基于WinCE的ARM視頻監控系統的設計

數字視頻監控系統是以計算機或嵌入式系統為中心、視頻處理技術(shù)為基礎，是符合圖像數據壓縮的國際標準。綜合利用圖像傳感器、計算機網(wǎng)絡(luò )、自動(dòng)控制和人工智能等技術(shù)的一種新型監控系統。由于數字視頻監控系統對視頻圖像進(jìn)行了數字化，所以與傳統的模擬監控系統相比，數字監控具有許多優(yōu)點(diǎn)。數字化的視頻系統可以充分利用計算機的快速處理能力，對其進(jìn)行壓縮、分析、存儲和顯示。數字化視頻處理技術(shù)提高了圖像的質(zhì)量與監控效率，使系統易于管理和維護。整個(gè)系統是模塊化結構，體積小，易于安裝、使用和維護。正是由于數字視頻監控技術(shù)具有傳統模擬監控技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且符合當前信息社會(huì )中數字化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化的發(fā)展趨勢，所以數字視頻監控技術(shù)正在逐步取代模擬監控技術(shù)，廣泛應用于各行各業(yè)。嵌入式系統以體積小、實(shí)時(shí)性強、性?xún)r(jià)比高、穩定性好等特點(diǎn)在社會(huì )的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應用。筆者設計的一種嵌入式系統，以WinCE操作系統和ARM硬件平臺為核心實(shí)現了對現場(chǎng)的實(shí)時(shí)監控，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )把視頻圖像傳輸到主機端，以實(shí)現分析、存儲和顯示等功能。

1 系統設計

本系統主要由操作系統定制、視頻圖像采集、視頻圖像無(wú)線(xiàn)傳輸三部分組成。系統的核心芯片選用基于ARM920T內核的S3C2410嵌入式微處理器，軟件環(huán)境選用Microsoft Windows CE操作系統。系統首先通過(guò)USB攝像頭采集現場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻信息，并對其進(jìn)行壓縮。然后，使用兩塊無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡在ARM開(kāi)發(fā)板與上位機之間構建一個(gè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )，從而將壓縮的視頻數據傳輸到主機端，終端用戶(hù)即可在主機端通過(guò)流媒體播放程序查看遠程視頻影像。

視頻監控系統總體結構框圖如圖l所示。

2 操作系統的定制

系統硬件平臺的核心芯片選用了S3C2410處理器，最高頻率可達203 MHz。S3C2410處理器是Samsung公司基于A(yíng)RM公司的ARM920T處理器核，采用O．18μm制造工藝的32位微控制器。該處理器具有較高的集成度，簡(jiǎn)化了應用系統的硬件設計，提高了系統的可靠性。開(kāi)發(fā)扳上還擴展了4MB的NOR Flash、64 MB的NAND Flash和64 MB的DRAM。

系統選用了Microsoft Willdows CE(簡(jiǎn)稱(chēng)“WinCE”)操作系統。WinCE是一個(gè)緊湊的、高效且可擴展的32位操作系統，適用于各種嵌入式系統和產(chǎn)品。它擁有多線(xiàn)程、多任務(wù)和確定性的實(shí)時(shí)、完全搶占式優(yōu)先級的操作系統環(huán)境，專(zhuān)門(mén)面向只有有限資源的硬件系統；同時(shí)，它的模塊化設計方式使得系統開(kāi)發(fā)人員和應用開(kāi)發(fā)人員能夠為多種多樣的產(chǎn)品來(lái)定制它，可以選擇、組合和配置WinCE的模塊和組件來(lái)創(chuàng )建用戶(hù)版的操作系統。

在WinCE產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，主要有內核定制和應用程序開(kāi)發(fā)兩項非常重要的工作。微軟在兩方面都提供了良好的開(kāi)發(fā)工具，即內核定制工具Platform Builder(簡(jiǎn)稱(chēng)“PB”)和應用程序開(kāi)發(fā)工具Embedded Visual C++(簡(jiǎn)稱(chēng)“EVC”)。

在系統定制過(guò)程中，各部分的關(guān)系如圖2所示。

3 視頻圖像采集

3．1 攝像頭驅動(dòng)

