（通信与信息系统专业论文）基于armlinux的视频监控系统设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：视频监控系统是一个集计算机的交互性、多媒体信息的综合性、通信 的分布性和监控的实时性等技术于一体的综合系统。随着网络带宽，计算机处理 能力和存储容量的快速提高，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控进入 了全数字化的网络时代。视频监控系统的核心功能主要包括两大部分，一是视频 图像采集和压缩处理，一是图像数据的传输。系统的主要硬件模块分为监控终端 和监控控制终端两个部分。 本文设计并实现了一种基于a r m 和嵌入式l i n u x 的视频监控系统，该系统主 要实现了视频图像的采集压缩和图像数据流基于r t p 协议的传输。本系统的核心 硬件平台采用韩国s a m s u n g 公司的s 3 c 2 4 1 0 微处理器，a r m 端作为视频监控终 端，p c 机作为监控控制终端。a r m 端主要承载了图像采集、编码和对图像数据 进行r t p 打包并传输的功能，p c 端主要承载的功能是图像数据的接收、显示和对 监控终端的控制、访问。 在视频图像采集和压缩处理部分，利用v i d e of o rl i n u x 提供的接口函数，实 现了利用摄像头采集图像的过程，并设计实现了v 4 l 视频采集及压缩模块，设计 了系统j e p g 图像采集和压缩模块和m p e g - 4 图像采集和压缩模块的具体编程流程 和实现过程，并实现了基于这两种编码方式的视频压缩。用v i s u a lc + + 实现了用户 控制终端，可对应j p e g 和m p e g - 4 两种编码方式进行解码并显示。 在图像数据的传输部分，系统采用了r t p 协议作为视频数据流传输协议，并 实现了视频数据在局域网内的实时性传输。移植了现在比较常用的j r t p l i b 源码 库，为r t p 的实现提供了可调用的库函数，按照m p e g - 4 数据流的r t p 封装格式 和流程，设计实现了r t p 编程。 最后对系统的功能和性能进行了测试。测试结果显示m p e g 4 在保证与j p e g 相当的图像质量时，大大减少了传输的数据量。同时，使用r t p 协议进行传输， 保证了系统的实时性，也保证了图像的传输质量。 关键词：视频监控；j p e g ；m p e g 4 ；a r m ：嵌入式l i n u x ；r t p 分类号：t n 9 1 9 8 1 ；t n 9 1 9 8 5 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi sa na l l a r o u n ds y s t e m ，w h i c hh a s m a n yc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d e st h ei n t e r a c t i o no fc o m p u t e r , t h ec o m p r e h e n s i v eo f m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n ，t h ed i s t r i b u t e dc h a r a c t e ro fc o m m u n i c a t i o na n dt h er e a l - t i m eo f m o n i t o r a st h en e t w o r kb a n d w i d t h ，c o m p u t e rp r o c e s s i n gp o w e ra n ds t o r a g ec a p a c i t yt o r a p i d l yi m p r o v e ，a n dav a r i e t yo fp r a c t i c a lv i d e op r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s ，v i d e o s u r v e i l l a n c ei sg o i n gi n t ot h en e t w o r ko fa l l d ig i t a le r a v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m i n c l u d e st h ec o r ef u n c t i o n so ft w om a j o rp a r t s ，o n ei sv i d e oi m a g ea c q u i s i t i o na n d c o m p r e s s i o n ，a n dt h eo t h e r i si m a g ed a t at r a