（通信与信息系统专业论文）嵌入式无线视频监测终端的研究与设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着信息化时代的到来，计算机网络技术，图像处理技术与通信技术 飞速发展，极大的推动了监测技术的不断发展与更新。无线视频监测相比 传统的有线监测有很多优点，己广泛应用于社会生活的各个领域。为了满 足视频监测在警盔摄像机中的应用需要，论文研究和设计了嵌入式无线视 频监测终端，对视频监测的采集、编码、传输等模块进行了研究。 通过对嵌入式技术、数字图像技术及无线网络传输等技术的深入研究， 提出了基于p x a 2 5 5 平台的无线视频监测系统的总体方案。重点对监测终 端部分进行研究设计：硬件平台根据视频数据采集、编码及传输需要选择 了z c 0 3 0 1 摄像头、基于p x a 2 5 5 处理器的嵌入式开发板以及c d m a 模块； 软件平台采用嵌入式l i n u x 操作系统。论文依据硬件平台和嵌入式l i n u x 构建了无线视频监测终端的软硬件框架，并进行开发环境的构建，包括： 建立嵌入式系统的交叉编译开发环境，对b o o t l o a d e r 的启动过程分析，实 现b o o t l o a d e r 的移植；针对p x a 2 5 5 目标板，完成a r m l i n u x 操作系统的 内核配置和移植。根据应用软件的总体功能，对视频采集编码模块和视频 传输模块进行了设计：其中，深入分析h 2 6 4 的编码结构，对其中复杂度 较高的运动估计算法和帧内预测算法进行改进和优化，提高编码效率，使 编码器达到满足嵌入式应用的需要；融合采集和编码程序并对移植后的编 码器针对p x a 2 5 5 平台进行优化完成了视频的采集压缩模块设计。提出基 于r t p 的传输控制策略，通过s o c k e t 套接字进行无线视频数据收发，完成 了对视频传输模块的设计。最后，构建测试环境，对编码器性能和监控效 果进行测试分析。 测试结果表明，在软硬件环境下，所设计的监测终端可以对q c i f 分辨 率视频进行采集并进行h 2 6 4 编码压缩，经优化的编码器编码速度可以达 到1 8 帧秒左右，基本可达到准实时的效果，要实现视频的实时监测，还有 赖于针对x s c a l e 平台的进一步优化和采用更高性能的的处理器等手段。 关键词：嵌入式h 2 6 4l i n u x 监测终端r t pc d m a 江苏大学硕士学位论文 ab s t r a c t w i t ht h ec o m i n go fi n f o r m a t i o na g e ，c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n di m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g ya n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yg r e a t l yc o n t i n u o u s l y p r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y w i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c ew h i c hh a s m a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lw i r e do n e ，h a db e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u s f i e l d so fs o c i a ll i f e t om e e tt h ea p p l i c a t i o nn e e d so fw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c ec a m e r a si nt h e h e l m e t so ft h ep o l i c e ，t h i sp a p e rs t u d ya n dd e s i g ne m b e d d e dw i r e l e s sv i d e om o n i t o r i n g t e r m i n a l i ti n - d e p t hs t u d yt h ev i d e os u r v e i l l a n c ec a p t u r e ，c o d i n ga n dt r a n s m i s s i o n t h r o u g hi n - d e p t hs t u d yo ne m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dd i g i t a li m a g i n gt e c h n o l o g ya n d w i r e l e s sn e t w o r kt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，ap