容等周边器件构成，其中最关键的是镜头，传感器和D S P。选择标准是以清晰度高，图像流畅的为好。镜头是对光线的最重要部位。一般按照材料分主要有3 种：玻璃镜片、塑胶镜片和化合物的。玻璃镜片是最好的，其通光系数大，一般好的镜头的通光口径也会做的较大，在光线不是很好的

43、时候也可以得到较好的效果，但是价格要高点。塑胶的通光要差点，但是价格便宜，就这点也得到了一些中低端用户的认可。而化合物的镜头比较少。综合考虑，本系统中选用的摄像头镜头是塑胶镜片的。传感器是将光信号转换成电信号的器件，目前市场见到的主要有两种：一种是C C D，一种是C M O S。C C D 是一种特殊的半导体材料。它是由大量独立的光敏元件组成，每个光敏元件也叫一个像素。这些光敏元件通常是按矩阵排列的，光线透过镜头照射到C C D 上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。当C C D 工作时，将各个元件的信息传送到模数转换器上，模拟电信号经过模数转换器处理后变成数字信号

44、，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。C M O S 主要是利用硅和锗这两种元素做成的半导体，通过C M O S 上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可9武汉理工大学硕士学位论文被处理芯片记录和解读成影像。C C D 成像像素高，清晰度高，色彩还原系数高，速度对光线要求不高，但是由于技术垄断、制造工艺复杂、成品率低，其造价非常昂贵，功耗大，经常应用在高档次数码摄像机、数码照相机中；而C M O S在成像方面稍微差一些，特别光线差时，速度较慢，但是其价格低廉，并且C M O S针对C C D 最主要的优势

45、就是非常省电，不像由二极管组成的C C D，C M O S 电路几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗，一般应用在低档相机，数码摄像头和玩具中。综合考虑，本系统中使用的传感器是C M O S。目前用于摄像头的D S P 主要有中国中芯微公司D S P 的芯片(Z C 0 3 0 1 P 和Z C 0 3 0 2 P)和美国公司的O V 5 l l+芯片。在国内市场上的摄像头基本上采用的是中芯微公司的芯片，而O V 5 1 l+的芯片的摄像头则比较难找到。考虑到中芯微的市场普及率，本系统中采用了的中芯微Z C 0 3 0 1 P 芯片的摄像头。2 2 2 嵌入式处理器的选择A R

46、M 即A d v a n c e dR I S CM a c h i n e 的缩写，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是嵌入式技术的名字【1 3 1。A R M 处理器目前包括以下几个系列：A R M 7 系列，A R M 9，A R M 9 E 系列，A R M l 0 E 系列，S e c u r C o r e 系列，I n t e l 公司的X s c a l e 和S t r o n g A R M 等等【8】。除了具有A R M 体系结构的共同特点以外，每个系列的A R M 微处理器都有各自的特点和应用领域。在所有的系列中，A R M 7、A

47、 R M 9、S e c u r C o r e、A R M l 0 E 为4 个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。S e c u r C o r e 系列专门为安全要求较高的应用而设计。X s c a l e 系列性能高达1 2 0 0 M I P S，功耗测量为u W M I-I z，并且所有体系结构兼容【l 引。本文的开发平台使用基于A R M 9 核心的处理器，A R M 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供了最佳的性能1 5 1：1)5 级整数流水线，指令执行效率更高。2)提供1 1 M I P S M H z 的哈佛结构。3)支持3

48、2 位的高速A M B A 总线接口。4)全性能的M M U，支持W m d o w s C E、L i n u x、P a l mO S 等各种主流嵌入式操作系统。5)M P U 支持实时操作系统。6)支持数据C a c h e 和指令C a c h e，具有更高的指令和数据处理能力。1 0武汉理工大学硕士学位论文A R M 9 系列微处理器包含A R M 9 2 0 T、A R M 9 2 2 T 和A R M 9 4 0 T 三种类型内核，主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。本平台采用的是S a m s u n g 公司推出的1 6 3

49、2 位的R I S C 处理器$3 C 2 4 1 0 A,它是基于A R M 9 2 0 T 内核的3 2 位R I S C 处理器，主频可达2 0 3 M：带独立的1 6 K B指令c a c h e 和1 6 K B 数据c a c h e，M M U 虚拟内存管理单元，使得程序运行以及数据存储更加高效。并可以支持W I N C E n e t、L i n u x 和u C O S I I 等多种业内主流的操作系统。同样它还采用了一种叫做A d v a n c e dM i c r o c o n t r o l l e rB u sA r c h i t e c t u r e(A M

50、 B A)新型总线结构。$3 C 2 4 1 0 A 有如下片内资源【l 剐：外部存储控制器(S D R A MC o n t r o la n dC h i pS e l e c tl o g i c)；L C D 控制器(带有D M A G 功能)，8 通道1 2 0 位A D C 和触摸屏接口；4 通道D M A，带有外部D M A 请求引脚；3 通道U A R T(I r D A l 0，1 6 一B y t eT xF I F O，1 6 B y t eR xF I F O)，2 通道S P I；多主I I C 总线和I I S 总线控制器；S D 接口v 1 0 和多媒体卡协议v