n s m i s s i o n t h eh a r d w a r em o d u l e so fs y s t e m a r ed i v i d e di n t ot w op a r t s ，c o n t r o lt e r m i n a la n dm o n i t o r i n gt e r m i n a l i nt h i sp a p e r , d e s i g na n di m p l e m e n tav i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e da r ma n d e m b e d d e dl i n u x t h es y s t e mi n c l u d e st w of u n c t i o n s ，v i d e oi m a g ea c q u i s i t i o na n d c o m p r e s s i o na n di m a g ed a t as t r e a mt r a n s m i s s i o nb a s e do nt h er t pp r o t o c 0 1 t h ev i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e mu s e st h e $ 3 c 2 4 10w h i c hi sp r o d u c e db ys a m s u n gc o m p a n yi n k o r e a i nt h i ss y s t e m ，a r m - s i d ei st h et e r m i n a lf o rv i d e os u r v e i l l a n c e ，p c s i d ei st h e c o n t r o lt e r m i n a l a r mm i c r o p r o c e s s o r si m p l e m e n tt h ei m a g ea c q u i s i t i o n ，c o d i n g , a n d i m a g ed a t ao ft h er t pp a c k a g ea n dt r a n s f e rf u n c t i o n s p cc o n t r o lt e r m i n a lh a st h em a i n f u n c t i o no fr e c e p t i n ga n dd i s p l a y i n gt h ei m a g ed a t a , a n dc o n t r o lt e r m i n a l so ft h e m o n i t o r i n g v i d e oi m a g ea c q u i s i t i o na n dc o m p r e s s i o nu s et h ei n t e r f a c ef u n c t i o n sp r o v i d e db y t h ev i d e of o rl i n u x ，t or e a l i z et h ec a m e r ai m a g ea c q u i s i t i o np r o c e s sa n dt h ed e s i g no fa v 4 lv i d e oc a p t u r ea n dc o m p r e s s i o nm o d u l e t h e n ，s p e c i f i cp r o g r a m m i n gp r o c e s so ft h e j e p ga n dm p e g - 4i m a g ea c q u i s i t i o na n dc o m p r e s s i o nm o d u l e sd e s i g ni sg i v e n u s i n g v i s u a lc + + t oa c h i e v et h ee n d u s e rc o n t r o l ，c o r r e s p o n dt oj p e ga n dm p e g 一4e n c o d i n g t od e c o d et h et w oa n dd i s p l a y t oe n h a n c et h es y s t e m sr e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n d r e l i a b i l i t y , t h es y s t e mu s e sr t p p r o t o c o la sv i d e ot r a n s p o r tp r o t o c o l ，a n dr e a l i z e st h ev i d