（通信与信息系统专业论文）嵌入式视频监控系统中的gui设计与实现.pdf

嵌入式视频监控系统中的g u i 设计与实现 摘要 视频监控是涉及计算机科学与人工智能等多个学科的一个重要应用领域。嵌入式视频 监控系统像所有嵌入式产品一样，在很多重要领域中得到了广泛的应用。目前，嵌入式视 频监控的智能化在理论上和实践上都正处于研究与探索阶段。嵌入式图形用户界面( g u d 是嵌入式设备的重要组成部分，它通过美观的图形界面来实现用户与嵌入式设备之间的信 息交流。随着嵌入式系统的不断发展，嵌入式g u i 的重要性不断提升。但是嵌入式设备资 源有限，具有一定的专用性，不能完全照搬p c 平台上的g u i 。 本文完成了嵌入式视频监控系统整体方案的设计。首先探讨了嵌入式视频监控系统的 常用设计方案，根据实际需要提出了一种嵌入式系统构建方案，对视频采集和视频压缩模 块进行了详细描述，接着在硬件平台上实现了嵌入式“n 似操作系统的搭建，并对视频监 控系统中主要的应用程序进行了描述。该系统具有稳定性好、效率高等特点。 本文设计了一套基于嵌入式l i n u ) 【的g u i 。首先讨论了现有的嵌入式g u i 设计理论与 技术。接着克服了用户界面过多占用嵌入式系统资源等不利因素，提出了一种自主开发轻 量级g u i 的方案。实现了f r 锄e b u 艉r 驱动程序，输入设备驱动程序的设计。完成了底层 图形引擎的实现与封装，根据实际应用设计了一套中英文字库。最后根据嵌入式视频监控 系统的实际应用，在已经设计好的g u l 基础上进行进一步开发，设计了一套应用于嵌入式 视频监控系统的用户界面系统。该系统具有占用资源少、效率高、可移植、界面美观等特 点。 关键词：嵌入式，l i n l ，视频监控，g u i ，f r 锄e b u 疏r t h eg u id e s i g na n dr e a l i z a t i o no f e m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t v i d e om o n i t o r i n gi s 锄i m p o r t 锄ta p p l i c a t i o nf i e l dw l l i c hi sr e l a t e dt 0c o m p u t e rs c i e n c e 锄d a n i f i c i a ji n t e l l i g e n c e l i k ea l lo t h e re m b e d d e dp r o i l u c t s ，e m b e d d e dv i d e om o 血t o r i n gs y s t e mi s b r o a m yu s e di nm a n yi r n p o r t 锄t 丘e l d s c l m - e n t l y ，e m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gi n t e l l e c t u a l i z a t i o n i si i lt 1 1 ep r o c e s so fr e s e a r c h 锄de x p l o m t i o nt 量l e o r e t i c 面l y 锄dp r a c t i c a l l y e m b e d d e d 鲈a p h i c a l u s e ri n t e r f - a c e ( g u i ) i sn l ek e yp a r to fe m b e d d e dd e v i c e s i tc o m p l e t e st l l ei n f o 肌a t i o ne x c h a n g e b e m e e nu s e 墙锄d 锄b e d d e dd e v i c e st 1 1 r o u 曲s l i n l ( y 蹦l p l l i c a li n t e m c e w i t l lt l l eg r o 晰n g d e v e l o p m e n ti n 锄b e d d e ds y s t e m ，t l l ei n l p o r t 锄c eo fg u ih 嬲p r o m o t e di n c r e a s i n 酉y b u t e m b e d d e dd e v i c e sa r er e s o u r c eb 0 啪d e da 1 1 do fs p e c i f i c i t ) ，t h eg u io np cp l a t f o 肌c 锄n o tb e c o m p l e t e dc o p i e d t h i st i l e s i sc o m p l e t e st h e 、 ，h o l ed e s i g no fe