r e c e p to fw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m d e s i g np r o g r a mb a s e do np x a 2 5 5i sp r e s e n t e d t h i si s s u ef o c u s e so nt h et h er e s e a r c ha n d d e s i g no ft h em o n i t o r i n gt e r m i n a l i nt e r m so fh a r d w a r e ，s e l e c tt h ez c 0 3 0 1c a m e r a ，e m b e d d e d d e v e l o p m e n tb o a r dw h i c hb a s e do np x a 2 5 5p r o c e s s o ra n dc d m am o d e ma c c o r d i n gt ot h e n e e d so fv i d e os u r v e i l l a n c ec a p t u r e ，c o d i n ga n dt r a n s m i s s i o n t h ee m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n g s y s t e mi ss e l e c t e da ss o f t w a r ep l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n de m b e d d e d l i n u x ，t h et h e s i sb u i l daw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef r a m e w o r kf o rt h e t e r m i n a l ，a n db u i l dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，f o re x a m p l e ，b u i l d i n gt h ec r o s s c o m p i l e r d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tb a s e do nt h ee m b e d d e ds y s t e m s ，a n a l y s i n gt h eb o o t l o a d e rs t a r t p r o c e s s ，t h eb o o t l o a d e rt r a n s p l a n t a t i o n ，a r m l i n u xk e r n e lc o n f i g u r a t i o na n dm i g r a t i o nf o r p x a 2 5 5t a r g e tb o a r d t h ep a p e rd e s i g n e st h ev i d e oc a p t u r ea n dt r a n s m i s s i o nm o d u l e s a c c o r d i n gt oa p p l i c a t i o ns o f t w a r e ：i n - d e p t ha n a l y s i st h eh 2 6 4m a i nm o d u l e s ，o nw h i c ht h e h i g h e rc o m p l e x i t yo fm o t i o ne s t i m a t i o na n di n t r ap r e d i c t i o na l g o r i t h mi si m p r o v e da n d o p t i m i z e d t oi m p r o v et h ec o d i n ge f f i c i e n c y , s ot h a tt h ee n c o d e rm e e tt h en e e d so fe m b e d d e d a p p l i c a t i o n s ，t h r o u g ht h ei n t e g r a t i o no fc o l l e c t i o na n dc o d i n gp r o c e d u r e sa n dt r a n s p l a n t a t i o n e n c o d e ra n do p t i m i z e df o rt h ep x a 2 5 5p l a t f o r mt oc o m p l e t ev i d e oc a p t u r ea n dc o m p r e s s i o n m o d u l ed e s i g n ；t os t u d yt h et r a n s m i s s i o nc o n t r o lm e t h o