e od a t at r a n s m i s s i o ni nt h e l a n i nt h i ss e c t i o n ，t r a n s p l a n tt h en o wc o m m o n l yu s e dj r t p l i b s o u r c ed a t a b a s e ，f o r t h er e a l i z a t i o no fr t pp r o v i d e sal i b r a r yf u n c t i o nc a l l ，i na c c o r d a n c ew i t ht h em p e g 一4 d a t as t r e a mf o r m a to ft h er t p p a c k a g ea n dp r o c e s sa c h i e v ear t pp r o g r a m m i n g f i n a l l y , s y s t e mf u n c t i o n a l i t ya n dp e r f o r m a n c ew e r et e s t e d t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t w h e nm p e g 一4e n s u r e si m a g eq u a l i t yc o n s i d e r a b l ew i t hj p e qi tc a ng r e a t l yr e d u c et h e a m o u n to fd a t at r a n s m i s s i o n m o r e o v e r , t h eu s eo fr t pp r o t o c o lc a ne n s u r er e a l - t i m e s y s t e m s k e y w o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c e ；j p e g ；m p e g - 4 ；a r m ；e m b e d d e dl i n u x ；r t p c l a s s n o ：t n 9 1 9 8 1 ；t n 9 1 9 8 5 v 目录 图目录 图1 1 编码器和解码器的原理框图。3 图1 2 视频监控系统典型结构8 图2 1 删9 2 卯内核结构1 2 图2 2 $ 3 c 2 4 1 0 内部功能模块框图1 3 图2 3 系统总体设计框图1 4 图2 4 系统功能结构。1 4 图3 1 设备驱动在内核中的挂接、卸载和系统调用过程2 9 图3 2l i n u x 下u s b 系统软件结构。31 图3 3j p e g 编解码流图3 8 图3 4j p e g 编码器3 9 图3 5j p e g 解码器。3 9 图3 6 交换格式：3 9 图3 7 基于d c t 的编码简化框图4 0 图3 8d c 系数差分预测编码4 1 图3 9d c t 系数的z i g z a g 扫描：4 1 图3 1 0 无损编码简化框图4 2 图3 1 1 分量交织和码表选择控制示例。4 2 图3 1 2 非交织与交织编码的次序对照4 3 图3 13a r m 端软件流程图4 4 图3 1 4a r m 端状态窗口4 5 图3 1 5m p e g 4 支持的码率与相应功能集4 7 图3 1 6m p e g - 4 基于内容图像编码方法4 8 图3 1 7 简化的v o p 编码器原理图4 9 图3 1 8v o p 窗口一4 9 图3 1 9v o p 帧结构关系示意图5 1 图3 2 0m p e g 4 编码器基本框图5 2 图3 2 1a r m 端软件流程图5 4 图3 2 2a r m 状态窗口一5 5 图3 2 3a r m 状态窗口5 5 图4 1 客户及其他程序之间使用成对交互形式6 0 图4 2 服务器使用多对一交互形式6 0 图4 3r t p 在协议结构中的位置一6 2 北京交通大学硕士学位论文 4 4r t p 数据的封装6 2 4 5r t p 作为应用层的一部分6 3 4 6r t p 头部结构一6 3 4 7 视频数据处理流程6 7 4 8 基于r t p 的m p e g 4 视频传输模型6 8 4 9 发送数据流程图7 0 4 1 0 接收数据流程7 1 5 1p c 控制终端软件布局7 7 5 2j p e g 解码器一7 9 5 3 基于d c t 的解码框图一7 9 5 4 基于j e p g 的p c 端系统流程图8 0 5 5m p e g 4 视频解码过程8 l 5 6 基于m p e g - 4 的p c 端系统流程图8 2 6 1 监控控制终端8 5 6 2 抓图工具8 5 6 3 访问界面一8 6 6 4i p 地址和端口号设置8 6 6 5j p e g 输出效果图8 7 6 6m p e g 一4 输出效果图8 7 6 7j p e g 数据流量8 9 6 8m p e g 4 数据流量8 9 6 9 视频数据帧的格式9 0 x 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 目录 表目录 表1 1 视频编解码算法分类3 表1 2 硬件平台比较5 表1 3 软件及开发平台的比较6 表2 1a r m 异常地址向量与优先级1 7 表3 1 各种编码处理模式表4 0 表5 1 命令包与数据包的区别7 8 表6 1 网络性能测试数据片段8 8 表1 1 ：数据集页。