基于WEB的远程视频监控系统的研究与设计【优秀毕业课程设计】

I 基于 远程视频监控系统的研究与设计 专业班级： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 摘 要 随着网络通信技术和嵌入式技术的发展，基于嵌入式 用 B 控者无需到现场操作，系统成本低廉，设备体积小巧，安装方便，故障维护升级简单，安全可靠，满足了现代消费者的需求。 本文针对视频监控设备前端一体 化、小型化和便携等相关需求，以动态数据交互技术和移动通信技术为基础，借助嵌入式系统的网络支持，设计了一种基于 计中以 合嵌入式 出了视频监控系统的总体设计方案，深入研究了各个功能模块。目前 3了满足未来移动监控的需要，本系统数据传输引入了 3后续研究奠定了基础。 本文主要研究的嵌入式 现代视频监控的研究具有一定的参考价值。 关键词 ： 视频监控 嵌入式 3G 无线通信 he of of on eb in an eb ， it t be at a as as of is to be to be It to at of in a We as in eb We in 3G in to of of G It An eb in a 3 录 第一章 绪论 . 1 1 1课题研究的背景和意义 . 1 1 1 1模拟视频监控系统 . 1 1 1 2本地数字视额监控系统 . 2 1 1 3远程网络视频监控系统 . 2 1 2视频监控 系统的发展趋势 . 3 1 3嵌入式视频监控系统常见设计方案 . 4 1 4本文的主要研究工作 . 6 第二章总体方案设计及平台搭建 . 7 2 1 远程视频监控系统方案设计 . 7 2 1 1 监控系统整体网络结构设计 . 7 2 1 2视频监控系统硬件方案设计 . 10 2 1 3视频监控系统的系统软件选择 . 11 2 2系统开发平台的搭建 . 12 移植 . 13 2 4本章小结 . 14 第三章视频采集模块的设计与实现 . 15 3 1 基于 视频采集模块设计 . 15 4. 15 4. 16 3 1 3视频数据的存储 . 23 3 2视频编码 . 23 3 2 1视频编码技术的选择 . 24 3 2 2基于 . 25 3 3视频数据库 . 27 3 3 1 据库的设计 . 27 3 3 2 编译与移植 . 29 3 4本章小结 . 30 第四章 务器的搭建与数据的传输 . 31 4 1嵌入式 务器的构建 . 31 务器的选择 . 31 . 33 术 . 34 3. 36 4 3本章小结 . 39 第五章总结与展望 . 40 1 总结 . 40 5 2展望 . 41 致谢 . 42 参考文献 . 42 1 第一章 绪论 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，使得人们的生产行为，生活方式发生了重大的变化，视频监控以其直观，方面和内容丰富等特点日益受到人们的重视。安防监控从银行到交通路口，从连锁超市到小区范围，都 会看到监控产品的存在，大量犯罪案件在安防监控产品的帮助下破获。人们意识到视频监控对生产生活的安全非常重要，而网络视频监控凭借其先进的技术和贴近用户习惯的使用方式，逐步走进人们的生活当中。 视频监控系统在保护安全，预防犯罪方面起到不可低估的作用，监控市场领域不断扩大。据权威部门统计， 1998 年全国图像监控系统的市场总额为 650 亿元，今年来一直保持 15至 30的速度快速增长。随着摄像设备价格逐渐下降，计算机计算能力增强和网络速度的提高，视频监控技术得到了快速的发展。 1 1 课题研究的背景和意义 视频监控系统的产生和发展有两个方面的原因：一方面，随着人们安全防范观念的加强，人们迫切希望通过监控的方式来预防和减少公共场所的破坏及犯罪活动。