db a s e do nr 腥t os e n da n dr e c e i v e w i r e l e s sv i d e od a t ab ys o c k e tt oc o m p l e t e dt h ed e s i g no fv i d e ot r a n s m i s s i o nm o d u l e ；f i n a l l y , b u i l d i n gt e s te n v i r o n m e n tt oa n a l y s i sr e s u l t so ft h ee n c o d e rp e r f o r m a n c e t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a ti nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ee n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g no ft h e c o n t r o lt e r m i n a lo ft h eq c i fr e s o l u t i o nv i d e oc a p t u r ea n de n c o d i n ga c c o r d i n gt oh 2 6 4 s t a n d a r d ，t h eo p t i m i z e de n c o d e rs p e e dc a nr e a c hl8p e rs e c o n d ，t h eb a s i cq u a s i - r e a l t i m e r e s u l t sc a nb ea c h i e v e d t oa c h i e v er e a l t i m ev i d e os u r v e i l l a n c e ，i ta l s od e p e n d so nf u r t h e r o p t i m i z a t i o nf o rt h ex s c a l ep l a t f o r ma n du s e sh i g h e rp e r f o r m a n c ep r o c e s s o r sa n do t h e r m e a n s k e yw o r d s ： e m b e d d e dh 2 6 4l i n u x m o n i t o r i n gt e r m i n a l r t pc d m a l i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学 位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密函。 学位论文作者签名：拶午 指导教师签名：腾傍 们卜年6 月知日扣卜年石月日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 斟汨 “ d 谬 厂 ： 月 名 签者 年 作 小 刘 杪 沦 ： 位 期 学 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着生活水平的提高，人们对发生事件现场的状况提出了更高的要求。很多情况下， 人们希望能够在不被察觉的情况下对现场的图像信息进行监测。比如在民警执勤过程中 用到的警盔监测摄像机，它可以随时记录发生的事件，一方面可以记录现场情况为事件 处理提供依据，另一方面可以规范执法人员的行为。如果该监测终端采用传统的有线网 络进行传输就显得极为不便，另外在一些较难安装有线网络的地方比如海上等，传统有 线网络传输方式就更显得无能为力了；此时，依靠无线传输技术的视频监测系统的优势 就体现出来了。 在技术方面，嵌入式技术、视频编解码技术和无线传输技术的快速发展，使得嵌入 式无线视频监测成为可能。随着视频编解码算法的改进，在同等清晰度下，压缩比进一 步提高，传输的数据餐减小。而无线传输技术的发展更是立竿见影，c d m a l x 的数据 传输技术与通用分组服务g p r s 相比在技术上有显著不同，其传输速率高于g p r s ，在 新业务承载上也比g p r s 成熟，更适合大容量、高质量的数据传输，而且3 g 时代的到 来，给予无线视频传输更充足的带宽。这些为实现嵌入式视频监测提供了良好的平台。 嵌入式视频监测相比其他监测系统，有如下优点： 1 ) 嵌入式视频监测与网络结合，直接接入网络，即插即用，扩大了监测地域，增 加的设备只是i p 地址的扩充，使用方便，节省成本。 2 1 嵌入式视频监测系统多采用嵌入式实时多任务操作系统，系统的实时性、稳定 性、可靠性大大提高，往往无需专人管理，可用于很多特殊情况使用。 3 ) 嵌入式视频监测通过联网可以使监测更加灵活，随时随地得到现场情况，由于 网络的双向传输性，监测中心还可以通过控制监测终端来实现全方位的监测；通过网络 对现场进行控制，还可以进行图像分析辨识，实现对监测现场异常情况的实时监测。 嵌入式视频监测的国内外研究和应用现况如下：由于社会、经济等方面的因素，我 国的监测领域起步比较晚，在9 0 年代以后才得到了较快发展。