m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m f i r s ti t d i s c u s s e st h ec o m m o nd e s i g ns c h e m e si ne m b e d d e dv i d e om o i l i t o r i n g s y s t e m a c c o r d i n gt 0 a c t u mn e e d ，i tp r o p o sac o n s m l c t i o np l 锄锄dg i v e sad e t a j l e dd e s c r i p t i o no ft l l e v i d e o c o l l e c t i o n 锄dc o m p r e s s i o nm o d u l e s t h 锄i tc o m p l e t e st l l ec o n s 仃u c t i o no fl i n u ) 【o p e r a t i o n s y s t e mo nt h eh 羽w a r ep l a t f o 加锄dd e p i c t st l l em a j na p p l i c a t i o np r o g 均m so ft l l ev i d e o m o l l i t o r i n gs y s t e m t i l i ss y s t e mh 觞m 锄ya d v a i l t a g e s 跚c h 嬲9 0 0 ds t a b i l i t ya n di l i g l le 币c i e n c y t h i st h e s i sd e s i g n sas e to fg u ib 觞c do ne m b e d d e dl i n u 】( f i r s t ，i td i s c u s s e st l l ee x i s t i n g e m b e d d e dg u id e s i 印m e o 叮锄dt e c h n o l o g y t l 锄i tp o s e d 觚i 1 1 d e p e n d e n t l yd e v e l o p e d 锄d l i g h t w e i g h tg u is c h e m ew l l i c ho v e r c o m e ss o m ed i a 、t ) a c k sl i k ee x c e s s i v eu s e ri n t e r f a c e s o c c u p ye m b e d d e ds y s t e m 陀s o u r c e ，e t c i tc o m p l e t e st i l ed e s i g no ff 姗eb u 脆rd r i v e r 锄di n p u t d e v i c e “v e r 锄dt i l eb o n o m 伊印h i ce n g i n ei m p l e m e n t a t i o n 锄de n c a p s u l a t i o n i td e s i 鲷sa s e t o fc h i n e s ea n de n g l i s hd i c t i o n a 哕a c c o r d i n gt op r a c t i c a l a p p l i c a t i o n f i n a l l y ，i td o s e 矗m - t h e r d e v e l o p m e n to nt 1 1 eb a s i so fm ea l r e a d yd e s i 印e dg u i ，a to fu s e ri n t e r f a c es y s t e ma p p l i e dt o 咖b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mh 嬲b e e n d e s i g n e d c o r d i n gt ot l l ea c t u 础u 跎o fe m b e d d e d v i d e om o n i t o r i n gs y s t e m t h i ss y s t e mi so f h i 曲e 衢c i e n c y 锄dp o n a b i l i t y 锄di t o c c u p i e sl e s s r e s o 眦c e 锄dh a ss l i n k yi n t e r f a c e k e y w o r d s ：e m b e d d e d ，l i n u x ，v i d e om o n i t o r i n g ，g u l ，f r 锄m eb u f r e r 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1研究背景和意义 视频监控系统已经被广泛应用于商业、国防安全、家庭安全、军事等领域。