（通信与信息系统专业论文）网络视频监控系统关键技术研究及软件开发.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 随着宽带i p 网络的大量应用、计算机处理能力的迅速提高以及视频信号压缩算法的突破性进展， 网络视频传输在科研和应用领域均引起人们极大的兴趣。与传统的模拟闭路视频系统相比，网络视频 系统具有组网容易、传输距离远、抗干扰能力强、图像质量好、查询简单方便等特点。这些特点使得 网络视频传输成为第三代全数字监控系统( d s s ) 的关键技术。 本学位论文提出了一种嵌入式数字网络视频监控设计方案，该方案采用嵌入式系统来控制视频前 端( 包括模数转换和视频压缩) ，通过网络多媒体流协议传输，采用一般计算机作为监控客户机。涉 及的主要技术有嵌入式软件和硬件技术、视频编解码技术、流媒体网络传输技术、计算机多媒体软件 技术等。 论文第一章概述视频监控的发展，并初步提出本论文的设计方案。第二章到第五章细致地阐述了 方案所涉及到的关键技术及其在方案中的应用。其中，第二章和第三章详细介绍了嵌入式视频服务器 及视频前端的软件和硬件设计，本方案将嵌入式服务器和视频前端作为一个整体集成设计在一块电路 板上；第四章首先介绍了流媒体传输技术，然后说明了r t p r t c p 协议作为本方案网络传输协议的具 体应用；第五章介绍了采用微软的d i r e c t s h o w 技术编写网络视频流接收组件的情况，该组件基于c o m 技术，被称为过滤器( f i l t e r ) ，过滤器技术是微软提出的一种面向对象的多媒体构件；第六章在以上 关键技术的基础上，进一步说明了本方案的软件总体设计。 最后总结了作者的贡献和成果，并对数字视频监控可能的趋势和本文存在的问题做了探讨。 【关键词】远程监控、m p e g 4 、嵌入式系统、流媒体、设备驱动、d i r e c t s h o w 东南大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i d e b a n di pn e t w o l ka n dc o m p u t e rt e c h n o l o g ya sw e l la sv i d e os i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，n e t w o r kv i d e os y s t e mh a sc r e a t e di n t e r e s ti ns c i e n c er e s e a r c ha n di n d u s t r ya r e a s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a la n a l o gc l o s e d - c i r c u i tt e l e v i s i o ns y s t e m ，n e t w o r kv i d e os y s t e mh a ss e v e r a l a d v a n t a g e s i ti se a s yt oa r r a n g es u r v e i l l a n c es y s t e ma sn e t w o r ka n di th a sl o n gd i s t a n c ec o v e r a g e m o r e o v e r ， i th a ss t r o n ga n t i n o i s ea b i l i t y ，h a sg o o dp i c t u r eq u a l i t ya n di se a s yt oq u e r y i th a sb e e ni nf a c tt h ek e y t e c h n o l o g yo f t h em 矾g e n e r a t i o ns u r v e i l l a n c es y s t e mb e c a u s eo f t h e s ea d v a n t a g e s i nt h i st h e s i s ，t h es o l u t i o no fd i g i t a ln e t w o r ks u r v e i l l a n c e s y s t e mb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi s p r e s e n t e d t h ee m b e d d e ds y s t e mt oc o n t r o lv i d e of r o n t - e n d ，w h i c hi n c l u d e sa dc o n v e n i n ga n dd i g i t a l v i d e oc o m p r e s s i n gd e v i c e s ，i su s e di nt h es c h e m e t h en e t w o r km u l t i m e d i as t r e a mp r o t o c o li su s e dt o t r a n s m i td a t aa n dt h ep ci su s e da st h es u r v e i l l a n c ec l i e n t t e c