目前，我国拥有很多专 门从事视频监测生产与研究的企业，如海康威视、天津三星等国内知名企业；许多大专 院校和科研机构也都从事这一领域的研究。由于国外发达国家监测技术比我国起步早很 多年，掌握着很多核心技术，目前已经形成了不少知名品牌，如：索尼、博世、松下等。 随着监测领域研究的的深入，其相关的应用也越来越广泛，如将其应用于煤矿的生产中， 减少生产事故的发生f l 】；在远程医疗领域采用监测技术为偏远落后地区提供医疗服务【2 j 。 江苏大学硕士学位论文 论文针对执法人员在执勤过程中使用的警盔摄像机为具体应用对象，研究设计嵌入 式无线监测终端。该摄像终端要求携带方便，低成本，操作简单，可方便执法人员在多 种场合使用。 1 2 研究目的和意义 课题来源于实验室申报的研究项目嵌入式无线视频监测终端在警盔摄像机中的应 用研究。课题的目的是研究和设计嵌入式无线视频监测终端，该终端的功能是将采集 到的视频信息进行h 2 6 4 编码，将压缩后的视频数据流通过c d m a l x 无线网络传输到 监测服务器中，同时监测终端完成压缩视频流的存储备份。 所研究的嵌入式无线视频监测终端顺应监测领域的发展趋势，结合先进的h 2 6 4 视 频压缩技术和网络传输协议，并将近几年来，已经成熟的无线通讯技术运用到视频监测 中，具有一定的理论和实践价值。该视频监测终端可应用与无线警盔摄像机中【3 1 ，对于 警方现场取证非常方便，大大提高破案效率。为民间纠纷、突发性事件和群体性事件锁 定了证据，同时保证了案件处理的准确性和公正性，增强执法透明度。防止发生执法不 规范、对群众态度蛮横等问题。另外，监测录像记录现场情况，监测终端的备份资料可 在第一时间成为民警维权的重要证据。同时监测终端具有低成本、小型化、扩展性强等 优点，也可扩展到其他的无线多媒体应用中。 1 3 本文研究内容 论文以执法人员使用的警盔摄像机为应用对象，通过深入分析h 2 6 4 a v c l 4 l 视频编 码技术和嵌入式技术，将采集到的视频进行h 2 6 4 视频编码压缩，同时实现基于r t p 的h 2 6 4 传输控制方法，完成了嵌入式无线监测终端的设计。全文组织结构如下： 第一章：简单阐述了课题的研究背景及监测系统研究应用现状，引出课题的研究目 的和意义。 第二章：提出嵌入式无线视频监测系统的基本框架，对监测终端分别从硬件组成和 软件框架两方面阐述设计的思路。 第三章：阐述了嵌入式l i n u x 5 l 的发展与特点，建立交叉编译开发环境，针对p x a2 5 5 处理器分析b o o t l o a d e r 的启动过程，对其进行设计移植，对内核进行了相关配置、修改 与编译，并对其进行了移植，同时完成l i n u x 根文件系统的设计和移植，实现嵌入式系 统软件的开发与移植。 第四章：深入分析了h 2 6 4 视频编码结构，对其中复杂度较高的运动估计算法和帧 内预测算法进行了改进与优化，提高了编码效率，为下一步编码移植做准备。 江苏大学硕士学位论文 第五章：通过v 4 l 编程完成了视频采集，将视频采集程序和编码算法进行融合， 对h 2 6 4 编码器移植到p x a 2 5 5 平台上，并针对该平台进行优化，完成视频的采集压缩 模块设计。 第六章：提出基于r t p 的h 2 6 4 传输控制方法，重点分析了基于j r t p l i b 库的传 输控制编程，并给出其实现步骤。 第七章：结合c d m a l x 无线网络的接入方法和原理，对整个系统进行测试，并进 行相应的结果分析。 第八章：总结课题的工作及特点，对下一步工作进行展望。 江苏大学硕士学位论文 第二章嵌入式无线视频监测系统总体方案 嵌入式无线视频监测是在软硬件协同工作的基础上运作的，良好的总体方案是视频 监测系统能够开发成功的关键。本章提出无线视频监测系统的基本框架，重点对监测终 端从硬件、软件两个方面分别介绍。 2 1 嵌入式无线视频监测系统总体方案 警盔式无线监测系统以无线视频监测终端作为警盔摄像端，在监测网络中心设置监 n i l 务器，警盔摄像端保存监测录像用以备份，同时通过无线网络将采集到的视频数据， 音频数据等传到监测中心，监测人员可以对现场情况进行监测。 根据警盔监测系统的具体功能，论文提出警盔式无线视频监测系统的基本框架如图 2 2 所示： 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i 无线视频监测终端 c d m a 瞬 络 图2 2 警盔式无线视频监测系统基本框架 警盔式无线视频监测系统由警盔摄像机和监控服务器构成，其中警盔摄像机硬件部 分由警用硬质头盔、核心开发板、c d m a 收发模块和摄像头构成，软件部分包括：嵌入 式平台上运行的基于l i n u x 的采集编码程序和网络传输程序：采集编码后的视频流一方 面用s d 外接卡进行存储，另一方面通过c d m a 模块进行无线传输到监n i l 务器。 鉴于研究成本开销和开发周期问题，课题采用基于现有核心板基础上开发视频监测 系统。核心板上有p x a 2 5 5 主控制器、s d r a m 、n a n df l a s h 存储器和c s 8 9 0 0 以太 网控制芯片以及外接的s d 卡。在此基础上对系统进行扩展，包括设计视频采集编码、 视频传输及c d m a 链接等模块。 