基于A(yíng)RM的嵌入式MPEG-4遠程網(wǎng)絡(luò )監控系統的設計與實(shí)現

摘    要：本文詳細介紹了基于A(yíng)RM的嵌入式MPEG-4遠程網(wǎng)絡(luò )監控系統的視頻采集、壓縮、傳輸和系統控制等方面的設計，提供了基于TCP/IP協(xié)議的C/S軟件結構和多線(xiàn)程通信的設計與實(shí)現方法。
關(guān)鍵詞：嵌入式；MPEG-4；S3C44B0X；多線(xiàn)程

在遠程監控系統的應用中，往往要求監控中心的主機可以同時(shí)接收一路或多路監控數據，并且可以同時(shí)發(fā)送一路或多路的控制指令。因此，如何在有限帶寬的前提條件下，將多個(gè)現場(chǎng)的監控數據方便、高效地通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )傳送到監控主機上，是該類(lèi)系統要解決的主要問(wèn)題。

系統整體結構
為了實(shí)現一個(gè)基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò )的嵌入式遠程數字視頻監控系統，本設計的系統結構如圖1所示。
圖1中，攝像機通過(guò)RS-232接口受外界控制，控制命令為一系列的ASCII碼，可以調整攝像頭的焦距和控制云臺的轉動(dòng)。嵌入式硬編碼板也有一個(gè)RS-232接口，可通過(guò)它設置信源制式(PAL/NTSC)、編碼亮度、編碼色度、音頻速率、編碼音量和編碼速率。編碼板與網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器集成到一個(gè)機箱里，編碼板通過(guò)PCI接口向網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器輸出數據。網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器有多個(gè)RS-232接口，分別與攝像機和硬編碼板上的RS-232接口相連。
播放設備由嵌入式硬解碼板和電視機組成。解碼板采用速率自適應方式設計，解碼速率自動(dòng)匹配遠端編碼器的編碼速率。解碼板和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器同樣集成在一個(gè)機箱里。該系統還實(shí)現了軟解碼方式，在這種方式中，播放設備由一臺安裝了視頻采集卡的PC機構成，其上運行解碼軟件和媒體播放器，通過(guò)PC機的顯示器和音箱輸出圖像和聲音。
系統的記錄設備由硬盤(pán)錄像機構成，安放于顯示點(diǎn)一側，用來(lái)存儲系統圖像。
控制臺由一臺運行Windows2000操作系統的PC機實(shí)現，PC機上運行客戶(hù)端的控制軟件。管理服務(wù)器也由一臺運行Windows2000操作系統的PC機實(shí)現，PC機上運行系統管理軟件。在簡(jiǎn)化的系統實(shí)現中，管理服務(wù)器和控制臺可以在同一臺PC機上實(shí)現，在這種情況下，管理軟件和控制軟件運行在同一臺主機上，但仍然通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口通信。

系統硬件設計
網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器是系統硬件的核心部件，它由運行嵌入式操作系統的嵌入式計算機構成，在嵌入式操作系統之上運行著(zhù)系統的核心軟件。
網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器采用的是基于A(yíng)RM 內核的CPU——S3C44B0X。該芯片是一款基于A(yíng)RM 7TDMI RISC芯片。它一方面具有ARM處理器的：低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)又具有豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。
MPEG-4多媒體編碼芯片則采用韓國INTIME公司生產(chǎn)的IME6400，該芯片提供了豐富的外圍硬件接口：支持CCIR601建議的16Bit視頻解碼器接口、32Bit數據、81MHz的SDRAM數據總線(xiàn)接口、I2C總線(xiàn)接口、I2S外部音頻/PCM編碼器/DSP接口以及靈活的主機接口，可以支持多種類(lèi)型的CPU。
圖2簡(jiǎn)單介紹了MPEG-4硬件視頻壓縮處理的結構和網(wǎng)絡(luò )接口。MPEG-4視頻采集壓縮模塊以IME6400芯片為核心，完成對標準視頻信號(PAL或NTSC信號)的A/D轉換、MPEG-4壓縮以及與S3C44B0X之間的通信功能。圖2中視頻解碼ADC把從攝像頭輸入的模擬視頻信號轉化為數字視頻信號，然后進(jìn)行編碼預處理，即把視頻解碼輸出的CCIR601格式的信號轉化為編碼器可以處理的CIF或QCIF格式，然后再進(jìn)行MPEG-4壓縮編碼。S3C44B0X上的軟件則通過(guò)總線(xiàn)接口單元來(lái)控制編碼器的參數設置和讀取編碼壓縮后的碼流數據。視頻數據處理模塊包括以下功能單元：以BT829為核心的視頻ADC單元；以IME6400為核心的MPEG-4視頻壓縮單元；以S3C44B0X 為核心構成的控制邏輯和總線(xiàn)接口單元?？偩€(xiàn)接口單元是視頻數據處理模塊與S3C44B0X進(jìn)行交互的通道，可以和主機進(jìn)行視頻碼流和控制數據的交換?？刂七壿嬍且曨l采集壓縮模塊的核心，它控制并協(xié)調各模塊工作，提供控制信號，通過(guò)指令實(shí)現系統各模塊所需要的選通、緩沖、讀/寫(xiě)使能、數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)的切換等等。
鏡頭云臺控制是通過(guò)S3C44B0X上的RS-232口進(jìn)行的，允許用戶(hù)根據自己的要求調節系統。用戶(hù)可以通過(guò)調節鏡頭的景深、焦距以及光圈來(lái)調整圖像質(zhì)量，還可以通過(guò)云臺的上下左右調節來(lái)獲取不同角度的圖像。由監控中心的客戶(hù)機端軟件通過(guò)SOCKET網(wǎng)絡(luò )接口，把調整信息發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)器接收到控制指令后，進(jìn)行指令識別，然后向對應的RS-232口發(fā)送指令去控制云臺，完成調整任務(wù)。