h n o l o g i e ss u c ha se m b e d d e ds o f t w a r ea n d h a r d w a r et e c h n o l o g y , v i d e oc o d ea n dd e c o d et e c h n o l o g y , s t r e a mm e d i at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e r m u l t i m e d i as o f t w a r et e c h n o l o g yh a v eb e e nu s e di nt h es y s t e m t h eo v e r a i ld e s c r i p t i o no fv i d e os u r v e i l l a n c ei sp r e s e n t e dt h ef i r s tc h a p t e r a n dt h e n ，t h es c h e m eo f d e s i g ni sd e s c d b e db r i e f l y c h a p t e rt w ot of i v ec o v e rt h em a i nt e c h n o l o g i e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n si nt h e d e s i g n t h ed e s i g no fe m b e d d e dv i d e os e r v e ra n dv i d e of r o n t e n da r es p e c i f i e di nt h ec h a p t e rt w oa n dt h r e e ， t h e ya r ei n t e g r a t e di nac i r c u i tb o a r d i nc h a p t e rf o u r , s t r e a mm e d i at e c h n o l o g i e s e s p e c i a l l yr t p ，r t c p p r o t o c o la n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ed e s i g na r ei n t r o d u c e d t h ep r o g r a m m i n go f n e t w o r kv i d e os t r e a mr e c e i v e r u s i n gd i r e c t s h o wt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e di nc h a p t e rf i v e t h i sr e c e i v e ri sp r o g r a m m e da saf i l t e r , w h i c hi s b a s e do nc o mt e c h n o l o g y f i l t e rt e c h n o l o g yi sak i n do fo b j e c t - - o r i e n t e dm u l t i - - m e d i ac o m p o n e n tp r e s e n t e d b ym i c r o s o f t t h ed e s i g ni se x p l a i n e di nm o r ed e t a i l si nc h a p t e rs i x a tt h ee n d o ft h et h e s i s t h ea u t h o r sm a i nc o n t r i b u t i o n sa r ec o n c l u d e d t h et r e n do fd i g i t a lv i d e o s u r v e i l l a n c ea n dt h ep r o b l e m se x i s t i n ga r ea l s op o i n t e d k e y w o r d s r e m o t es u r v e i l l a n c e ，m p e g 4 ，e m b e d d e ds y s t e m ，s t r e a mm e d i a ，d e v i c ed r i v e r , d i r e c t s h o w 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名： 耋盥厦：日期：型 车! 生j 4 坷 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 基违跫：导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，视频监控的作用越来越重要，成为银行、商场、车 库、交通管理，直至小区安防等各领域不可或缺的基础设施【1 j 。 以下列举了一些应用领域。 ( 1 ) 制造企业的生产现场，随着中国制造业的发展，这个领域将成为热点： ( 2 ) 只能楼宇中的综合监控管理系统，包括楼宇设备管理、保安管理、车辆监控等； ( 3 ) 无人职守的终端； ( 4 ) 银行、水利、有点、交通等大型公共设施； ( 5 ) 大型仓库、军事基地等场所； ( 6 ) 未来的家庭用户。 