9 7 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：辣哲壬签字日期：沙。，年舌月f ，e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：宝长哲互 导师签 签字日期：2 0 力年6 月修日签字日期 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师贾怀义研究员的悉心指导下完成的，贾怀义研究 员严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来贾怀义老师对我的关心和指导。 冯锡生教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向冯锡生老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，宋继勐、王秋菊等同学对我论文中的一些研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 q k 。 引言 1引言 1 1研究背景与意义 视频监控系统是一个集计算机的交互性、多媒体信息的综合性、通信的分布 性和监控的实时性等技术于一体的综合系统。利用视频监控系统能将被监控现场 的实时图像和数据等信息准确、清晰、快速地传送到监控中心服务器端，监控中 心通过视频监控系统，能够实时、直接地了解和掌握各个被监控现场的当前情况， 以便直接根据被监控现场发生的情况做出相应的反应和处理。视频监控系统可广 泛应用于工业生产、交通、公安、银行和智能办公大楼等场合，尤其是在一些危 险、人类不可直接观察或不易直接观察的场合。随着计算机技术和多媒体技术的 迅速发展，以及自动控制和流媒体技术的融入，更大的推动了它的普及和应用。 伴随着i n t e r n e t 技术的不断成熟，移动通信的迅猛发展，网络传输以及各种 新兴多媒体业务的出现，如视频会议，可视电话，高清晰度电视、视频点播、视 频检索、数字图书馆、远程医疗以及视频监控等，人们利用图像这种媒介进行交 流的需求越来越广泛，同时也对图像编解码技术提出了新的要求。除了传统的良 好压缩性能与重建质量外，人们还要求实现多分辨率编码、嵌入式编码和高速度 的编解码过程，从而向用户环境提供个性化服务。 与此同时，飞速发展的嵌入式技术( e m b e d d e dt e c h n o l o g y ) 可以实现人们对 客户终端设备提出的新要求，如使客户终端设备轻巧便利、易于控制或具有某些 特定的功能。嵌入式系统就是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁 减，适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗要求的专用的计算机系统。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应 用相结合的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。 我们用三星$ 3 c 2 4 1 0 处理器和嵌入式l i n u x 操作系统来实现监控系统。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器是一种低成本、低功耗、高性能的1 6 3 2 位微处理器，而且拥有丰 富的界面资源。嵌入式l i n u x 操作系统使用非常广泛，它有开放的源代码、高稳定 性和安全性和大量应用软件支持等优势。为视频监控系统的实现提供了较好的软 硬件平台。 北京交通大学硕士学位论文 1 2图像压缩编码标准概述 1 9 9 6 2 0 1 5 年被世界公认为发展数字视频产品的黄金时代。数字化是视频图像 发展的必然趋势。但是，要把一路模拟彩色电视信号数字化，而不加任何数据压 缩措施的时的数码率是2 1 6 m b i t s ，将这样的高速信号直接进行处理和传输，既无 经济效益也无社会效益。如果能将2 1 6 m b i t s 速率压低到1 1 0 甚至1 1 0 0 ，再进行 处理与传输就方便的多。由于视频数据中存在着很多冗余信息，所以有压缩的可 能。例如，在多帧连续的图像中，前一帧图像与后一帧图像有很多重复的内容， 而且每帧图像中的背景基本不变，这称为时间冗余度。