论文重点对系统的监测终端部分进行研究和设计，下面分别对监测终端的软硬件部 分进行说明。 2 2 视频监测终端硬件组成 4 江苏大学硕士学位论文 视频监测终端以a r m 为核心处理器，硬件结构图如下图2 3 所示，其中，a r m 控 制器和c d m a 模块是监测终端重要组成部分。 图2 3 监测终端硬件结构框图 2 2 1a r m 微处理器 嵌入式微处理器方面，r i s c l 6 l 技术推动着计算机体系结构从封闭的c i s c 向开放的 结构发展。全球各大c p u 芯片制造厂商争相丌发生产r i s c 芯片，目前的典型结构为 a r m 系列、m i p s 和s h 。一般的嵌入式实时操作系统都支持r i s c 上述微处理器。a r m 公司是一家i p 供应商，其核心业务是i p 核以及相关工具的开发和设计。a r m 公司的 i p 核也由a r m 7 ，a r m 9 发展到今天的a r m l l 版本。 a r m 微处理器的特点：体积小、功耗低、低成本、高性能；支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) x 2 指令集，能很好的兼容8 1 6 位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；多数 数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单；执行效率高；指令长度固定。 a r m 体系的设计是基于r i s c 思想的，其代码密度性能介于其他多数r i s c 微处理 器和c i s c 微处理器之间。后来引入的t h u m b 指令集则大大提高了代码密度。a r m 主 要使用3 2 位的r i s c 指令，但是指令代码利用率低，a r m 为了弥补此不足，在新型的 a r m 构架定义了1 6 位的t h u m b 指令集。另外，为了加速通信和多媒体中有关数字信 号的处理，a r m 微处理器在r i s c 的基础上增加了d s p 核中的关键部件，双核协同工 作。 a r m 构架的微处理器主要用于嵌入式系统，因此a r m 构架在设计中十分注意低 电压、低功耗处理，设计中采用了以下措施：降低电源电压；减少门的翻转次数，当某 个功能电路不需要时，禁止门翻转；减少门的数目，降低芯片的集成度；降低时钟频率。 a r m 的低功耗，使得a r m 在专门针对嵌入式系统的微处理器市场中始终处于有利的 江苏大学硕士学位论文 地位。目前广泛应用的a r m 微处理器有a r m 7 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列和 i n t e ls t r o n g a r m 、x s c a l e 系列。 鉴于a r m 微处理器在技术和市场上的优势，论文使用e x a - 4 0 0 为嵌入式开发系统， 以i n t e rp x a 2 5 5 为核心处理器。英特尔x s c a l ep x a 2 5 5 是基于i n t e lx s c a l e 微体系结构 的i m e lp c a 处理器，具有先进的集成功能、领先的多媒体性能和卓越的节电能力。内 部采用x s c a l e 内核构架( 基于a r m 公司的v 5 t e 体系结构) ，但为进一步增强x s c a l e 系 列处理器的多媒体应用能力，x s c a l e 内核增加了额外的乘累加功能模块，该功能模块是 i n t e l 媒体处理技术的首个应用实例。因此x s c a l e 内核构架的性能比同样基于v 5 t e 体 系结构的a r m l 0 内核更加优越，其频率高达4 0 0 m h z ，内核扩充的d s p 指令极大提高 了多媒体处理能力，同时提供了l c d ( 液晶显示器) 控制器、无线局域网( 8 0 2 1l b ) 、蓝牙、 高速红外、u s b 等多种功能模块。作为便携移动设备的首选嵌入式处理器，p x a 2 5 5 内 核具有i n t e l 先进的动态电源管理技术，可以根据处理器所执行的任务情况动态调整工 作频率和多种节电模式，实现低功耗高性能的技术。 e x a 一4 0 0 嵌入式开发平台部分硬件如下： 1 ) 处理器 o x s c a l ep x a 2 5 5 主频：4 0 0 m h z o m m u 单元，2 k 字节m i n i d a t ac a c h e 扩展多媒体d s p 指令 2 ) 存储器 s d r a m ：6 4 m b n o r f l a s h ：3 2 m b ，i n t e ls t r a t a 快速页面读取模式f l a s h n a n df l a s h ：3 2 m b ，可以定制扩展到2 5 6 m b o s d 外置卡：8 g 3 ) 通讯模块 以太网控制器：一个e t h e m e t 接口，1 0 b a s et ，支持低功耗模式 o u a r t ：2 个全功能串行接口，速率高达2 3 0 k b p s o u s b ：一个通用串行总线从设备控制器( u s bc l i e n t ) 4 ) 调试接口 o j t a g 调试接口 2 2 2c d m a 模块 采集终端与c d m a1 x 通信网络【7 】之问的连接是通过c d m ad t u ( c d m a 数据终端 单元) 来实现的。