视频监控 涉及到很多前沿的新兴科学，涉及到国家安全。全世界各个国家都投入了大量人力物力从 事这个领域的研究。随着人们生活水平的不断提高，人们的安全意识越来越强，家庭安防 系统、商店监控系统的需求量逐步增加i l 】。 视频监控系统的发展可以大致分为三个阶段【】。 第一阶段，模拟时代。这个时代主要是模拟闭路电视监控系统。电视机与摄像机对接， 视频信号直接通过同轴电缆传到电视机等监视器上。为了减少一对一连接造成的浪费，出 现了切换控制电路系统，可以通过简单的硬件电路来实现视频的切换和控制。这一阶段的 监控系统依赖同轴电缆，无法达到远距、大容量的视频传输。 第二阶段，数字时代。上世纪9 0 年代中期出现了数字硬盘录像机( d v r ) ，d v r 应用 视频编码技术，对模拟视频数据进行数字化，数字化后的数据存储到硬盘上。同时各个厂 商开始设计集成化的视频处理芯片，构建小型化的嵌入式系统。监控设备和监视器结合在 一起形成一个整体。在嵌入式系统上还设计有视频回放系统，用户可以方便地查找录像数 据，并且进行回放。但是这种系统可扩展性差，缺少远程监控和控制。 第三阶段，网络时代。进入本世纪，网络技术飞速发展。在数字化监控系统的基础上 融入网络传输，使得远程视频监控得以实现。出现了全网络数字视频监控系统，视频数据 可以任意复制、存储、传输。这种系统可以集成门禁、语音、家电管理等系统，具有很大 的开放性。嵌入式设备也逐渐走向智能化，应用范围越来越广，环境限制条件越来越少。 随着各方面技术和理论的不断成熟，视频监控系统必将进入一个飞速发展的新时代。 2 l 世纪的到来意味着信息时代的到来，计算机的应用已经涵盖了大部分领域。近年来， 视频监控系统发展迅猛。推动视频监控发展的主要技术因素如下： 1 计算机视觉的发展【5 】。近年来，计算机技术取得了突飞猛进的的发展，硬件处理速 度越来越快，集成度越来越高。计算机软件技术也不断升级和更新，功能越来越强大。除 此之外，人工智能这门新兴学科的出现，可以通过编程技术使系统智能化。计算机技术和 人工智能的发展催生了计算机视觉的发展。计算机视觉就是通过计算机的各种成像系统来 浙江工业大学硕士学位论文 替代人的视觉功能，由计算机来完成对视觉事物的识别、理解、分析处理过程。尽管这门 学科的理论体系还不够成熟，但是现在已经应用于很多领域。计算机视觉系统的一个重要 应用领域就是视频监控系统，高级的智能视频监控系统中包含了对摄像区域范围内目标的 检测、识别、跟踪、查找等功能。这些过程都是希望通过计算机的处理来替代人类大脑， 以减少人的工作压力，提高效率。 2 图像处理技术的发展【6 j 。图像处理是通过计算机技术对图像进行特殊处理以达到所 需目的的技术。图像处理的内容包括图像压缩、图像分割、图像增强等技术。因为图片序 列组成了视频，所以图像处理是视频处理的基础。在上世纪9 0 年代初，视频监控系统处 于发展阶段，只能利用磁带录像机存储视频。不能够对视频进行处理。图像技术引入了视 频监控系统后，把输入的图像进行数字化，通过前后图片的变化趋势来判断运功目标，并 且可以提取图片中感兴趣的内容，这一行为代替了人的长时间简单劳动，大大降低了人的 工作量。 3 模式识别技术的发展。模式识别根据图像处理的结果对图像进行分类和识别。视频 监控系统中一个重要的内容就是移动侦测和目标跟踪。传统的视频录像只是简单地存储视 频数据，如果监控现场出现状况，系统并不能及时检测到信息并告知用户。模式识别结合 智能系统，通过数学计算和编程技术来实现对多媒体信息的分类处理，以此来代替人的守 护观察1 7 j 。 4 网络技术的发展。网络技术的飞速发展，使得以前很多孤立的设备之间可以进行连 接和通信。视频监控系统的数字硬盘录像机( d v r ) 进一步发展成了网络数字硬盘录像机 ( n v r ) ，视频监控设备不再是一个孤立的个体。用户可以在远程对设备进行操作，可以知 道设备的运行状态、设备系统参数等设备基本信息。视频监控系统的网络化还出现了数字 视频服务器( d v s ) 。数字视频服务器把网络功能进一步扩大，可以传输视频数据，用户可 以从任何一台联网的电脑登陆查看录像，实现远程监控，并且可以根据需要对视频数据进 行处理。随着3 g 网络技术的发展，视频监控系统的网络功能得到了进一步的提升。有了 3 g 的应用，高清视频数据从有线传输上升为无线传输成为可能。视频监控系统中的3 g 无 线传输主要应用于视频发送和视频接收。对于视频发送，典型的应用就是现场采集设备比 如n v r 发送视频数据到基站。这样视频设备不再受地理位置、现场环境、线路资源等限 制。对于视频接收的典型应用就是手持设备接收从基站发送来的视频数据。这样用户可以 在任意时刻利用手机等手持设备进行远程视频监控。3 g 技术融入监控系统，这将是智能视 频监控系统未来发展的一个重要方向【引。 