在一帧图像中，水平方向 前一像素与后一像素，垂直方向上一像素和下一像素的信号电平、色彩基本相近， 这称为空间冗余度。因此，可以对图像进行压缩处理，降低实际的传输速率。 19 4 8 年，o l i v e r 提出了第一个编码理论脉冲编码调制；同年，s h a n n o n 的 经典论文“通信的数学原理 首次提出并建立了信息率失真函数概念；1 9 5 9 年，s h a n n o n 进一步确立了码率失真理论，以上工作奠定了信息编码理论的基础。 1 9 5 8 年首次报道了预测法研究的计算机模拟实验结果。1 9 6 9 年召开首届国际图像 编码会议。从世界范围来说，由于在2 0 世纪5 0 6 0 年代数字技术、微电子技术、 数字信号处理技术均未得到相应发展，因此图像压缩编码技术尚未有实质性进展。 图像数字化技术真正得到应用是2 0 世纪8 0 年代以后的事。 2 0 世纪9 0 年代以来，为了在全世界范围内推进视频编码压缩技术和多媒体通 信技术的发展和应用，由国际标准化组织i s o 和国际电信联盟组织i t u 制定了一 系列视频压缩国际标准。由i t u 组织制定的标准主要是针对实时视频通信的应用， 如视频会议和可视电话等，它们以h 2 6 x 命名；而由i s o 和i t u 的联合图像专家 组j p e g 所制定的标准有j p e g 和j p e g 2 0 0 0 ，主要针对静止图像的压缩；由i s o 和i e c 的共同委员会中的动态图像专家组m p e g 制定的标准主要针对视频数据的 存储，广播电视和视频流的网络传输等应用，它们以m p e g x 命名。 上述的各类视频编码的方案，按照解码结果对原始视频的保真程度，可以分 为有损编码和无损编码，按照编码端和解码端的计算量是否相同，可以分为对称 编码和非对称编码，按照编解码的速度，可以分为实时编码和非实时编码等【l 】。具 体分类方法及相关应用领域如表1 1 所示。 2 引言 表l - 1 视频编解码算法分类 t a b l e1 1t y p eo f v i d e oc o d i n g - d e c o d i n ga l g o r i t h m 分类 名称特点典型应用领域 无损编码编码码流能完全重构原始视频医学图像、遥感图像 保真性 有损编码编码后的码流有一定信息损失视频通信 对称编码 编码端和解码端的计算复杂度一 对称性致 非对称编码编码端计算复杂度高于解码端v c d 、d v d 制作 实时编码 编解码延时小于4 0 m s ，能够实现 电视电话、视频会议 实时性 2 5 f p s 以上的编码速度 复杂视频的编辑制 非实时编码编码需要较长的时延 作 图1 1 给出了编码器和解码器的原理框图。 编码器 输入图 重构图 解码器 图1 1 编码器和解码器的原理框图 f i g u r e l 1b l o c kd i a g r a mf o re n c o d e ra n dd e c o d e r 1 2 1j p e g 压缩编码标准 j p e g 标准是“连续色调静止图像数字压缩编码”国际标准的简称，它是国际 标准化组织i s o 下属的联合图像专家组j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r tg r o u p ) 于 1 9 8 6 年开始制定，并于1 9 9 1 年前后制定完毕的第一个静止图像压缩编码的国际标 准，其国际标准号为i s o i e c1 0 9 1 8 f 引。 j p e g 用于连续变化的静止图像，所谓连续变化是指灰度等级和颜色两方面的 连续变化。j p e g 包含两种基本压缩方法，各有不同的操作模式【3 】。第一种是有损 压缩，它是以d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 为基础的压缩方法。第二种为无 损压缩，又称预测压缩方法。最常使用的是第一种，即d c t 压缩方法，也称为基 3 北京交通大学硕士学位论文 线顺序编解码( b a s e l i n es e q u e n t i a lc o d e e ) 方法，由于这种方法先进、有效、简单 且易于操作，因此成为应用广泛和最重要的方法。 j p e g 标准数据压缩是在本帧内进行，与前后帧无关。它也可以用于活动图像 中，只不过压缩方法只限于帧内进行，不作运动补偿和帧问差运算。 1 2 2m p e g 4 图像压缩标准 运动图像专家组m p e g ( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) 于1 9 9 9 年2 月正式 公布了m p e g - 4 ( i s o i e c l 4 4 9 6 ) 标准第一版本。同年年底m p e g 一4 第二版也宣 布完成，并于2 0 0 0 年初正式成为国际标准。到2 0 0 1 年l o 月，m p e g 4 已定义了 1 9 个视像类( v i s u a lp r o f i l e ) 。 