基于Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機設計

0 引言

基于同軸電纜的視頻監控系統結構復雜、穩定性差、可靠性低且價(jià)格昂貴，因而出現了嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機等遠程Web視頻監控系統。本嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機，采用高性能的ARM9芯片作微處理器，內置嵌入式Web服務(wù)器―Boa，通過(guò)嵌入式多任務(wù)操作系統―Linux采集攝像機視頻數據；攝像機采集的視頻信號數字化后經(jīng)MJPEG算法壓縮，壓縮后的視頻流再通過(guò)內部總線(xiàn)送到內置的Web服務(wù)器；通過(guò)在網(wǎng)頁(yè)中嵌入圖像播放器，用戶(hù)可以直接通過(guò)瀏覽器觀(guān)看Web服務(wù)器上的攝像機圖像；通過(guò)通用網(wǎng)關(guān)接口CGI，授權用戶(hù)還可以控制攝像機、云臺和鏡頭的動(dòng)作或直接通過(guò)Web實(shí)現對系統進(jìn)行配置。

1 嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機系統原理及組成結構

嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機的基本原理：在嵌入式Linux操作系統中內置Web服務(wù)器Boa，攝像機采集視頻信號并將其數字化，經(jīng)MJPEG壓縮后，傳送到內置的Web服務(wù)器，通過(guò)Web頁(yè)面將視頻信息發(fā)布到Internet。由于嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機是視頻采集終端和Web服務(wù)器的融合，因此，用戶(hù)可以直接通過(guò)瀏覽器觀(guān)看攝像機拍攝的視頻圖像，達到遠程監控的目的。

整個(gè)系統由視頻采集模塊、視頻壓縮模塊、Web服務(wù)器、通用網(wǎng)關(guān)接口、Web頁(yè)面等5個(gè)部分組成。 其硬件結構如圖1所示：

圖1 嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機硬件結構圖

視頻采集模塊包括以S3C2410X為核心的中央控制和數據處理中心，以及USB Camera數據采集單元。中央控制和數據處理中心主要完成視頻采集終端的控制和視頻圖像的壓縮；Web服務(wù)器完成基本服務(wù)器的功能，負責響應HTTP請求，配合視頻采集、壓縮模塊完成圖像信息發(fā)布；通用網(wǎng)關(guān)接口―CGI，可以根據用戶(hù)輸入的數據信息，控制攝像機、云臺和鏡頭的動(dòng)作或直接通過(guò)Web實(shí)現對系統進(jìn)行配置。

嵌入式微處理器是嵌入式系統的“硬核”。微處理器的選擇將對整個(gè)嵌入式系統的成本和性能產(chǎn)生決定性的影響。目前，比較流行的處理器主要有：Power PC 、MIPS、Intel、ARM等。ARM（Advanced RISC Machines）公司是一家全球領(lǐng)先的嵌入式微處理器IP(Intellectual Property )核提供商，它設計了一系列高性能、低功耗、低成本和高可靠性的RISC處理器核、外圍部件和系統級芯片應用解決方案。當前，ARM系列微處理器核廣泛應用于便攜式通訊設備、手持終端、多媒體數字消費產(chǎn)品等嵌入式系統解決方案中。本設計選用以ARM920T為核心的S3C2410X 32位微處理器，該處理器集成了LCD控制器、USB Host、USB Slave、NAND控制器、中斷控制、功率控制、UART、SPI、SDI/MMC、IIS、GPIO、RTC、TIMER/PWM、ADC等豐富的資源。

操作系統是嵌入式系統的“軟核”。早期的嵌入式系統，由于當時(shí)還沒(méi)有操作系統的概念，系統的主要功能都是用匯編語(yǔ)言實(shí)現的，其兼容性、通用性及擴展性都很差。隨著(zhù)硬件性能不斷提高，在嵌入式系統中使用通用操作系統已成為現實(shí)。在嵌入式系統中引入操作系統后，利用軟件工程的思想指導嵌入式系統開(kāi)發(fā)，其開(kāi)發(fā)效率和資源可重用率都將得到很大的提高。目前較為流行的嵌入式操作系統有：VxWorks、Neculeus、WindowsCE、Linux等。相對其它商業(yè)操作系統，Linux這個(gè)開(kāi)源網(wǎng)絡(luò )操作系統有以下獨特優(yōu)勢：