另一方面，视频技术和网络通信技术日益成熟，为它的实现和应用奠定了基础；而计算机技术和多媒体技术的迅速发展，将自动控制和多媒体技术融入到视频监控系统中来，促进了它的普及和应用。视频监控系统的发展大致经历了三个阶段： a、模拟视频监控系统； b、本地数字视频监控系统； c、远程网络视频监控系统。 1 1 1模拟视频监控系统 采用模拟方式传输，最简单的就是将图像信号直接送入视频 电缆进行传输。每一监控点的视频信号都通过一条电缆线连接到中心控制室的多路切换器上，以手动切换方式选择监控点图像，使之显示在监视器上。模拟视频监控有以下弊端 :运行及维护成本高 ;视频图像的质量不能在任意时刻调整 ;无法联网，只能以点对点的方式监控现场，使得布线工程量极大 ;检索困难 ;难以做到无人值守。 2 1 1 2本地数字视额监控系统 进入 20世纪 80 年代，随着数字化技术的发展，人们从过去的模拟处理方式转向数字处理方式，开始使用计算机处理图像信号。利用计算机的数据处理能力与显示器的高清晰度，将视频信号通过视频采集卡采 集到计算机中，显示在显示器上，大大提高了图像的画质，但是控制与切换仍采用传统的单片机方式，只是计算机串口与之相连，完成控制工作。尽管它有良好的人机界面，较好的稳定性，但它不能称为真正的数字图像监控系统。其根本原因在于系统设计的出发点不是基于计算机，而是基于传统模式。大部分时间里，计算机只是充当一个外部监视器的角色，并且传统单片机系统固有的弊端并没有克服，通信协议的多样化与专用化很难统一，导致现有的计算机资源远远满足不了多种设备的要求。另外计算机的运行速度较低，而数字视频的数据量又很大，这样就限制了利用一台计 算机同时处理更多数字视频信号的能力。很难组建大型监控系统。 1 1 3远程网络视频监控系统 第三代视频监控系统 远程网络视频监控系统。远程网络视频监控系统的关键设备是网络视频信号采集终端 (也被称为视频服务器 )，网络视频信号采集终端采用嵌入式实时多任务操作系统。摄像机送来的视频信号在网络视频信号采集终端数字化后由高效压缩芯片压缩，通过内部总线送到网络接口发送到网络上，网络上用户可以直接用在 上用浏览器观看网络视频信号采集终端传送过来的摄像机所拍摄的图像，授权用户还可以通过计算机网络透过网络视频信号采集终 端控制摄像机镜头和云台的动作或对系统进行配置操作。由于把视频压缩和网络功能集中到一个体积很小的设备内，可以直接连入局域网，达到即插即用，省掉多种复杂的电缆，安装方便，仅需设置一个 址，用户也无需安装任何硬件设备，仅通过 用浏览器即可观看。数字网络视频监控系统与其它监控系统的比较：布控区域广阔。数字网络视频监控系统的网络视频信号采集终端直接连入网络，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，扩展布控区域 ;系统具有几乎无限的无缝扩展能力。所有设备都以 址进行标识， 增加设备只是意味着 址的扩充 ;可组成非常复杂的监控网络。采用基于网络视频信号采集终端为核心的系统，在组网方式上与以往的监控方式有极大的不同，由于视频信号采集终端输出已完成模拟到数字的转 3 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。视频信号采集终端实际上基于嵌入式电脑技术，采用嵌入式实时多任务操作系统，又由于视频压缩和网络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、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适合无人值守的 环境 ;当需要同时观看多路监控视频时，对网络带宽就会有一定的要求。 1 2 视频监控系统的发展趋势 将嵌入式系统技术、无线通信技术和基于 用嵌入式技术采集并对现场信息进行相应处理，再通过无线通信方式传输到 户通过于采用了 3省去有线方式下必须采用的物理布线，并且无线方式有利于对监视点的合理安排，克服了传统系统只能用于固定现场的监视。