m p e g 4 标准支持七个新功能，可粗略分为三类：基于内容的交互性、高压 缩率和灵活多样的存取模式。分别介绍如下【4 】： 1 ) 基于内容的交互性包括基于内容的操作与比特流编辑，自然与合成数据 流混合编码和增强的时间域随机存取。 2 ) 高压缩率包括较高的编码效率和可对多个并发数据流进行编码。 3 ) 灵活多样的存取。错误易发环境中的抗错性和基于内容的尺度可变性。 1 3 嵌入式系统概述 1 3 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模系统的设备。嵌 入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入 式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用 程序4 个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式技术是2 1 世纪最具生命力的新技术之一，经过近几年的快速发展，已 经成为电子信息产业中最具增长力的一个分支。嵌入式系统的应用非常广泛， m p 3 、p d a 、手机属于手持的嵌入式产品；d v d 机、机顶盒是嵌入式产品；车载 g p s 系统、探测卫星的机器人也可以称作嵌入式系统产品。 4 引言 1 3 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统同p c 系统相比有以下特点： 1 ) 嵌入式系统功耗低、体积小，专用性强。嵌入式系统与p c 的最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，能够把p c 中许多由板卡 完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化 2 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固定化在存 储芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，系统要精简。操作系统一 般和软件集成在一起。 4 ) 对软件代码质量要求很高，应该尽量大可能避免“死机 的发生。 5 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境。， 、 下表列出了嵌入式系统与p c 在软硬件平台上的区别【5 1 ： 表1 2 硬件平台比较 t a b l e l 2c o m p a r i s o no f h a r d w a r ep l a t f o r m 设备名称嵌入式系统 p c c p u嵌入式处理器( a r m 、m i p s 等)c p u ( p e n t i u m 、a t h l o n 等) 内存s d r a m 芯片s d r a m 或d d r 内存条 存储设备f l a s h 芯片硬盘 输入设备按键、触摸屏鼠标、键盘、麦克等 输出设备l c d显示器 声音设备 音频芯片 声卡 接口m a x 2 3 2 等芯片主板集成 其他设备u s b 芯片、网卡芯片主板集成或外接卡 5 北京交通大学硕士学位论文 表1 3 软件及开发平台的比较 亿l b l e1 3c o m p a r i s o no fs o f t w a r ep l a t f o r m 嵌入式系统 p c 引导代码b o o t l o a d e r 引导，针对不同电路主板的b i o s 引导，无须改动 进行移植 操作系统w i n c e 、v x w o r k s 、l i n u x 等，需w i n d o w s 、l i n u x 等，不需要移植 要移植 驱动程序每个设备驱动都必须针对电路板操作系统含有大多数驱动程序， 进行重新开发或移植，一般不能或从网上下载直接使用 直接下载使用 协议栈需要移植操作系统或第三方供应商提供 开发环境借助服务器进行交叉编译在本机就可开发调试 仿真器需要 不需要 从以上两张表可以看出，嵌入式系统和p c 有很大的不同，但这也正视嵌入 式系统的灵活之处，即软硬件可裁剪，这也是嵌入式系统之所以发展快、应用广 泛的根本原因。 1 4视频监控系统现状与发展 1 4 1 视频监控系统概述 视频监控系统是安全防范体系中的一个重要组成部分。通过对摄像头等设备 的控制，对监控场所进行监控，并将相关的图像、声音等内容传送至监控终端， 使监控终端可以及时的了解被监控场所的状况，并及时做出反应。视频监控系统 可广泛应用于工业生产、交通、公安、银行和智能办公大楼等场合，尤其是在一 些危险、人类不可直接观察或不易直接观察的场合。中国国内视频监控系统的数 字化发展过程大致经历了三个阶段【6 】。 九十年代初以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第一代 视频监控系统。