视频监控系统在近几年发展迅速，嵌入式硬件的性能也在飞速提升，涌现了许多专用 2 浙江工业大学硕士学位论文 的视频处理芯片，这些芯片集成度高，处理速度快，方便升级和二次开发。所以，以前只 能在p c 机上实现的功能现在在嵌入式设备中也能轻松实现。嵌入式监控设备一般都具有 体积小，操作方便、成本低等优点p 1 1 】。相应地，在嵌入式设备上实现高效的用户界面也 逐渐成为了研究的重点。经过多年的发展，p c 机上的用户界面技术已经非常成熟，但是在 嵌入式系统中实现用户界面的技术还处于发展阶段。 g u i 就是图形用户界面的缩写，通过图形操作的形式来实现用户与操作系统之间的交 流。在p c 上的g u i 主要有、咖d o 、椭、m o t i f 、g n o m e 、k d e 。随着嵌入式系统的发展， 嵌入式设备的功能越来越强大，于是嵌入式g u i 成为了嵌入式系统不可缺少的部分。近年 来，嵌入式g u i 在很多嵌入式设备上得到了应用，包括p d a 、机顶盒、视频录像机、手 机等【1 2 】。嵌入式g i j i 和普通计算机上的g l 在功能上有很多相似之处。但是嵌入式系统 出于成本和体积的考虑不管是在软件还是硬件方面都力求尽量精简，资源有限，不可能完 全照搬p c 机上的用户界面模式1 1 3 1 5 j 。 对于嵌入式系统的g u i 应用，需要设计出轻量级的g u i 系统。现在嵌入式g u l 系统 的设计主要有两种方法。第一种方法是借助于现有的g u i 开发工具包，比较常用的有： q t e m b e d e d 、m i n i g u i 、m i c r 0 州n d o w s 、o p e n g u i 等，这种方法优点是开发周期短，开发 出来的界面功能齐全，界面美观。但是这种方法也有不足之处，为了实现风格统一，代码 冗余过多，对于某些特殊应用场合占用资源仍然过高。此外，有的g u i 产品是收费的，增 加了嵌入式产品的成本1 1 6 j 。第二种方法是根据现有的硬件资源条件，自行定制轻量级g u l 。 这种方法的优点是可以根据需要定制出风格统一操作简单快速的界面。虽然开发过程比较 长，界面功能相对简单，但是可以实现代码最大程度的简化，占用资源很少。这种方法非 常适合嵌入式视频监控系统的应用。 1 2 本文研究内容和结构安排 本论文的主要研究成果如下： 嵌入式视频监控系统硬件实现平台方案研究 嵌入式l i n u ) 【系统平台搭建 提出了一种基于嵌入式视频监控系统的图像显示方案 研究了嵌入式g u i 的原理和相关技术 设计了一套中英文字库系统 自主开发出嵌入式g u i 。包括驱动层设计，图形抽象层设计，主要组件设计等。 3 浙江工业大学硕士学位论文 实现了轻量级g u i 在嵌入式系统中的应用 实现简洁快速的用户界面是嵌入式视频监控系统中的关键问题之一。本文首先对嵌入 式视频监控系统进行了整体设计，接下来围绕用户界面这个核心问题进行研究与设计。 本文论述了嵌入式视频监控系统的一些常用方案技术。介绍了硬件系统的整体设计方 案，根据现有的硬件平台。接着介绍了嵌入式视频监控系统的软件平台技术，实现了基于 嵌入式l i n u x 系统的软件平台设计和搭建。介绍了应用程序和嵌入式g u i 的整体软件设计。 本文完成了嵌入式g u i 的详细设计。首先对流行的几种嵌入式g u i 设计方案进行分 析和比较。根据现有的软硬件条件，通过几种显示方案的对比测试，最终设计出一种高速 的显示方案。接下来利用f 棚e b u 腩r 技术，实现了嵌入式g u i 系统的驱动层设计。接下 来对嵌入式g u i 的各个部分进行了详细设计。本文设计的g u i 系统，占用资源少，体积 小。完全和应用程序分离，成为一个独立的g u l 系统，核心部分具有平台无关性，可以移 植。界面美观，操作简单。 论文主要内容安排如下： 第一章：讲述了嵌入式视频监控系统和嵌入式g u i 的研究背景和现状。给出了本文的 研究重点及内容安排。 第二章：嵌入式视频监控系统整体设计。硬件平台设计重点讲述了视频采集和压缩模 块，软件平台重点讲述了嵌入式l i n u ) 【内核配置和编译。 第三章：嵌入式g u i 系统整体设计。研究常用的g u i 实现技术，比较方案并进行设 计。 第四章：嵌入式g u i 系统核心设计。重点实现驱动层，图形抽象层，功能模块等g u i 主要部分。 第五章：对全文进行总结，并且对本课题进行展望。 4 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章嵌入式视频监控系统整体设计 本章将重点介绍智能视频监控系统设备的平台建立。首先讲述硬件环境的实现方案、 主要芯片功能介绍以及关键技术。然后讲述软件环境的搭建，包括嵌入式系统的定制、移 植以及调试。一个完整的嵌入式系统的设计应该包括硬件和软件两个方面，本章接下来将 分别从这两个方面进行讲述。 2 1 硬件方案设计 2 1 1常用方案 近年来，嵌入式视频监控系统飞速发展，各大公司和研究机构提出了很多种解决方案。 