因此，这种监视 方式在工农业生产、移动通信、家用电器自动化等领域都具有相当广阔的应用前景。 目前，视频监控系统的发展趋势可以概括为： 1)视频监控数字化。 视频监控发展经历了模拟视频监控、半数字监控、数字监控三个阶段。对于视频监控，数字化存储带来的是一场革命性的变化。数字化是 21世纪的时代特征，视频监控的数字化是监控技术的必然趋势。 2)视频监控智能化。 智能化是视频监控技术发展比较高级的层次。由于视频监控的数据量非常大，而用户真正需要的信息只是少部分，真正需要监视的只是发生概率很小的某些事件，如何通过海量数据获取有价值的 信息，如何从目视解释变为机器自动解释是视频监控技术发展的一个新方向。因为能把视频监控从静态的、事后取证变成动态的、实时预防和告警对用户来说明显更加重要。实际上现有的大型监控系统都配置自动位移侦测、昼夜自适应切换存储、预警设置 (如可疑人物照片、指纹等 )等一些基本的智能化功能。 3)视频监控 4 视频网络、 着 于 络摄像机把压缩的视频信息通过 用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输，拥有授权 的用户可以随时访问互联网，实现对整个监控系统的指挥、调度、存储、授权控制等功能。因此，基于 4)视频监控无线化。 随着无线宽带网络的发展，基于 3监控点分散且与监控中心距离较远，或被监控对象不固定 (如出租车、运钞车等 )时，利用传统有线网络的视频监控往往成本高且难以实现，而基于多种无线传输手段的移动视频监控具有不可替代的优势。 根据视频网络传输方式，远程视频监控系统可分为有线网络远程监控和无线网络远程监控两种方式。无线视频监控系统克服有线网络铺设上投资成本 高、距离受限的弊端，使远程视频监控系统的无线化逐渐成为近年来的发展趋势。远程视频监控的无线化包括两个方面： 1)监控中心 (监控者 )和被监控对象都是可以移动的，不受有线网络束缚，监控地点灵活，即监控者和被监控对象都可以是动态的。 2)视频监控网络的无线化。 无线网络远程监控又分为两种：一种单独构建无线网络，基于 线局域网 )、无线城域网的 自己构建网络需要传输设备、中继站等，工作量大。另一种基于移动通信网络，依托遍布全球的 2破了距离的限 制，可以实现全球漫游监控。 2144国国产 3络数据传输带宽将达到 20251584256128于 3 1 3 嵌入式视频监控 系统常见设计方案 目前，国内外基于嵌入式网络视频监控系统的研究，一般集中于嵌入式视频 5 监控系统的设计、嵌入式操作系统的研究、视频图像处理以及视频图像的网络传输等几个方面。 在嵌入式视频监控系统设计方面，一般考虑系统的整体结构和功能，基于 B S(浏览器和服务器 )或者 C S(客户端和服务器 )架构，具体功能模块采用软件或硬件技术等。例如小型网络摄像机，系统由图像传感器、嵌入式处理器、图像处理器、网络接口组成，通过压缩优化算法和背景差分算法，可以使摄像机实现实时的图像压缩、传输，并能跟踪目标，该系统的主要特点是实时性 的提高；在嵌入式操作系统方面，除对系统进行一些剪裁和移植外，一般集中于嵌入式系统驱动程序的研究，例如在嵌入式 于视频图像处理的研究，一般是通过一定的图形分析算法，实现目标识别，目标跟踪，以及报警等功能。例如利用背景差分算法，在图像处理中控制运动模块，使摄像机可以跟踪信息库中的目标网等；对于视频图像网络传输的研究方面，例如，有在 以大大的节约网络带宽，提高视频的播放效率。或者采用流媒体的格式传送视频图像数据，可以更好的实现视频的传输 及播放等。 现阶段，嵌入式网络视频监控系统的解决方案主要有以下几种： 1)视频采集芯片 +该方案中由视频采集芯片完成图像的预处理，由 于 以太网网络传输。