九十年代中后期，随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展， 人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，利用显示器的高分 辨率实现图像的多画面显示，从而大大提高了图像质量，这种基于p c 机的主控台 6 引言 系统称为第二代视频监控系统。九十年代末以后，随着网络带宽，计算机处理能 力和存储容量的快速提高，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控进入了 全数字化的网络时代，称为第三代视频监控系统，即全数字视频监控系统或网络 数字视频监控系统。 第三代视频监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放 为核心，以智能实用的图像分析为特色，引发了视频监控行业的技术革命。 数字视频监控与传统的模拟视频监控相比有很多的优点【7 】： 便于计算机处理。由于对视频图像进行了数字化处理，所以可以充分利用计 算机的快速处理能力，对图像进行压缩、分析、存储和显示。 适合远距离传输。数字信号相比模拟信号抗干扰能力强，不易受传输线路的 信号衰减的影响，且能进行加密传输。 便于查找。传统的模拟监控系统中，当出现问题时需要花费大量的时间对录 像进行回放才能找到现场记录。而对于数字视频监控可以根据时间标签等索引方 式迅速找到所需视频片断。 提高了图像的质量与监控效率。利用计算机可以对不清晰的图像进行去噪、 锐化等处理，通过调整图像大小，借助显示器的高分辨率，可以观看到清晰的高 质量的图像。此外，可以在同一终端上同时观看1 6 甚至3 2 路视频图像。 系统易于管理和维护。数字视频监控系统主要由电子设备组成、集成度高、 视频传输可利用有线或无线信道。这样，整个系统是模块化结构、体积小、易于 安装、使用和维护。 1 4 2 视频监控系统体系结构 一个典型的视频监控系统，包括视频获取设备( 如摄像机) 、监控中心、网络 传输、现场及场外多点控制等方面的内容。典型的视频监控系统结构如图1 2 所示 【8 】 7 北京交通大学硕士学位论文 图1 2 视频监控系统典型结构 f i g u r ei 2t y p i c a ls t r u c t u r eo fs u r v e i l l a n c es y s t e m 现场摄像设备的功能是现场图像的采集。现场的监控主机一般是性能较高的 计算机设备，也是整个视频监控系统的核心设备，内含视频采集、压缩处理、存 储和视频服务等工具软件，它控制现场的摄像设备对现场进行实时地图像采集， 并对获取的图像信息进行压缩和存储，同时通过发送模块向监控中心发送实时图 像和报警信息。 监控中心可由一台或多台主机组成。在监控中心可以向现场主机发送相关的 控制指令任意对各个现场进行监控。它既可以完成对现场视频图像的实时接收、 播放、存储，又可以控制现场摄像设备切换、镜头动作等并处理现场报警信息。 现场设备和监控中心设备互相协调工作，形成有机而完整的现代化视频监控 系统。 1 5 论文的组织结构 本文根据上文所述，将要设计并实现一款采用嵌入式l i n u x 操作系统，以 a r m 9 微处理器为核心的视频监控系统。 本文主要完成的工作是，使用a r m 芯片实现图像的采集和压缩，再对压缩 后的图像数据进行处理后经由局域网传输给用户终端，用户终端接受图像信息后 进行相应的解码恢复，并显示图像。在a r m 端，主要完成了a r m 端软件平台的 搭建，包括b o o t l o a d e r 代码的移植，嵌入式l i n u x 2 6 内核的移植，文件系统的构 建，u s b 摄像头驱动的移植，视频采集和压缩模块的设计及图像信息流的处理等 引言 等；在p c 端，主要开发了访问终端。 本文主要章节安排如下： 第一章是本文的研究背景和意义。 第二章主要介绍了系统软硬件平台的搭建。 第三章介绍了a r m 端软件的设计与实现。 第四章介绍了m p e g - 4 传输数据流的相关处理与实现。 第五章介绍了p c 端软件的设计与实现。 第六章对系统进行了应用测试。 第七章对本文进行了总结并对将来的进一步工作进行了建议和展望。 9 北京交通大学硕士学位论文 2系统平台设计 2 1系统需求分析 本视频监控系统采用的核心芯片是a r m 9 核的f s 2 4 1 0 芯片。我们希望设计一 款灵活、轻便、高性能的新的视频监控设备。一是可在a r m 端实现对视频图像的 采集和压缩，一是实现p c 终端的访问和控制功能。 1 ) 硬件分析 对于视频监控系统来说，主要实现的功能是图像采集、压缩和传输。通过控 制u s b 摄像头来进行图像的采集，在芯片上对采集得到的图片进行压缩处理，压 缩后的数据进行打包后可通过网络传输。这就要求采用的芯片具有较高的处理速 度、接口丰富、功耗低、成本低、对网络的支持较好且有良好的扩展性。 本文选用s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器作为系统核心。