总体上来说，常见的嵌入式视频监控系统的实现方案主要有两种【1 7 2 0 】： 1 a r m + d s p ：视频数据通过视频采集模块传送给d s p ，d s p 对视频数据进行编解码 处理，并且可以在d s p 内实现视频处理算法，进一步对视频数据进行处理，实现移动侦测 以及目标跟踪等功能。a r m 支持嵌入式操作系统，可以对视频采集、视频控制等操作进 行实时控制，并且可以实现良好的用户界面。d s p 具有一定的专用性，相对于普通处理器 来说计算速度要快很多，d s p 可以灵活地进行图像处理，处理效率高，便于优化升级。但 是从成本、功耗、开发周期等方面考虑，d s p 并不一定是最好的选择。 2 使用专用芯片。这种方案主要是使用系统级芯片( s o c ) 来完成视频编解，视频控 制等主要操作。这种方案为特定应用目的而定制一个专门的集成电路，其内部集成了视频 采集模块、视频压缩模块、视频控制模块、视频显示模块等主要模块。对于比较复杂的视 频处理算法，可以用硬件加速，通过芯片的定制来加快运算速度。s o c 除了包含一个中央 处理器之外还包含了专属模块，比如计时器、u s b 控制器、d m a 控制器等。这种方法可 以大大减少了外部设备和模块，因而降低了功耗、减少了体积、降低了开发难度、提高了 系统速度、节约了成本。不过这种方案一旦定制好了就难以对视频处理算法进行优化和升 级，具有一定的局限性。 2 1 2 本文方案设计 由于嵌入式监控系统主要功能是进行实时的视频处理，一方面要求有很好的视频处理 速度和效果。另一方面要求有较低的功耗和较短的开发周期。出于这些方面的考虑，本文 5 浙江工业大学硕士学位论文 选用第二种开发方案。整个方案的设计框图如图2 1 所示。 图2 1嵌入式视频监控终端整体框架图 本文以t w 2 8 3 5 和g m 8 1 8 0 为主要芯片搭建一个嵌入式视频监控系统开发板。t w 2 8 3 5 采集到视频数据后，把模拟视频转换成数字视频。数字视频通过i t u rb t 6 5 6 硬件接口将 四路视频数据传送给g m 8 1 8 0 。整个系统的硬件框架图如图2 2 所示。 图2 2 嵌入式视频监控系统硬件框架图 6 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 主要模块设计 2 2 1视频采集模块设计 对于视频采集芯片选用了t w 2 8 3 5 芯片，它是由美国t e c h 、e u 特威公司设计的。 t w 2 8 3 5 主要应用于多通道d v r 系统、车载视频监控系统、牙科保健系统等。t w 2 8 3 5 具有四路视频解码。t w 2 8 3 5 适用于n t s c p a l 标准，拥有四路视频模拟反锯齿滤波器、 梳状滤波器、补偿滤波器等滤波器，可以很好地处理视频数据。t w 2 8 3 5 对于色度、饱和 度、对比度、亮度等都可编程。视频采集模块不但支持模拟数据的输入，还支持回放的数 字数据输入，符合i t u rb t 6 5 6 标准。t w 2 8 3 5 具有双视频控制器。支持四通道的直播、 回放、记录三种输出模式。支持用于记录的自适应中值滤波器；对图像缩放或者在显示路 径中的静态图像有很好的图像增强功能；对于显示路径中的水平和垂直方向上的两倍变焦 有很好的表现。可以将视频控制器级联扩展到8 1 6 路通道。t w 2 8 3 5 具有双视频编码器。 有基于基于i t u rb t 6 5 6 标准的双路数字输出；有基于n t s c p ：a l 标准的双路模拟输出。 图2 3t w 2 8 3 5 接口示意图 7 浙江工业大学硕士学位论文 视频采集模块的核心芯片是t w 2 8 3 5 。t w 2 8 3 5 接收到四路摄像头数据输入后，数据 流通有两种路径，一种是经过处理后直接从显示屏显示。另一种是经过模数转换后传送给 视频编码器进行后续处理。t w 2 8 3 5 的主要外围接口图如图2 3 所示。 t w 2 8 3 5 具有视频输入、音频输入、视频滤波、视频a ，d 转换、视频d a 转换等功能。 其主要功能模块图如图2 4 所示。 图2 _ 4t w 2 8 3 5 模块图 1 模拟视频输入。t w 2 8 3 5 有四路的模拟视频输入，每块t w 2 8 3 5 支持四个摄像头。 模拟视频的格式支持n t s c p a l 标准。为了滤除输入模拟信号中带宽以外的分量， t w 2 8 3 5 采用了抗混叠滤波器。模拟信号通过四个l o 位模数转换控制器来数字化。每个 模数转换控制器的开关有寄存器a n 螂w 来控制。t w 2 8 3 5 中还带有同步控制器，颜色 解码器、亮度色度等处理滤波器，保证了图像质量。其模块图如图2 5 所示。 8 浙江工业大学硕士学位论文 黝视竺磊卜厩赢i 抗混叠滤波ii 一一”1 ” 垂直水平方向 裁剪和伸缩 移动侦测 图2 5 模拟视频输入模块图 视频控制部分 2 数字视频输入。为了回放，t w 2 8 3 5 支持8 位的i t u rb t 6 5 6 标准的数字视频输 入。