方案的主要缺点是控制不够灵活，不适合作系统控制，另外， 2)嵌入式处理器 该方案采用由 嵌 入式处理器 方案的主要缺点是：由于有两个主要的芯片，设计、调试、使用等方面具有一定难度，且系统成本偏高。 3)图像采集芯片 +嵌入式处理器 该方案中，在嵌入式处理器上运行嵌入式操作系统进行系统控制和网络传输。方案的主要缺点是：其应用主要针对某一类产品，如数码摄像机，所以具有一定的局限性；缺乏强大的图像处理能力，很难满足高实时性要求。 6 4)其他方案 可以采用 码数据网络传输和本地存储， 1 4 本文的主要研究工作 1、课题研究背景和意 义； 2、嵌入式网络视频监控系统中的关键技术介绍： 3、系统的硬件结构设计，包括： 1、硬件系统整体结构的设计； 2、以微处理器 核心的主控电路及其外围电路的设计； 4、宿主机上硬件开发平台的搭建。 5、系统的软件设计，包括： 1、嵌入式 点以及结构介绍： 2、宿主机上 3、 译方法和详细过程： 4、在 5、嵌入式 6、嵌入式 括主程序、用户管理模块、设备管理模块、网络管理模块的实现。 7 第二章总体方案设计及平台搭建 随着压缩编码技术、计算机网络技术和嵌入式系统的发展以及芯片成本的下降，以嵌入式视频服务器为核心的视频监测系统在市场上崭露头角。通用的 强有力的数据库为用户提供商业服务，而嵌入式处理器能力和存储容量有限，通用大型服务器无法在嵌入式设备上运行。因此，采用功能相对简单、体积更小、消耗资源更少的嵌入式 是近年来出现的一种较为先进的方案。目前，嵌入式 主设计需要自己开发网络协议，难度及工作量较大。由于 它非常适合于嵌入式 能为开发者缩短开发周期和成本，这种开发方式是现在以至今后流行的开发方法。 2 1 远程视频监控系统方案设计 比较前面给出的几种嵌入式网络视频监测系统的解决方案，对于网络视频监控系统来说，视频采集卡 +太适合做网络视频监控系统； 进行指令控制，设 计得当效果不错，但该方案采用了两个处理器，成本提高，开发周期长，设计、调试上也具有一定困难；视频采集卡 +能满足实时性要求。 目前，嵌入式微处理器性能大大提高， 3此， 本文方案只采用 件方式压缩视频图像，成本低廉，适合家庭应用。 2 1 1 监控系统整体网络结构设计 嵌入式网络监控系统是以嵌入式设备作为 嵌入式设备连接到网络后，以何种 网络结构构成系统，就涉及到了网络体系结构的选择问题。网络体系结构对整个网络监控系统来说是处于基础地位的，合理选择网络体系结构对系统运行效率、系统应用的广泛性和可维护性都有至关重要的 8 作用。 C/。 C B 前，这两项技术已被世界各国所掌握，国内公司以 C 两种技术都有自己一定的市场份额和客户群。 C/S(构即客户机和服务器结构。它是软件系统 体系结构，C/任务合理地分配到 低了系统的通讯开销。目前大多数应用软件系统都是 于现在的软件应用系统正在向分布式的 用不同的模块共享逻辑组件。因此，内部的和外部的用户都可以访问新的和现有的应用系统，通过现有应用系统中的逻辑可以扩展出新的应用系统。这也就是目前应用系统的发展方向。 B/S(构 即浏览器和服务器结构。它是随着 C/这种结构下，用户工作界面是通过 少部分事务逻辑在客户端 (现，但是主要事务逻辑在服务器端 (现，形成所谓三层 3样就大大简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体成本 ( 14】。 结它们主要的 区别如下： (1)硬件环境不同 C/范围里的网络环境，局域网之间再通过专门服务器提供连接和数据交换服务。 B/必是专门的网络硬件环境，例如电话上网，租用设备，信息自己管理，有比 C/般只要有操作系统和浏览器就行。 (2)对安全要求不同 C/信息安全的控制能力很强。一些高度机密的信息系统采用 C 过 B/ 由于 B 安全的控制能力相对弱，面向的是不可知 9 的用户群。 (3)对程序架构不同 C/可对权限多层次校验，对系统运行速度可以较少考虑。 B/立在需要更加优化的基础之上。比C/B/微软的 面支持网络的构件搭建的系统，到 B/ (4)软件重用不同 C/件的重用性不如在 B/ B 有构件相对独立的功能。 (5)系统维护不同 系统维护是软件生存周期中开销大、相当重要的环节。 C/理出现的问题以及系统升级难，通常是再做一个全新的系统。 B/件可个别的更换，实现系统的无缝升级。系统维护开销减到最小，用户从网上自己下载安装就可以实现升级。 (6)处理问题不同 C/且在相同区域，安全要求高的需求，与操作系统相关，应该都是相同的系统。 B/向不同的用户群，分散地域，这是 C/操作系统平台关系最小。 (7)用户接口不同 C/现方法有限，对程序员普遍要求较高。 B/更加丰富和生动的表现方式与用户交流，并且大部分难度减低，降低开发成本。 (8)信息流不同 C/互性相对低。 10 B/ 综上所述，根据 C/，比较出 C/据的储存管理功能较为透明的优点， C/B/本低廉、操作系统选择更多，但有应用服务器运行数据负荷较重 的缺点。本文监控系统具有家庭小型应用的特点，数据量不大，需要成本低廉、简单易用、维护方便，因此，本文的视频监控系统采用 B 2 1 2视频监控系统硬件方案设计 1）开发环境的简图 嵌入式系统通常为一个资源受限的系统。直接在嵌入式系统的硬件平台上编写软件比较困难，有时甚至是不可能的。目前，一般采用的办法是，先在通用计算机上编写程序，然后，通过交叉编译，生成目标平台上可运行的二进制代码格式，最后下载到目标平台上的特定位置上运行。具体的硬件平台连接如 11 摄 像 头M P E G - 4 编 码 芯片 I M E 6 4 0 0S 3 C 4 5 1 0 网 络 接 口 物理 层 芯 片R T L 8 0 2 1 B H Y 5 7 V 6 4 1 6 2 0芯 片 构 建 S D R A 器 系 统I I C 存 储 器A T 2 4 C 1 6外 部 的 S D R A 6 4 3 2 3 2 视 频 数 据 以 及存 储 编 码 流视 频 编 码 模 块视 频 采 集 ， 转 换 模 块F L A S H 存 储 器H Y 2 9 L V 1 6 0用 作 程 序 的 运行 空 间 ， 数 据及 堆 栈 段存 放 程 序 代码 ， 常 量 表 以及 一 些 在 系 统掉 电 后 需 要 保存 的 用 户 数 据等提 供 E E P R O M 存储 空 间 ， 存 储 用户 信 息 ， 配 置 信息 以 及 网 络 配 置等网 络 隔 离 变 压器 P E 6 8 5 1 5传 输 接 口 R J 4 5端 口传 输 媒 体提 供 网络 接 入通 道变 压 和保 护A R 图 2 1 3视频监控系统的系统软件选择 嵌入式操作系统已经被广泛应用到大量以嵌入式处理器为硬件基础的系统中，常见的嵌入式操作系统有： E、 些操作系统都各有自己强劲的优势， 统和开发环境都是专用的，开发成本高、支持硬件数量有限，使得其多数应用在高精尖技术领域中； 操作系统厂商 场份额越来越多： 泛应用于高端智能手机上： S，占用内存少，具有极强的开放性【 9】。 12 本系统的嵌入式设备考虑到源代码的学习性和家用设备成本问题，采用了开放源代码、高性能可剪裁内核、网络功能优秀的 系统 2版本，与 一的设备模型、即插即用支持、大数量的蝴支持、 扩展性、文件系统等方面进行了改进，尤其是抢占式内核、 I/将显著提高交互式和多媒体应用程序的性能。 因此，本文的嵌入式视频监控系统的总体架构图如图 图 于嵌入式 2 2 系统开发平台的搭建 有的嵌入式操作系统的处理能力和存储能力较弱，不能在它上面安装开发软件；有的嵌入式操作系统的处理器结构特殊，没有可以在上面运行的开发工具。所以，在嵌入式系统 开发时，通常需要采取交叉开发的方式进行。