目前市面上已经有许多厂家生产的多种c d m a 模块，如西门子、华为、 6 江苏大学硕士学位论主 中蔗等。本系统采用的是m g $ 1 5 a 模块，垓模块的特点是稳定性好。 m g 8 1 5 a 模块是高通公百j 的工业级c d m a 模块，支持语音、数据、短信等功能。 可用于基于c d m a 技术的数鼎化输、无线终端、实时监控等领域。该模块内嵌t c p 1 p 协议栈，并且提供了标准的a t 指令和r s 2 3 2 接，朋户可方便的通过微处理器的u a r t 与m g g l 5 a 模块相连，使用a t 指令控制模块实现数据的传输。 m g 8 1 5 a 模块的主要技术指标有： 频率：发送8 2 48 4 9 m h z ，接收8 6 98 9 4 m h z 输入电压：33 42 5 v d c 功耗：最大1 8 2 7 m w ，特机4 2 r o w 左右 上下行盎；高速率：1 5 63 k b p s a t 指令的概述： a t 指令是h a y e s 公司为m o d e m ( 调制解调 ) 制定的一个控制指令集，日前在工业 界已变成了一个二# 实标准，广泛应用r 对m o d e m 和m s ( 移动台1 的控制。 所有a t 指令都以“a t ”丌头，以t c r 结尾，不1 _ ；( 分大小写。t 要有四种格式： 1 ) 无参数指令：指示模块做什么，模块根据内部参数完成命令并应答： 2 ) 查询指令：奁询该指令当前设置的值，模块返回设置值； 3 ) 帮助指令：用来列出该指令的可能参数，模块返同列袭； 4 ) 带参数指令：设置模块的相应参数。 a t 指令的返回值丰要有以下两种情况： 1 ) 指令的操作结果报告：返叫最近一条a l - 指令的操作结果若指令操作错误，则 返叫错误代码。 2 ) 事件报告：当网络宵下发率什时，如收到短信、柬 乜振铃等，模块会 动将事 件报告给客户。 课题所使用的m g 8 1 5 a 模块及设计的c d m a 模块如下崮2 4 所示： 嘲塑 2 3 视频监测终端软件框架 图2 4c d m a 模块 江苏大学硕士学位论文 监测终端软件框架主要包括：嵌入式l i n u x 系统的构建及应用软件的开发。构建嵌 入式系统软件包括：交叉编译开发环境的建立、b o o t l o a d e r 的设计移植、l i n u x 内核的 编译和移植、根文件系统的构建。该部分的工作主要为应用软件搭建一个系统平台。应 用软件包括视频采集编码模块设计和视频传输模块设计。视频采集压缩模块完成对视频 信号的采集，将u s b 摄像头采集的信息以文件的形式保存或者放入内存缓冲区，由x 2 6 4 视频压缩编码视频缓冲区数据，对其进行压缩处理后形成2 6 4 文件，用s d 卡进行存储， 另一方面将压缩后的视频流通过视频传输模块传输到监测服务器。其软件结构如下图 2 5 所示： 应用软件：视频采集、编码压缩、s o c k e t 网络程序 r t p r t c p ，。、j r 、n ，- n j 4 t ：士l ! l r ，ri ”i 蕊仪 p p p 实现 嵌入式l i n u x 内核，根文件系统 驱动程序 系统引导b o o t l o a d e r 图2 5 监测终端软件结构图 2 3 1 嵌入式系统软件的构建 1 ) 嵌入式交叉开发环境的建立 嵌入式开发的目标平台确定后，首先要建立交叉开发环境。交叉开发环境的软件核 心是一套交叉编译工具链，运行在本地宿主平台上，它是用于编译生成在目标平台上运 行的可执行文件的一组编译软件。嵌入式交叉开发的本地宿主平台通常采用x 8 6l i n u x 平台。嵌入式交叉开发的目标平台取决于其处理器的体系结构和采用的操作系统。 2 1b o o t l o a d e r b o o t | o a d e r 是在系统加电后嵌入式操作系统运行之前执行的一段小程序。它的作用 是初始化硬件设备、建立内存空问的映射表，从而建立适当的系统软硬件环境，为调用 操作系统内核做准备。 3 1 嵌入式l i n u x 内核 嵌入式l i n u x 的开发和研究是操作系统领域中的一个热点，目前已经开发成功的嵌 入式系统中，约有一半使用的是l i n u x 。l i n u x 之所以能在嵌入式系统市场上取得如此辉 煌的成果，与其自身的优良的特性是分不开的。如：广泛的硬件支持，内核高效稳定， 开放源码，软件丰富优秀的开发工具，完善的网络通信和文件管理机制。 4 ) 根文件系统 8 江苏大学硕士学位论文 根文件系统是l i n u x 系统的一个重要组成部分。它提供l i n u x 内核运行所必须的库 文件、设备文件、系统配置文件等。嵌入式l i n u x 支持的文件系统有数十种之多，其中 y a 仃s 是一种针对n a n df l a s h 存储器开发的嵌入式l i n u x 文件系统。根据嵌入式l i n u x 系统的特点和所选用的硬件平台，论文采用y a 舔根文件系统。 2 3 2 应用软件的设计 应用软件的设计包括：视频采集编码模块设计和视频传输模块设计。 