在计算机广泛应用以及数字视频等理论尚未成熟之前，传统的监控系统也就是模拟监控系统占据 了监控领域的主要低位。传统的图像监控通常是用摄像机将拍摄到的图像录下来以备查。而录制下来 的图像，一是解析度不够，二是查询麻烦，再者录像资料的保存也是个问题。尽管存在种种不足，由 于过去技术的限制，这种模式的监控系统现在仍然有大量运用。最初的模拟控制系统是一对一的系统， 即一个摄像机对一个监视器的直接视频电缆连接。后来，发展到计算机显示图像、单片机控制、人机 界面友好的综合监控系统，也就是我们一般所说的模拟视频监控系统，该系统虽然由计算机控制和显 示，但是实际上仍然是以模拟信号传输和存储，所以仍然是模拟视频监控系统。 随着计算机技术和图像处理技术的发展，传统的监控手段越来越不能满足人们对于信息化社会和 追求安全舒适的工作、生活方式的要求。数字视频监控系统应运而生，与传统的模拟监控相比，它有 以下诸多优势： ( 1 ) 记录时间长，录像带记录时间有限，更换频繁； ( 2 ) 计算机图像不受存储介质的影响，而录像带的质量则随使用时间的增加而下降： ( 3 ) 拥有远程控制能力，可以通过宽带口网络进行传输； ( 4 ) 方便录像随机检索； ( 5 ) 保存时间长： ( 6 ) 方便自动报警，这得益于数字图像识别技术的发展： ( 7 ) 方便系统更新： ( 8 ) 可编辑、方便拷贝、可重复滚动记录等。 数字视频系统的发展得益于数字图像压缩和识别技术、计算机技术、计算机网络技术、数字芯片 技术等各项技术的成熟，是各种信息技术发展的综合结果。 从以上分析可以看出，数字视频监控优势明显，市场需求和技术发展两方面的要素，引出了本课 题。 事实上，数字视频技术是个相对通用的技术，它所使用的技术是成熟的，并具有通用性。除了在 监控领域，在其它领域一样有广泛的应用，配合以声音，可以在网上直播、网络教学等很多领域发挥 作用。 东南大学硕上学位论文 1 2 数字视频监控系统的发展 1 2 1 软件和硬件的发展 数字视频监控技术的发展得意于软硬件两方面的技术发展，两者缺一不可。 对于促进数字视频技术，在软件方面至少有三个方面比较重要。第一，操作系统的发展，目前使 用广泛的w i n d o w s 系列操作系统，功能和稳定性越来越好，对多媒体和网络通信的支持也是越来越 来完善；第二，开发平台的发展，目前能够进行多媒体数字视频开发的平台有很多，例如微软系列、 b o r l a n d 公司系列等。平台的功能越来越强大，促进了视频监控技术的发展；第三，数字视频压缩算 法的发展，目前数字视频压缩编码发展很快，如m p e g 系列的m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 4 、m p e g 7 等，压缩编码正在向智能化、对象化方向发展。具体来说，从离散余弦变换发展到现在住在广泛研究 的小波变换压缩算法等。 硬件的发展对数字视频监控系统的影响至关重要，其中影响最大的技术有如下几种： ( 1 ) 计算机芯片处理速度的发展。这是显然的，正是由于计算机技术的飞速发展，推动了包括 数字视频技术在内的很多相关技术的发展。目前，两家主要计算机芯片厂商( i n t e l 和a m d ) 都推 出了超过2 g 赫兹的芯片； ( 2 ) 硬盘和内存等存储器的快速发展。目前硬盘的容量已经可以做的很大，这是数字视频监控 的一个要害因素，模拟信号转换到数字信号，它的存储量很大，虽然目前我们有各种压缩方法，但是 容量仍然客观。有了大的硬盘，就可以存贮更长时间或者更好图像效果的录像。而内存容量的不断扩 大以及价格的下降，使得普通的监控机器在不用投入更多就能得到较大的内存量，这为在一台计算机 上实现多路监控提供了更好的条件； ( 3 ) 视频压缩芯片和视频压缩卡的发展。视频压缩技术扩充了监控的能力，使用硬件编解码， 可以极大的提高监控的实时处理能力； ( 4 ) 网络硬件设备的发展。目前网络的发展日新月异，要组成一个高速局域网，投资并不需要 很大。而且，广域网的传输速度也在不断的提高。这都为远程监控准备了很好的硬件基础。现在通过 局域网、i s d n 、p s t n 、i n t e r _ n e t ，很容易的将数据传递到世界的每个角落。 1 2 2 数字视频监控的现状 9 0 年代末，随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展，数字视频监控系统迅 速崛起。现今市场上有两种数字视频监控系统类型，一种是以数字录像设各为核心的视频监控系统， 另一种是以嵌入式视频w e b 服务器为核心的视频监控系统i 。 1 2 2 1 数字监控录像系统 数字视频压缩编码技术日益成熟，计算机的普及化，为基于p c 机的多媒体监控创造了条件。这 种新型视频监控系统的迅速崛起，部分地取代了以视频矩阵图像分割器、录像机为核心，辅以其它传 送器的模拟视频监控模式，其优越性主要表现在： ( 1 ) 基于p c 的多媒体监控主机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等的众多功能，使系统结 构大为简化； ( 2 ) 采用计算机网络技术，数字多媒体远程网络使得监控不受距离限制； ( 3 ) 采用大容量磁盘阵列存储器或光盘存储器，可以节省大量的磁带介质，同时有利于系统实 现多媒体信息查询。 