圖像采集模塊的硬件資源選用了當前市面上應用最廣泛的USB接口的中星微攝像頭。該款攝像頭造價(jià)低廉，成像效果好，用于本系統中體現出了較高的性?xún)r(jià)比。系統在進(jìn)行視頻采集前，首先要檢測設定視頻源。系統啟動(dòng)后，WinCE操作系統會(huì )自動(dòng)檢測攝像頭是否連接好。本系統在定制WinCE操作系統時(shí)，通過(guò)修改操作系統配置和注冊表?？梢允瓜到y自動(dòng)加載攝像頭在WinCE下的驅動(dòng)程序ZC030x．dll。

系統自動(dòng)加載驅動(dòng)程序時(shí)，首先要將驅動(dòng)程序復制到＼WINDOWS文件夾下，然后向注冊表中寫(xiě)入攝像頭的驅動(dòng)信息：

其中，prefix為設備文件名，D11為驅動(dòng)的文件名，Order為設備文件名索引。硬件配置完成后啟動(dòng)操作系統，就可以自動(dòng)加載驅動(dòng)，運行應用程序進(jìn)行圖像采集了。

3．2 圖像采集程序

中星微攝像頭采用了中星微301PLUS快速主控芯片。該芯片是一款高性能圖像壓縮芯片，輸出MIPEG視頻流數據。MIPEG(Motion JPEG)主要是基于靜態(tài)視頻壓縮發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，特點(diǎn)是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨對某一幀進(jìn)行壓縮，通?？蛇_到6：1的壓縮率。它的誤差穩定性非常好，可以獲取清晰度很高的視頻圖像，而且還可以靈活設置各路視頻清晰度，壓縮幀數。

本系統直接從攝像頭驅動(dòng)中獲取MJPEG視頻流數據，圖像采集流程如圖3所示。

圖像采集模塊用到的主要函數有：

capInitCamera()用來(lái)初始化視頻設備，并獲取當前可用的視頻設備數目。

capSetVideoFormat()設置視頻格式和分辨率。本系統使用的視頻格式為RGB24，分辨率為320×240像素。

capGrabFrsme()從驅動(dòng)中抓取1幀圖像，并存儲在緩存lpFrameBuffer中。

capGetLastJpeg() 將抓取的MJPEG格式的圖像轉換成JPEG格式，送到無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊。

capCloseCamera() 關(guān)閉視頻設備。

視頻采集部分還有查詢(xún)視頻采集格式、設置明暗度、設置對比度等相關(guān)函數，不再詳述。

4 視頻傳輸部分

4．1 配置無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡

圖像傳輸模塊主要是通過(guò)USB接口的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現的。該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡可與S3C2410集成的USB主機接口直接相連，工作在2.4 GHz的ISM頻段，采用直接序列擴頻通信方式，遵從802．11g協(xié)議，傳輸速度可達54Mbps，室內有效距離為100 m，能夠滿(mǎn)足局域網(wǎng)內視頻傳輸的要求。本系統通過(guò)開(kāi)發(fā)板和主機之間的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡構建無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )，能夠實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的無(wú)縫連接，用戶(hù)通過(guò)此無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現文件傳輸、視頻通信等應用。

開(kāi)發(fā)板端的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡也需要加載驅動(dòng)才能運行。本系統在定制WinCE操作系統時(shí)，首先將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的驅動(dòng)程序復制到＼WINDOWS文件夾下，然后向注冊表中寫(xiě)入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的驅動(dòng)信息。WinCE操作系統啟動(dòng)后會(huì )自動(dòng)檢測無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡是否連接好，并加載驅動(dòng)程序，此時(shí)，就可以通過(guò)應用程序調用此無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡了。在無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)，注意要把開(kāi)發(fā)板和主機設置在同一IP網(wǎng)段。