1 ) 视频采集模块设计：使用u s b 摄像头进行视频采集，需要在嵌入式l i n u x 内实 现对u s b 驱动的添加，通过v 4 l 编程来实现视频的采集。 视频信号采集不采用芯片级设计方案，而是基于市场上常见的u s b 摄像头采集数 据，并通过开发板提供的u s bt y p e a 型接口进行通讯，将视频数据输入p x a 2 5 5 开发 板中，进行后继处理。视频信号采集的硬件结构见图2 6 所示。 图2 6 视频采集硬件结构图 u s b 摄像头属u s b 设备，它将摄取的数字视频图像直接通过u s b 接口送入开发板 进行处理。嵌入式系统最常用的摄像头有两大系列，分别是基于o v 5 1 1 和z c 0 3 0 1 芯片 的。其中以z c 0 3 0 1 为图像处理核心芯片的摄像头所获取的图像质量更高，在市场上的 应用也更为广泛。故本系统选用以中星微公司的z c 0 3 0 1 为核心芯片的摄像头。 2 1 压缩编码软件的选择 h 2 6 4 a v c 标准自2 0 0 3 年3 月开始公布以后，世界各国的视频开发人员很快地开 发出符合h 2 6 4 a v c 标准的多个版本的视频程序，同时很多研究组织公布了他们各自的 开源代码。其中有3 个开源组织开发的h 2 6 4 标准的程序较为著名，分别是德国的j m 版本、法国的x 2 6 4 版本及发源于中国的t 2 6 4 版本，这三大系列具有不同的特点： j m l 8 】系列是h 2 6 4 a v c 的官方测试源码，由德国h h i 研究所( h e i n r i c h h e r t z i n s t i t u t ) 负责开发，实现了h 2 6 4 a v c 所有的特性。由于是官方的测试源码，所以学术研究的算 法一般在j m 基础上实现并和j m 进行比较。但j m 程序结构冗长，只考虑引入各种新 特性以提高编码性能，忽视了编码复杂度，因此其编码复杂度极高，不宜实用。 x 2 6 4 1 9 j 是网上自由组织联合开发的兼容h 2 6 4 a v c 标准码流的编码器，是由法国巴 黎中心学校的中心研究所( c e n r t a l er 6 s u a x ) 的一些学生发起的。x 2 6 4 在程序结构和算法 方面较j m 系列有较大改进，并利用了m m x s s e s s e 2 等基于x 8 6 架构的多媒体硬件 9 江苏大学硕士学位论文 指令加速技术，同时摒弃了一些耗时但对编码性能提高微小的模块。和j m 相比，x 2 6 4 更注重实用，在不明显降低编码性能的前提下，努力降低编码的计算复杂度。 t 2 6 4 1 1 0 i 是由中国视频编码自由组织联合开发的h 2 6 4 a v c 编解码器，编码器编码 输出标准的h 2 6 4 a v c 码流，但解码器只能解t 2 6 4 编码器生成的码流。和x 2 6 4 的出 发点相似，t 2 6 4 比较注重实用，吸收了j m 、x 2 6 4 、x v d i ( m p e g 4 ) 的优点。 x 2 6 4 和j m 相比，在编码性能和j m 相当甚至更好的情况下，编码速度可以提高 3 0 0 - 5 0 0 倍。t 2 6 4 和j m 相比，虽然编码速度有了很大的提高，但其解码器只能解码 t 2 6 4 编码的码流，通用性不佳。另外，有测试结果i l l l 显示，在客观质量( p s n r ) 相同的 情况下，x 2 6 4 的主观图像质量明显比t 2 6 4 的高，而x 2 6 4 在客观质量不如j m 8 6 的情 况下，有时x 2 6 4 的主观图像质量却比j m 8 6 好，这说明x 2 6 4 更加注重实效。因此，通 过对码率、失真度、编解码时间、功能实用性、程序复杂度、通用性等各项因素的测试 和比较，选择x 2 6 4 作为本课题的参考模型。 由于该编码技术较为复杂，需要对h 2 6 4 编码技术进行核心算法的改进以降低复杂 度并针对p x a 2 5 5 平台对编码器进行优化。 3 ) 视频传输模块设计：主要实现将采集压缩处理过后的视频流进行无线发送，网络 协议栈使用c d m a 模块内嵌的t c p i p 协议栈，传输层采用r t p r t c p u d p 协议，通过 s o c k e t 网络通信完成视频传输。 2 4 本章小结 本章首先介绍了嵌入式无线视频监测系统的基本框架设计，然后重点以监测终端部 分分别从硬件和软件两方面进行了具体的设计和构架，在硬件部分主要介绍了a r m 控 制模块和c d m a 模块；软件框架主要从嵌入式系统软件的构建和应用软件两方面进行 了描述。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第三章嵌入式系统软件开发与移植 l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，近二十年的时问已经发展成为功能强大、设计完善的 操作系统之一，不仅可以与各种传统的商业操作系统分庭抗争，在新兴的嵌入式操作系 统领域内也获得了飞速发展。采用对标准l i n u x d , 型化裁剪处理之后的嵌入式l i n u x ，可 以利用开源代码的易得性、p o s i x 兼容性、坚实的可靠性以及大量的应用程序，且无需 支付任何许可费用。