交叉开发环境的模型如图 览器 3G 网络 览器 3G 网络 数据文件 图形界面 务器 面 交互程序 程序接口 客户端 客户端 作系统 13 图 开发主机上可以安装开发工具，编辑、编译目标系统，然后在目标板上运行。这种在主机环境下开发，在目标板上运行的开发模式称为交叉开发。 入式 移植 从软件的角度来看，一个嵌入式 图 示： 图 这四个层次自下而上为： 1)引导加载程序。包括固化在固件 (的 可选 )和 2)操作系统内核。如 常包含内核的启动参数。 3)文件系统。包括根文件系统和建立于 嵌 程序代码 标程序 叉编译 数据通信 用户应用程序 文件系统 操作系统内核 引导加载程序 14 入式系统中，通常用 4)用户应用程序。针对特定用户的专用应用程序。有时在用户应用程序和内核 层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。 2 4 本章小结 本章对远程视频监控系统 总体方案进行了设计，搭建了主机开发环境和嵌入式开发环境，对嵌入式 15 第三章视频采集模块的设计与实现 视频数据的采集是视频监控系统实现的第一步，也是视频压缩和视频传输的基础。本监控系统由多个功能模块构成，视频服务器主要涉及到三部分功能，一部分是基于 部分是建立嵌入式 计 现用户远程通过 外部分是建立视频数据库。本章主要 对 4采用 时建立视频数据库，以便浏览器端对图像数据操作。 3 1 基于 视频采集模块设计 在 及开关视频设备、采集并处理视频图像信息。 .4 复了第一代的部分设计 频和其他输出设备的内核接口。与 的扩展性和灵活性都得到了极大的提高，并且支持的硬件设备也更多，但由于它对 得它与 功加载了 入摄像头就会生成设备文件“ /”。因此，在应用程序中通过读写该文件取得摄像头采集的图像数据。 对于 驱动程序中需要提供基本的 I/、 、 、 的实现，对中断的处理实现，内存映射功能以及对 I/的实现等，并把它们定义在 样当应用程序对设备文件进行诸如 等系统调用操作时， 4在 16 /向驱动申请帧缓冲的请求，里面包含申请的个数 /这个设备的功能，比如是否是视频输入设备 /视频输入 /视频的制式，比如 /帧的格式，比如宽度，高度等 /代表驱动中的一帧 /视频制式，例如： /查询的控制 /具体控制的值 44所示： 17 图 具体的视频采集主要步骤为： 1)打开视频设备 在 视频设备看作设备文件，即 /过调用 函数来实现， 函数带有三个参数，第一个为设备文件名，第二个则是打开的类型。 初始化摄像头打开视频设备 开始 读设备信息 读取映射 建立内存映 开始一帧的图像截取 处理一帧图像 编码，拷贝到其他缓冲区等操作 等待一帧结束是否结束视频 结束 18 用非阻塞模式打开摄像头设备： / )； 如果用阻塞模式打开摄像头设备，则： /,)； 应用程序能够使用阻塞模式或非阻塞模式打开视频设备，如果使用非阻塞模式调用视频设备，即使尚未捕获到信息，驱动依旧 会把缓存 (的东西返回给应用程序。 2)设定属性及采集方式 打开视频设备后，可以设置该视频设备的属性，例如裁剪、缩放等。这一步是可选的。在 般使用 ： .)_备的 如刚才用 d; _体的命令标志符。 在进行 般会用到以下的命令标志 符： 配内存 址 询驱动功能 取当前驱动支持的视频格式 置当前驱动的频捕获格式 数据放回缓存队列 始视频显示函数 束视频显示函数 查当前视频设备支持的标准，例如 这些 些是必须的，有些是可选择的。 查当前视频设备支持的标准 在亚洲，一般使用 20式的摄像头，而欧洲一般使用20使用 19 & 4 4 捕获格式 当检测完视频设备支持的标准后，还需要设定视频捕获格式： ， ； 4 20； 76； 44if(= 数据流类型，必须永远是 412_ 412_ 20 412_ _u8 00； ； _ /宽，必须是 16的倍数