視頻數據發(fā)送、指令控制模塊的設計與實(shí)現
監控現場(chǎng)主機通過(guò)視頻數據發(fā)送模塊，將現場(chǎng)采集到的視頻流數據經(jīng)過(guò)編碼后，以IP 組播的形式通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )發(fā)送出去。對于發(fā)送來(lái)的視頻數據，運行在監控中心主機端的視頻數據接收播放模塊一方面可以將其保存起來(lái)，作為資料庫便于以后查詢(xún)及回放；另一方面還可以實(shí)時(shí)播放出來(lái)。
本系統的軟件結構采用了客戶(hù)機服務(wù)器結構，兩端通過(guò)網(wǎng)絡(luò )建立TCP/IP連接，按照自定義的數據通信協(xié)議交換數據，完成數據通信和系統控制功能。監控中心的客戶(hù)端向服務(wù)器端申請建立連接，服務(wù)器監聽(tīng)到連接請求之后，和客戶(hù)端建立SOCKET連接，客戶(hù)端向服務(wù)器發(fā)送控制信號，服務(wù)器端向客戶(hù)端發(fā)送視頻碼流。
服務(wù)器端軟件運行在S3C44B0X上，軟件設計的主要思想如下：讀取線(xiàn)程、發(fā)送線(xiàn)程和控制線(xiàn)程之間的同步，防止有限資源的浪費。
為了充分利用CPU計算能力，提高系統的整體性能，在該系統中采用多線(xiàn)程技術(shù)實(shí)現任務(wù)的調度。
考慮到監控中心主機要同時(shí)監控多個(gè)現場(chǎng)，需要加入多個(gè)組播組的情況。我們在設計系統時(shí)要求監控中心端在接收視頻數據前應向相應的監控現場(chǎng)發(fā)送數據請求。為此，我們要建立兩個(gè)通訊通道：一個(gè)是控制通道，一個(gè)為數據通道?？刂仆ǖ烙脕?lái)在發(fā)送端和接收端之間建立會(huì )話(huà)，包括發(fā)送一些數據請求和確認控制等信息。接收端在接收視頻流數據前先向相應的發(fā)送端發(fā)送數據請求，發(fā)送端在接收到數據請求后向接收端發(fā)回相應的IP 組播地址和端口，接收端則加入該組接收視頻流數據。為了保證這些控制信息準確無(wú)誤地到達對方，對于控制通道我們選擇可靠性較高的TCP 協(xié)議。數據通道用于視頻流數據的通信，我們選用VxWorks IP組播組來(lái)實(shí)現。這兩個(gè)通訊通道互不相關(guān)，各自執行自己的任務(wù)。