输入的视频在内嵌的i t u rb t6 5 6 解码器中解码，然后进入缩放模块( s c a l e rb l o c k ) 从而实现缩放视频的显示。在解码的过程中支持纠错模式( e 力0 rc o 仃e c t i o nm o d e ) 。解码 后的视频数据也可以传输到i d 解码器通道用于裁剪和选通( c r o p p i n g 觚ds 仃0 b e ) 功能。 t w 2 8 3 5 为回放输入提供通道i d 解码功能。通道i d 有三种：用户通道i d 、检测通道i d 、 自动通道i d 。其中用户通道i d 为用户信息，包括系统信息和日期等。检测通道i d 包括 现场视频移动、视频丢失、盲信息、夜间检测信息等。自动通道l d 包含自定义的图像配 置信息，即通道数、模拟开关、事件等。 图2 _ 6 数字视频输入 9 部分 3 视频控制。t w 2 8 3 5 对于显示和记录路径有双视频控制器。t w 2 8 3 5 外部可以接上 “m 的s d r a m ，这样就可以完成视频控制的操作。t w 2 8 3 5 为显示模式提供8 个通道， 为记录模式提供4 个通道。t w 2 8 3 5 有三个操作模式：现场、选通、开关模式。每个通道 的操作模式都可以独自运行。也就是说如果每个通道有不同的操作模式，这多种操作模式 可以在t w 2 8 3 5 中共同运行，不相互影响。其中的现场模式用来显示实时视频，比如q u a d 或全屏现场视频显示。选通模式通过来自主机的选通信号来显示非实时视频，当主机或者 c p u 发送的选通信号来了之后，视频才能够在显示屏上显示。最后显示的图像将一直保 持在通道中直到新的选通信号到来。开关模式用来显示来自多个通道的时分复用视频，也 9 浙江工业大学硕士学位论文 就是多个通道的视频数据在屏幕上交替显示。视频控制的主要内容有下面几个方面：视频 音频输出通道属性、显示路径控制、回放路径控制、记录路径控制、通道i d 解码、o s d 控制。视频控制的模块图如下。 图2 - 7 视频控制模块图 2 2 2 视频处理模块设计 对于视频处理芯片选用了g m 8 l8 0 芯片。视频压缩模块使用的主要芯片是升迈科技开 发的g m 8 18 0 芯片。g m 8 1 8 0 是一款高度集成了h 2 6 4 l p e g 4 j p e g 解决方案的s o c 芯 片。芯片中含有纯硬件的视频编解码体系，有主频为5 0 0 m h z 的c p u ，这种计算能力足 可以用来进行音频编码以及图像分析。其中的h 2 “视频编码器有着很优秀的实时编码能 力。分辨率为1 2 8 0 7 2 0 的图片编码速度可以达到3 0 印s ，分辨率为1 2 8 0 9 6 0 的图像的编 码速度可以达到2 2 5 邱s 。它还支持多通道的视频压缩和解压缩。g m 8 1 8 0 为用户早期开 发提供了一个很好的起点。很好的视频处理能力和高效的中央处理芯片，有效地减少了整 个系统的成本，节约了系统开销，降低了开发难度。g m 8 1 8 0 被广泛应用于数字可视对讲 机、数字视频服务器、i p t v 、数字视频录像机、网络摄像机、视频会议系统等。 g m 8 1 8 0 芯片内有h 2 6 4 编解码模块、m p e g 4 j p e g 编解码模块、i d e 控制器、d m a 控制器等模块。主要模块图如下所示。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 隈圈腮蛩羽裂苎娶照 l c d p a u s b 防丽 b 剑衄划鬯6 翟6 “。 i 譬舒 输入输曲【：= ： 鬻| 蹴l 旧采集控制器i i 控制器if 仇删不采 c t 6 5 6llip h y il c d c l 0 0l 越 b i 巾霹元汤面 6 5 6 叫l g 朋ll r g b 输出i jp c i 桥0控制菇 ) e | ld e s ，3d m a | jh2 6 4l | h 2 6 40 棚p e g 4 ，j p e g0a 瑚0 a 船一a p b i | f a 6 2 6c p u 控制器l l d e s i 控制器| | 编码i j 解码0 编解码 4 控制器l i 桥 i | ( 3 2 l 【，3 2 k ) 回回回 回回回 i n t c | i g p l o b il g p l o l1 1 2 c | i ：一i 1 2 s ，s p lj | 1 2 s ，a c 9 7 i i u a r t s | | r t c 图2 8g m 引8 0 功能模块图 1 中央处理器。 g m 8 1 8 0 中包含有一个高性能的中央处理器f a 6 2 6 。f a 6 2 6 是一款3 2 位的高速嵌入 式s c 处理器。其中包含了一个c p u 核、独立的3 2 l 出指令以及数据缓存、一个写缓冲、 一个内存管理单元、一个j t a gi c e 接口。c p u 核为哈佛结构，为了减少分支开销，它包 含有一个分支目标缓冲以及一个返回栈来提高整体性能。