$ 3 c 2 4 1 0 微处理 器是现在比较流行的一款a r m 9 2 0 t 核处理器。它具有高处理速度和丰富的外设接 口，自带的m m u 内存处理单元，支持操作系统的移植，完全符合本系统的设计 需求。 2 ) 软件分析 系统主要涉及的软件包括u s b 、图像视频、网络、访问终端等功能模块的驱 动及应用程序的设计。设计过程中应着重考虑事件的实时性处理和多任务间的并 行工作问题。 本系统选用a r n l 1 i n u x 2 6 内核的操作系统，操作系统的选择主要考虑到系统 的成本、市场成熟度、可移植性、可利用资源和系统定制能力等。a r m 1 i n u x 2 6 内 核的操作系统主要具有以下几方面的优势【9 , 1 0 】： 1 ) 嵌入式l i n u x 支持多种体系结构，代码开源、免费，成本低廉。 2 ) 体积小、可裁减、运行速度高、具有多任务并行处理的功能。 3 ) 支持多文件系统，支持丰富的软件和驱动程序，方便系统开发，加快开发 进度。 4 ) 有强大的网络功能支持，支持t c p i p 、u d p 等多种网络协议，以及丰富 的网络调用接口，方便系统网络控制功能的实现。 5 ) l i n u x 还具备一整套工具链，使用户容易自行建立嵌入式系统的开发环境、 交叉运行环境，可以省去使用仿真工具带来的不便，直接使用内核调试器来做操 作系统的内核调试和查错。 6 ) l i n u x 2 6 内核在可抢占内核、调度算法、移植步骤上做了相当大的改进， 1 0 系统平台设计 提高了事件响应实时性，充分满足本系统的各项要求。 就本课题，主要涉及对图像数据处理、网络通信、u s b 设备控制等内容 2 2嵌入式l i n u x 系统开发步骤 本文涉及的基于a r m 处理器芯片和l i n u x 操作系统一类电子产品的开发可以 基本概括为以下步骤【1 1 1 3 1 ： 1 ) 根据需要设计硬件电路。 2 ) 建立嵌入式l i n u x 开发环境。 3 ) 制作修改为符合该硬件结构的b o o t l o a d e r 引导代码并下载到f l a s h 中，为 调用操作系统创建软硬件条件。 4 ) 下载l i n u x 内核，根文件系统，创建设备结点。 5 ) 根据需要加载设备驱动。 6 ) 设计应用程序。 下面根据此步骤和系统的需要一次介绍开发的各个环节。 2 3 系统硬件平台 2 3 1芯片选择 本文采用三星公司的a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 。s 3 c 2 4 1 0 是韩国三星公司的一 款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位为r i s c 嵌入式微处理器，主要面向手持设备以 及高性价比，低功耗的应用。 a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i ，存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组 成。其中m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高 速c a c h e 组成。 $ 3 c 2 4 1 0 的片上资源主要包括l c d 控制器、s d r a m 控制器、u a r t 、d a m 通道与控制器、具有p w m 功能的计时器、内部时钟、1 0 位a d c 、触摸屏接口、 i i s 总线接口、u s b 接口、s p i 接口、s d 接口和m m c 卡接口等。 $ 3 c 2 4 1 0 集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的 芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到2 0 3 m h z 。 这个工作频率能够使处理器轻松运行w i n d o w sc e 、l i n u x 等操作系统。 北京交通大学硕+ 学位论文 $ 3 c 2 4 1 0 对于片内的各个部件采用了独立的电源供给方式，内核采用1 8 v 供 电，存储单元采用3 3 v 独立供电，对于一般s d r a m 可以采用3 3 v ，对于移动 s d r a m 可以采用v d d 等于1 8 2 5 v ，v d d q 等于3 o 3 3 v ，i o 采用独立3 3 v 供 电。 图2 1 所示为a r m 9 2 0 t 的内核结构。 图2 1a r m 9 2 0 t 内核结构 f i g u r e 2 1s t r u c t u r eo f a r m 9 2 0 tc o r e 图2 2 为$ 3 c 2 4 1 0 的内部功能模块框图【14 1 。 1 2 系统平台设计 i l c d d m a m r 、r 。1 蚓舳b u i 幻s c o n