嵌入式無(wú)線(xiàn)視頻監控系統設計

在Linux操作系統中，外部設備都作為設備文件來(lái)管理，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。當攝像頭通過(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，即可將攝像頭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，也可將其壓縮后封裝進(jìn)數據包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到數據處理中心。本設計采用后一種處理方法，即：先將采集的視頻數據進(jìn)行JPEG壓縮，再將其封裝進(jìn)數據包傳輸到視頻應用服務(wù)端處理。

3 視頻壓縮模塊設計

由于視頻采集模塊采集的視頻數據信息量較大，如果直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸，則會(huì )增加數據傳輸系統的負擔，大大降低數據傳輸效率。為此，本設計采用JPEG —Joint Photographic Experts Group壓縮編碼算法對視頻數據進(jìn)行壓縮。JPEG是一個(gè)適用于彩色、單色多灰度、連續色調靜止數字圖像的壓縮標準，是靜態(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。

在本設計中，采用最基本的JPEG算法，其主要步驟為：首先，通過(guò)離散余弦變換（DCT）去除數據冗余；其次，使用量化表對DCT系數進(jìn)行量化；最后，采用Huaffman可變字長(cháng)編碼對量化后的DCT系數進(jìn)行編碼，使其熵達到最小。通過(guò)實(shí)驗，數據壓縮效果良好，圖像壓縮率可以達到70%左右。

4 nRF2401無(wú)線(xiàn)發(fā)射、接收模塊設計

本設計采用nRF2401 2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片完成視頻數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。nRF2410是一款單片射頻收發(fā)芯片，工作在2.4GHz~2.5GHz ISM頻段，該芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶振和調制解調器等功能模塊，其輸出功率和通信頻道等參數都可以通過(guò)程序進(jìn)行配置。內置的 DuoCeiver接收器使nRF2401可以使用同一天線(xiàn)同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數據，這為視頻數據的傳輸提供了有利條件。

nRF2401在發(fā)送和接收數據時(shí)主要完成以下操作：

1）初始化發(fā)送端和接收端：主要完成I/O端口的配置，使能發(fā)送器/接收器，啟動(dòng)計數器等；

2）發(fā)送器/接收器配置：先打開(kāi)配置方式，再配置發(fā)送/接收器，最后使能收發(fā)功能；

3）接收包/接收包處理：

4）發(fā)送/接收數據：完成數據包的發(fā)送/接收操作；

5）讀取A/D轉換結果：等待AD轉換完成后，讀取A/D轉換結果數據，并開(kāi)始接受新的轉換；

5 視頻傳輸模塊設計

視頻傳輸模塊收到無(wú)線(xiàn)接收模塊遞交的視頻數據后，可以通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò )接口將其傳輸到視頻應用服務(wù)端，本設計采用網(wǎng)絡(luò )接口進(jìn)行數據傳輸。目前，互聯(lián)網(wǎng)上傳輸視頻數據大多采用UDP協(xié)議。UDP協(xié)議提供非連接、不可靠的數據傳輸，由于接收端只對收到的UDP數據包進(jìn)行簡(jiǎn)單的完整性校驗，丟棄有錯誤的數據包，因此數據傳輸速度較快。然而，為了提高數據傳輸的準確性和減少因使用UDP協(xié)議而額外增加的、繁瑣的數據確認操作，本設計選用面向連接的、可靠的數據傳輸協(xié)議—TCP。

6視頻應用服務(wù)端—視頻顯示模塊設計與實(shí)現

視頻應用服務(wù)端采用Borland C++ Builder6.0完成監控視頻的合成(如果視頻應用服務(wù)端采用Linux操作系統，則可以使用Kylix完成相同的功能)。由于BCB的Image類(lèi)可以完成精確到像素的圖像處理能力，可以將BMP、Drawing、自定義圖形等顯示成圖像。因此，Socket API 從網(wǎng)絡(luò )接收視頻數據后，首先將接收到的JPEG圖像轉換成BMP，然后將其傳送給Image對象，Image對象最后處理視頻數據、生成圖像視頻并將其顯示出來(lái)。

7 結束語(yǔ)

本文提出了一種基于ARM S3C2410X的嵌入式無(wú)線(xiàn)視頻監控系統設計。采用嵌入式Linux操作系統進(jìn)行視頻采集、壓縮和打包并通過(guò)nRF2401無(wú)線(xiàn)發(fā)射、接收模塊進(jìn)行視頻數據無(wú)線(xiàn)傳輸，最后通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò )將視頻數據從視頻傳輸模塊傳輸到視頻應用服務(wù)端，構成一套完整的無(wú)線(xiàn)視頻監控系統。由于系統的核心工作采用高性能嵌入式處理器完成，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、油氣井無(wú)線(xiàn)視頻監控，智能家居等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn):將視頻監控從有線(xiàn)系統延伸到無(wú)線(xiàn)系統，提出了構建無(wú)線(xiàn)視頻局域網(wǎng)的一種方法，此方法在智能家居等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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