内存管理单元m m u 实现了一个 增强型的a r m 架构以及一个v 4m m u 来提高地址转换性能。 2 视频编码器。 g m 8 1 8 0 中有一个视频编码器f t m c p 2 l o 。这个编码器可以支持m p e g - 4 a v c t h 2 6 4 视频编码标准。这个编码器压缩的图片为y c b c r4 ：2 ：0 的压缩视频流。 f t m c p 2 1 0 支持如下特征： a m b a 2 o a h b 主副接口 m p e g - 4a v c j v l 2 6 4 ( i s o i e c1 4 4 9 6 1 0 ) 视频编码标准 基线水平3 1 支持分辨率12 8 8 0 2 0 3 2 2 0 3 2 支持i 帧，p 帧编码 固件的c b r 和v b r 控制 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 支持可编程的环路滤波参数 支持可编程的亮度q p 指标参数偏移 编码器模块图如下： 图2 9 编码器模块图 上图描述了f t m c p 2 1 0 连接到一个s o c 系统。未压缩的原始视频数据通过视频采集 设备或者其他通信接口传入系统内存。系统内存包含了一个视频输入缓冲，一个参考帧缓 冲，一个重构视频帧缓冲。视频输入缓冲用来存放带压缩的视频数据，参考帧缓冲用来存 放已经编码好的图片，重构帧缓冲用来存放当前正在编码的图片。f t m c p 2 1 0 以m b 为单 位通过a h b 主接口把未解压的视频数据和参考视频数据从系统内存中传输到内部存储器 中。当帧被压缩好后，通过系统控制器的中断操作来通知c p u 搬运压缩好的帧图片。c p u 还负责管理上述几个相关的帧缓冲器。 2 2 3 视频输出模块设计 t w 2 8 3 5 支持两路数字视频输出和两路模拟视频同时输出，其中数字视频通过内嵌的 视频编码器输出i t u - rb t 6 5 6 格式的视频数据。视频输出整体模块图如图2 1 0 所示。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 数字视频数据 输入 模拟视频数据 输入 i t u rb t 6 5 6 解码器 a d 控 制器 视 频 解 码 器 视 频 控 制 i t u rb t 6 5 6i 输出 i 数字视频数据 编码器广一 视 频 编 码 器 图2 1 0 视频输出模块图 d a 控 制器 模拟视频数据 输出 1 数字视频输出。数字视频输出标准为8 位的i t u rb t 6 5 6 。单路数字视频输出的 同步时钟频率为2 7 m h z ，双路数字视频输出的同步时钟频率为5 4 m h z 。t w 2 8 3 5 作为副芯 片，通过外部定时信号来同步。采集到的信号经过模数转换后从数字视频输出口输送到主 芯片。 2 模拟视频输出。t w 2 8 3 5 支持n t s c 和p a l 两种制式的模拟视频输出。对输入的 视频数据进行增益和补偿的调节后，使其达到n t s c 和p a l 标准。输入的数字视频通过亮 度色度滤波器进行处理，并且以2 7 m h z 的抽样率来进行数模转换。数字数据经过视频控 制部分，经过数模转换后从模拟视频输出到显示器。显示器可以是液晶显示屏，也可以是 电视机等显示设备。 2 3 嵌入式视频监控系统软件设计 在上一节中，讲述了一个完整的嵌入式设备硬件平台的设计。在这一节中将重点论述 嵌入式视频监控系统的软件设计。 2 3 1软件整体设计 本文设计的嵌入式系统软件层次图如图2 - l l 所示。在嵌入式硬件平台上是嵌入式操 作系统，嵌入式操作系统负责管理系统资源，操作系统中还有驱动程序。在操作系统之上 就是用户的应用程序，所有的应用程序的运行都由嵌入式操作系统来调度和管理。 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 图2 1 l 系统软件层次图 1 嵌入式l i n u x 介绍 为了能够很好地对所有的应用程序进行调度，管理好内存，提高资源利用率，我们还 需要一个比较优秀的操作系统【2 1 1 。此外，视频监控系统对实时性的要求比较高，操作系 统规模要尽量精简。所以本文选用了嵌入式“n u x 操作系统。本文的嵌入式系统软件平台 选择了嵌入式l i n u ) 【。嵌入式l i n u x 系统被广泛应用于各种嵌入式设备中，典型的应用包 括嵌入式视频录像机、视频服务器、网络管理器、i p t v 数字电视机顶盒、手持设备等。 l i n u x 系统是开源项目，可以根据具体应用进行裁剪。用户可以定制出体积最小，消耗资 源最少，处理效率最高的嵌入式软件系统。此外，l i n u x 还具有非常优秀的网络功能。l i n u 】【 不但被广大技术人员所热爱，而且也受到很多大公司的热捧。本文的嵌入式l i n u ) 【版本为 2 6 1 4 。 