視頻數據發(fā)送模塊的設計
在視頻傳輸中，服務(wù)器端要求碼流讀取和發(fā)送互不干擾，避免讀取和發(fā)送相互等待或者相互沖突的情況出現。同樣，在客戶(hù)端解碼和接收也存在這個(gè)關(guān)系，我們可以采用任務(wù)間的通信功能來(lái)協(xié)調多個(gè)獨立任務(wù)間的活動(dòng)。VxWorks提供了一套豐富的任務(wù)間通信機制，包括共享內存、信號量、消息隊列和管道等等。任務(wù)間通信最直接、最明顯的方法是訪(fǎng)問(wèn)共享數據結構。由于所有VxWorks任務(wù)共存單一的線(xiàn)性地址空間，在多個(gè)任務(wù)間共享數據結構是非常容易的，任一程序中定義的各種類(lèi)型的全局變量，都可以被所有任務(wù)直接訪(fǎng)問(wèn)。
由于實(shí)時(shí)組播的視頻流來(lái)自于MPEG-4編碼器，所以首先要從編碼器中獲得視頻數據，這主要通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)編碼器所提供的I/O端口來(lái)完成。本設計采用了一種基于環(huán)形緩沖區的多任務(wù)視頻傳輸技術(shù)，較好的解決了碼流讀取和發(fā)送互不干擾的問(wèn)題。系統的環(huán)形緩沖區除了達到數據分離互斥作用外，還可以起到平滑碼流的作用。讀取任務(wù)和發(fā)送任務(wù)是互斥的關(guān)系，讀取任務(wù)一次從編碼模塊中讀入4K的視頻數據供發(fā)送任務(wù)處理。在讀取時(shí)為了避免競爭，使用信號量對該環(huán)形緩沖區進(jìn)行上鎖，以保證訪(fǎng)問(wèn)的互斥進(jìn)行。發(fā)送任務(wù)的訪(fǎng)問(wèn)環(huán)形緩沖區的情況也類(lèi)似。通過(guò)利用環(huán)形緩沖區和互斥鎖完全可以解決這兩個(gè)任務(wù)的同步問(wèn)題。
指令控制模塊的設計
系統定義了自己的指令系統和指令傳輸協(xié)議。指令可以分為以下幾類(lèi)：工作控制(傳輸開(kāi)始、傳輸停止、存儲控制等)；鏡頭云臺控制(焦距、光圈、自動(dòng)轉動(dòng)等)；系統設置(用戶(hù)管理、通信參數設置等)，每條指令前面都有其唯一的識別標志，服務(wù)器接收到后可以用來(lái)和其它指令進(jìn)行區分。
多路復用的輸入/輸出模型Select函數可以實(shí)現高效的管理套接字。使用工作在無(wú)阻塞方式的套接字，在一定程度上提高了程序的效率(與阻塞套接字相比)。但是，程序需要不斷的輪詢(xún)各個(gè)套接字描述符的情況，這浪費了大量的CPU時(shí)間。如果進(jìn)程不是主動(dòng)地輪詢(xún)套接字的情況，而是將希望監視的套接字向系統進(jìn)行登記，而后采取被動(dòng)的態(tài)度等待，當套接字上發(fā)生了某些事件后，系統再以某種方式通知進(jìn)程，接著(zhù)進(jìn)程去檢測套接字的情況，發(fā)現對應的事件并進(jìn)行處理。在這種工作方式下，進(jìn)程是在已經(jīng)知道在套接字上發(fā)生了事件時(shí)，才對套接字進(jìn)行檢測，而在沒(méi)有事件的情況下，進(jìn)程將睡眠，所以這種工作方式節省了大量的CPU時(shí)間，對于資源本來(lái)就非常緊張的系統，可以大大提高系統的整體性能。

結語(yǔ)
本文設計的基于A(yíng)RM S3C44B0X的嵌入式MPEG-4遠程網(wǎng)絡(luò )監控系統，目前已經(jīng)在某省高速公路監控中得到了應用，并取得了很好的應用效果。該監控系統穩定性高，支持基于Internet的數據傳輸，C/S的結構體系允許用戶(hù)進(jìn)行遠端操縱系統的工作方式。系統的各個(gè)子模塊相對獨立，通過(guò)采用MPEG-4視頻壓縮技術(shù)，圖像高清晰，畫(huà)質(zhì)可接近DVD效果，能夠實(shí)現單畫(huà)面輪流監看和1~16個(gè)畫(huà)面同屏監看。支持遠程和本地云臺控制，支持多任務(wù)工作方式，而且圖像存儲、監看、遠程控制可同步進(jìn)行，監控距離隨網(wǎng)絡(luò )延伸而不斷加長(cháng)，具有良好的發(fā)展應用前景?！?/P>

參考文獻
1 余兆明，李曉飛，陳來(lái)春編著(zhù). 數字電視設備及測量. 人民郵電出版社，2000
2 Stevens. TCP/IP詳解，卷1：協(xié)議，機械工業(yè)出版社，2000
3 林宇，郭凌云編著(zhù). Linux網(wǎng)絡(luò )編程. 人民郵電出版社，2000
4 VxWorks Programmer誷 Guide 5.4.1. WinRiver System Inc., 1999
5 S3C44B0X User誷 Manual. SUMSUNG Inc., 1997
6 孔祥營(yíng)，柏桂枝編著(zhù). 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統VxWorks及其開(kāi)發(fā)環(huán)境Tornado. 中國電力出版社，2002