（1） 價(jià)格低廉。在保證產(chǎn)品性能的前提下，價(jià)格永遠都是系統設計時(shí)必須考慮的重用因素之一。由于Linux來(lái)源于開(kāi)源社區，相對于其它商業(yè)操作系統，其價(jià)格幾乎為零。

（2） 文檔豐富。全世界的Linux程序員都是技術(shù)顧問(wèn)，任何人都可以在開(kāi)源社區得到其系統所需要的文檔和幫助。

（3） 網(wǎng)絡(luò )性能優(yōu)良。與Unix一脈相承的Linux支持多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，并能夠使系統長(cháng)期穩定運行。

（4） 知識創(chuàng )新。在國產(chǎn)操作系統中，嵌入式操作系統被認為是唯一可以趕超國外同行的操作系統。而Linux是操作系統中的佼佼者，任何人都可以遵照GPL規則發(fā)布包含自己知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，可以高效地進(jìn)行知識創(chuàng )新，少走彎路。

為此，本設計選用高性能ARM9芯片和嵌入式Linux操作系統。

2 視頻采集模塊設計與實(shí)現

視頻采集模塊是嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機的核心模塊之一。它通過(guò)嵌入式Linux操作系統調度V4L（video4linux）和影像設備驅動(dòng)程序來(lái)完成視頻捕獲。V4L是Linux影像系統與嵌入式影像的基礎，是Linux kernel里支持影像設備的一組APIs，配合適當的視頻采集卡與視頻采集卡驅動(dòng)程序，V4L可以實(shí)現影像采集、AM/FM無(wú)線(xiàn)廣播、影像CODEC、頻道切換等功能。目前，V4L主要應用在影像串流系統與嵌入式影像系統里，其應用范圍相當廣泛，例如：遠程教學(xué)、遠程醫療、視頻會(huì )議、視頻監控、可視電話(huà)等。V4L為2層式架構，最上層為V4L驅動(dòng)程序，最下層則是影像設備驅動(dòng)程序。

在Linux操作系統中，外部設備都作為設備文件來(lái)處理，因此，對外部設備的操作就轉變成對設備文件的操作。視頻設備文件位于/dev/目錄下，一般情況下為video0。當攝像機通過(guò)USB接口連接到視頻采集終端后，在程序中調用V4L APIs對設備文件video0的讀操作即可實(shí)現攝像頭視頻數據采集。其主要過(guò)程如下：

1) 打開(kāi)設備文件： int v4l_open(char *dev, v4l_device *vd){}打開(kāi)影像源的設備文件；

2) 初始化picture： int v4l_get_picture(v4l_device *vd){} 獲取輸入的影像信息；

3) 初始化channel：int v4l_get_channels(v4l_device *vd){} 獲取每個(gè)channel的信息；

4) 對channel設置norm：int v4l_set_norm(v4l_device *vd, int norm){} 對所有的channel設置norm；

5) 設備地址映射：v4l_mmap_init(v4l_device *vd){} 返回存放圖像數據的地址；

6) 初始化mmap緩沖區： int v4l_grab_init(v4l_device *vd, int width, int height){}；

7) 視頻捕獲同步： int v4l_grab_sync(v4l_device *vd){}；

8) 視頻捕獲： int device_grab_frame(){}。

通過(guò)以上操作，即可將攝像機視頻數據采集到內存。采集到內存的視頻數據既可采用文件的形式保存，也可將其壓縮后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)布到Internet。本設計采用后一種處理方法，即：將采集的視頻數據經(jīng)MJPEG壓縮，生成視頻數據流并發(fā)布到Internet。

3 視頻壓縮模塊設計

由于攝像機采集到的視頻數據信息量較大，如果直接將其處理成視頻，將會(huì )給視頻處理和網(wǎng)絡(luò )數據傳輸帶來(lái)很大的負擔。因此，本設計采用高性能ARM9處理器對采集到的數據進(jìn)行MJPEG壓縮。