2 驱动程序介绍 本文根据具体任务的需要，设计了很多驱动程序。驱动程序联系着硬件和应用程序， 是两者的桥梁。驱动程序处于内核中，是运行在内核态的，而应用程序是运行在用户态的 【2 2 1 。本文的驱动程序完成基本的视频处理功能，比如视频采集，视频存储等。驱动程序 设计好后装载在l i n u x 之中。 3 应用程序介绍 在l i n 似操作系统之上是应用程序。本文设计的应用程序包括两个进程，一个是功能 处理程序，另外一个是嵌入式g u i 。功能处理程序通过调用下层驱动实现基本功能。同 时，功能应用程序还接收来自嵌入式g u l 程序发送来的用户控制命令，继而执行相应的 操作。嵌入式g u i 的主要功能是给用户提供一个良好的人机交互接口【2 3 2 5 1 。嵌入式g u l 浙江工业大学硕士学位论文 可以很好地想用户反馈系统运行状态，同时也可以很好引导用户对系统进行控制指令输 入。 2 3 2 嵌入式软件平台搭建 嵌入式软件平台的搭建过程主要是根据现有的硬件条件，搭建一个嵌入式操作系统。 下面对本文所做的平台搭建做简单描述。软件平台搭建主要包括以下几个重要方面【凋： 1 b o o t l o a d e r b o o t l o a d e r 的作用是引导操作系统，在硬件启动后，先执行b o o t l o a d e r ，接着初始化 硬件，把系统镜像文件拷贝到s d ra m 中，初始化栈指针以及其他操作。接下来就可以 把控制权交给操作系统了。常用的b 0 0 t l o a d e r 有a r m b o o t 、u b 0 0 t 、r e d b 0 0 t 等。剐n 侣0 0 t 是专门为a r m 处理器设计的。从a r m b o o t 发布网站上下载最新版本后，需要对代码进 行裁剪和配置，使其能够完成系统启动的基本步骤。接下来就可以把删b o o t 移植到开 发板上。 2 内核编译与移植 编译内核首先要先对内核进行配置。内核配置文件c o i l f i g 中。进行配置的主要内容 包括定制处理器和开发板的功能，包括修改u 6 肿时钟、系统时钟等等；定制硬件设备， 包括增减某些特殊的设备；定制内核功能，包括增减内核特性，比如网络功能，图形界面 功能等等。 l j n l k e m e lv 2 6 1 4c o n i 讲l r a c i o n q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q l q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q qi ，1 n i i xk e i n r l ( o n l 】l u la t1 unq q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q 唾k x r r o vk e y 5n a v i g a c et 血et e n u s e l e c t 3 蛐m e “u 5 x xh i g t l l i g h c e dl e c c e r s 叱eh o c | 【e y 5 p r e 5 s i n g ( y i n c l u d e s ， c e s c c oe x i c ， o rh e l p ，c x xc o rs e a r c h l e g e n d ：【t 】b u i l c i n【】e x c l u d e d x x 工q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q c 取x xx( o d ei c 1 工r i t ：yl e v e lo p c i o n 3 一- xx xx f e n e 【a l3 e 七u pxx xx - _ _ _ 置重量星呈里l e 曩e 童口目l 皇墨墨墨l 重i l 固 xx xx j y 3 c e mt y p e xx xxb u 53 u p p o 【cxx xxk e 【n e lf e a 七u r e 5 一- xx xx b o o co p 七i o z 措 xx xxc p uf r e q u 曲c ys c e l l i n 口 一- xx xxf 工o a c i n gp o i n 七e 皿u l a c i o nxx xx u 5 e r 5 p a c eb i n a 【y o r m a 七3 ) xx xx p o v e rm a n 6 9 e m e n co p c i o n 5 xx xx i i 毫c v o r k i n g ) xx xxd e v i c ed r i v e r sxx x q q q q q q c f q q q q c f + q q q q q q q q q q q q q q q q 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