4．2 傳輸視頻數據

實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP(Real time Transport Protocol)是一種實(shí)時(shí)流式傳輸協(xié)議，能夠保證媒體信號帶寬與當前網(wǎng)絡(luò )狀況相匹配，在一對一(umcast，單播)或者一對多(multicast，多播)的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中實(shí)現流媒體數據的實(shí)時(shí)傳輸。RTP通常使用UDP來(lái)進(jìn)行多媒體數據的傳輸。整個(gè)RTP協(xié)議由兩個(gè)密切相關(guān)的部分組成：RTP數據協(xié)議和RTCP控制協(xié)議。

針對系統數據的收發(fā)要求，采用了開(kāi)源代碼JRT-PLIB提供的RTP協(xié)議棧。JRTPLIB是一個(gè)面向對象的RTP庫，完全遵循RFC1889設計。開(kāi)發(fā)人員只要初步了解RTP協(xié)議就可以開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量的音／視頻傳輸程序。把它移植到EVC上，稍作修改就可以應用在WinCE操作系統的ARM開(kāi)發(fā)板上了。

4．2．1 建立RTP的數據發(fā)送和接收

JRTPLIB提供的RTPSession類(lèi)可以實(shí)現RTP的數據發(fā)送和接收。RTP數據發(fā)送和接收的初始化步驟基本相同。首先設置時(shí)間戳、最大的RTP包尺寸、數據超時(shí)等會(huì )話(huà)參數，然后設置基端口(注意這個(gè)端口必須是偶數，默認值為5000)。在設置好這些參數之后，就可以使用RTPSession的Create方法建立RTP數據接收和發(fā)送了。

數據發(fā)送端使用RTPIPv4Address(intIP，PORT_DATA)建立一個(gè)新的地址，再使用AddDestination將這個(gè)地址增加到發(fā)送的地址列表中。然后，調用SendPacket函數發(fā)送RTP數據。

rtpSessiorl. SendPacket(sendBuf，length，26，true，0UL)；

在數據接收端建立RTP會(huì )話(huà)并且增加了目標地址后，就可以從目標地址接收數據了。此時(shí)將調用OnRtpPacket函數接收RTP數據，在這個(gè)函數里取得裝載數據并使用。在OnRTPPacket函數中，調用函數zc030x_OutPicture(＆m_pDlg->frame)，對接收到的數據進(jìn)行解碼。最后，調用函數StretchDIBits()，在當前窗口中顯示視頻圖像。

void RTPAppSession：：OnRTPPacket (RTPPacket *

pack，const RTPTime ＆ receivetime，const RTPAddress

*senderaddress)

4.2.2 RTP的控制協(xié)議——RTCP

RTCP(Real-time Transport Control Protocol)和RTP一起提供流量控制和擁塞控制服務(wù)。在RTP會(huì )話(huà)期間，各參與者周期性地傳送RTCP包。RTCP包中含有已發(fā)送的數據包的數量、丟失的數據包的數量等統計資料，因此，服務(wù)器可以利用這砦信息動(dòng)態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類(lèi)型。RTP和RTCP配合使用，以有效的反饋和最小的開(kāi)銷(xiāo)使傳輸效率達到最佳效果。

JRTPLIB是一個(gè)高度封裝的RTP庫，調用PollData()或者SendPacket()方法后，JRTPLIB能夠自動(dòng)對到達的RTCP數據報進(jìn)行處理，并在需要時(shí)發(fā)送RTCP數據報，從而確保整個(gè)RTP會(huì )話(huà)過(guò)程的正確性。在RTP數據收發(fā)中，也可以通過(guò)調用RTPSession類(lèi)提供的方法選擇當前RTP會(huì )話(huà)需要發(fā)送的控制信息，并對控制信息進(jìn)行設置。

結語(yǔ)

本系統基于S3C2410平臺和WinCE操作系統，通過(guò)USB攝像頭采集現場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻信息，并對其進(jìn)行壓縮。然后，用兩塊無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡在開(kāi)發(fā)板與上位機之間構建無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )，使用實(shí)時(shí)流式傳輸方式實(shí)現了視頻數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。整個(gè)系統具有穩定可靠、安裝簡(jiǎn)便、成本低廉等特點(diǎn)，可以應用在遠程監控、工業(yè)控制、視頻會(huì )議、可視電活等諸多領(lǐng)域。