JPEG（Joint Photographic Experts Group）―聯(lián)合圖像專(zhuān)家組的簡(jiǎn)稱(chēng)，它的主要目標是研究具有連續色調圖像（包括灰度和彩色圖像）的壓縮算法，是MJPEG的基礎。JPEG算法被確定為靜態(tài)數字圖像壓縮的國際標準，不僅適用于靜止圖像壓縮，而且適用于電視圖像序列的幀內圖像壓縮。由于JPEG壓縮采用的是全彩影像標準，其主要處理過(guò)程包括：色彩模型轉換、離散余弦―DCT變換、重排DCT結果、量化、編碼等。

MJPEG是Motion JPEG的縮寫(xiě)，即動(dòng)態(tài)JPEG。它將動(dòng)畫(huà)播放與JPEG結合，按照25幀/秒的速度使用JPEG算法壓縮視頻信號，完成動(dòng)態(tài)視頻的壓縮。

4 Web服務(wù)器設計

在資源有限的嵌入式設備中可以使用的輕量級Web Server有：httpd、thttpd、boa等。本設計選用開(kāi)源的、支持CGI的Boa Web Server，其主要移植過(guò)程如下：

（1）到www.boa.org下載最新軟件包并解壓到相關(guān)目錄。

（2）在目錄boa/src下的defines.h文件頂部設置默認的SERVER_ROOT路徑。

（3）選擇交叉編譯工具。在boa目錄下使用 ./configure --host=i686-pc-Linux-gnu --target=arm-Linux 完成對boa的配置。

（4）執行make編譯boa后即在src/目錄下生成可執行文件boa。

（5）對boa.conf文件進(jìn)行配置。主要完成對boa運行的端口號、Server 根目錄、log files、html文件、cgi文件目錄及可讀寫(xiě)的temp目錄的屬性的設置。

5 瀏覽器與服務(wù)器之間的通信―通用網(wǎng)關(guān)接口

CGI（Common Gateway Interface）是外部應用擴展程序與WWW服務(wù)器交互的一個(gè)標準接口。按照CGI標準編寫(xiě)的外部擴展程序能夠處理客戶(hù)端瀏覽器輸入的數據，從而完成客戶(hù)端與服務(wù)器的交互、實(shí)現動(dòng)態(tài)Web技術(shù)。在本設計中，當用戶(hù)通過(guò)瀏覽器向網(wǎng)絡(luò )攝像機發(fā)送控制信息（比如控制攝像機云臺的動(dòng)作等）時(shí)，服務(wù)器守護進(jìn)程啟動(dòng)CGI模塊，CGI模塊通過(guò)串口將控制命令傳送給云臺，使云臺執行相應的動(dòng)作。其流程圖如圖2所示：

圖2 CGI控制云臺動(dòng)作原理流程圖

6 Web頁(yè)面的設計

在本嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機中，Web頁(yè)面的主要功能是顯示W(wǎng)eb頁(yè)面及動(dòng)態(tài)視頻信息。由于標準的html網(wǎng)頁(yè)只具有顯示文字和圖片的功能，因而無(wú)法在標準的html網(wǎng)頁(yè)里嵌入一個(gè)窗口來(lái)“實(shí)時(shí)”觀(guān)看視頻圖像。解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是將“實(shí)時(shí)”視頻監控軟件嵌入到網(wǎng)頁(yè)中。Microsoft 制定了ActiveX規范，只要符合這個(gè)規范的軟件都可以嵌入到網(wǎng)頁(yè)中。為了能滿(mǎn)足多人同時(shí)“實(shí)時(shí)”觀(guān)看視頻圖像，在本設計中選用標準ActiveX控件―VgPlayerObject來(lái)實(shí)現這一功能。

7 結束語(yǔ)

本文提出了一種基于ARM S3C2410X和Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機設計。采用嵌入式Linux操作系統進(jìn)行視頻采集、壓縮并通過(guò)ActiveX控件顯示動(dòng)態(tài)視頻，通過(guò)嵌入式Web Server和CGI技術(shù)融合整個(gè)系統，形成一套完整的網(wǎng)絡(luò )攝像機系統解決方案。由于系統采用高性能嵌入式處理器完成主要控制、壓縮和Web處理工作，因此該系統具有結構簡(jiǎn)單、性能穩定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在油田、油氣井現場(chǎng)視頻實(shí)時(shí)監控、智能小區、移動(dòng)監控等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。