所有这些优点，再加上价格优势，使得l i n u x 成为嵌入式操作系统的 一个出色的解决方案。 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机理论为基础，软件硬件可裁剪，适应系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。一般的嵌入式系统具有 以下特征：系统内核小；专用性强；系统可裁剪以及实时操作系统( r t o s ) 的需求。 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种支持嵌入式系统应用的操 作系统软件，它是嵌入式系统中( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与 硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏 览器等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统具有在系统实时高效性、硬件的相关 依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面的特点。 目前广泛应用的产品包括v x w o r k s 、w i n c e 、v r t x 、p a l m o s 、p s o s 等，这些r t o s 都足商用的嵌入式操作系统，它们在系统可靠性和对用户的技术支持都有优势。但是缺 点是价格昂贵，核心源代码不公开，可移植性差，难以实现嵌入式系统要以最小的软硬 件系统，最低的成本去完成目标功能这一特点。l i n u x 系统与u n i x 系统兼容，开放源代 码。它原本被设计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域。而更大的影响在于它正逐 渐的应用于嵌入式设备。另外，l i n u x 操作系统源码全部公开，任何人可以修改并在g n u 通用公共许可证下发行。 3 2 嵌入式l i n u x 开发环境的建立 3 2 1 硬件环境 p c 宿主机通过串k c o m l 、并口、以太网络接口与嵌入式开发板系统的串口、j t a g 以及以太网接口分别连接。其中各接口如下： 1 ) 以太网络接口传送文件 2 ) j t a g 口烧写b o o t l o a d e r 江苏大学硕士学位论文 3 ) 串口一传送文件和调试 3 2 2 交叉开发环境的建立 通常开发嵌入式l i n u x 系统宿主栅目标平台构架选用连接式设置，即宿主机和目标 平台一直通过交叉线连接在一起，所有的数据都是通过连接传送。其中，宿主机包含交 叉开发环境，目标平台则包含引导加载程序、l i n u x 内核、根文件系统。 所谓交叉编译，就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码，即将在x 8 6 上 的代码编译为a r m 系统可以识别的二进制可执行文件。在进行应用程序开发之前，必须 在宿主机上建立和配置好开发应用程序所需要的开发环境。 一个完整的交叉编译器包括以下几个部分：交叉编译器( g c c ) ，库文件( g l i b c ) ，调 试工具( g d b ) ，l i n u x 头文件，以及一些常用的操作二进制文件的工具( b i n u t i l s ) 。由于 l i n u x 内核对编译器有很大的依赖性，所以不同版本的l i n u x 需要相应版本的编译器编译。 本文采用c r o s s 2 9 5 3 版本编译器，该版本比较稳定。 首先启动p c 机l i n u x 系统，拷贝c r o s s 一2 9 5 3 t a r b z 2 文件至l j u s r l o c a l 。然后安装交叉编 译器。在终端窗口输入以下命令： 撑m k d i r u s r l o c a l a n n 撑t a rx v z fc r o s s 一2 9 5 3 t a r b z 2 群m v2 9 5 3 u s r l o c a l a r m 撑e x p o r tp a t h = $ p a t h ：u s r l o c a l a r m 2 9 5 3 b i n 这样，编译器就安装完毕了。上述命令的含义： t a rx v z f c r o s s 2 9 5 3 t a r b z 2 ：解压压缩文件包。解压完成后，输入l s ，可以看到新的 目录“2 9 5 3 ”。 m v2 9 5 3 m r l o c a l a r m ：移动整个2 9 5 3 目录到u s r l o c a l a r m 目录下。 e x p o r tp a t h = $ p a t h ：u s r l o c a l a r m 2 9 5 3 b i n ：设置系统环境变量。如果输入命令 a r m 1 i n u x g c c v 后能有版本显示则表明交叉编译环境己经建立好了。完成以上步骤，在 个人p c 机上就完成交叉编译环境的建立。 3 2 3 配置n f s 网络文件系统( n f s ) 是为了在不同