2 第一章绪论 这是一种计算机多媒体方式的数字监控录像系统，图1 1 直观的说明了该类型监控系的结构。随 着基于p c 机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用过程中，也暴露出一些不足，主要是系统 工作的不稳定性。 基于p c 的视频监控录像系统的组成结构为：兼容工控p c 机+ 视频采集卡+ 普通较可靠的操作平 台+ 应用软件。下面分析系统的组成结构。 图1 1 基于多媒体p c 的数字监控系统结构 1 p c 机 兼容p c 机用于2 4 小时不问断工作时，其性能是不很稳定的，工控p c 机相对兼容p c 机的稳定 性有一个档次上的提高，适用于较复杂的工作环境。 2 操作系统 基于p c 机的视频监控录像系统其软件的实现是在w i n d o w s9 5 9 8 n t 、u n i x 、l i n u x 等通用操作 系统上，同时系统文件、应用软件和图像文件都存储在硬盘上，视频处理必须高密度输入大量数据， 同时硬盘要进行多工工作，普通的硬盘逻辑( 如w i n d o w s 的f a t 3 2 ) 已无法适应，以致极易产生系 统的不稳定性，造成死机现象。 3 应用软件 采用简易应用软件的系统是不能够用于安防领域的，视频监控系统的应片j 软件能力上应支持多任 务并发处理如监视、录像、回放、备份、报警、控制、远程连接等的多处理能力。 4 视频采集卡 视频监控录像系统通常均为多路输入系统，视频采集卡可采用多卡方式，也可采用单卡方式。一 般说，单卡方式集成度高，稳定性会优于多卡方式，很多采用一路一卡的方式很容易形成硬件冲突， 其稳定性会有较大的影响。 1 2 2 2 嵌入式视频w e b 服务器方式 视频服务器内置一个嵌入式w e b 服务器，采用嵌入式实时多任务操作系统。摄像机送来的视频 信号数字化后由高效压缩j 吝片压缩，通过内部总线送到内置的w e b 服务器，网络上用户可以直接用 东南大学硕士学位论文 浏览器观看w e b 服务器上的摄像机| 墨】像，授权用户还可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统 配置进行操作。 由于把视频压缩和w e b 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 看，省掉多种复杂的电缆，安装方便( 仅需设置一个i p 地址) ，用户也无需安装任何硬件设备，仅用 浏览器即可观看。 嵌入式视频w e b 服务器监控系统有一些好处： ( 1 ) 相对于模拟信号来说，嵌入式视频w e b 服务器监控系统的w e b 服务器直接连入网络，没有 线缆长度和信号衰减的限制； ( 2 ) 它的所有设备都以i p 地址进行标识，增加设备只是意味着i p 地址的扩充，w e b 服务器输 出已完成模拟到数字的转换并压缩，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，组成监控网络； ( 3 ) 嵌入式w e b 服务器实际上基于嵌入式计算机，采用嵌入式实时多任务操作系统，又由于 视频压缩和w e b 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、稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。 当然也有些限制： ( 1 ) 单机监控台计算机的多路监控性能受计算机的处理能力的影响比较大： ( 2 ) 当然当监控中心需要同时观看较多摄像机图像时，对网络带宽就会有一定的要求，随着网 络带宽的增加，这方面的影响在减小。 下面将看到，本文提出的方案实际上属于该类型的数字监控系统的设计。 1 3 本论文所提方案以及主要任务 1 3 1 方案概述 本方案与1 2 3 2 小节的方案相似，是一个基于嵌入式服务器的数字视频监控方案，在监控现场 附近由摄像头或者云台、嵌入式服务器构成：通过通常的i p 网络传输，采用r t p r t c p 流媒体传输 协议：在监控端由p c 机和运行其上的监控客户端软件构成。其应用场景如图1 2 所示。 摄像头 监控计算机服务器服务器 图1 2 嵌入式数字监控系统的应用场景简图 4 j 1 1 、 0 * i 二 j 新 第一章绪论 从图甲可以看出，这个方案基本是基于局域网络的，在保证带宽的情况下，可以看作是基于整个 i n t e r n e t 的监控系统。 1 3 2 本论文的主要任务 作为一个完整的系统，方案设计到很多技术，关键技术包括：编解码技术、流媒体传输技术、嵌 入式系统设计、多媒体软件技术。此外还涉及到其它一些相关技术，比如驱动程序编写、网络编程、 总线技术等。 本论文的主要任务是分析各个关键技术，确定关键技术实现方案，详细描述实现细节。具体来说， 在服务器端，需要确定嵌入式系统和视频前端的硬件和软件设计与实现；确定网络传输的具体方案并 说明其实现；客户端研究多媒体流的接收方案，即后面所讲的d i r e c t s h o w 技术。论文重点在于软件 设计和实现，出于完整性的考虑，也较详细的阐述了硬件方案及其实现。 设计和编写了监控客户端软件。该软件在上述关键技术为核心的基础上，需要加入相关辅助功能 设计，比如采用s m t p 作为报警数据传输方案，采用h t t p 作为远端控制命令的传输方案等。 东南大学硕士学位论文 2 1 视频信号 2 1 1 帧的概念 第二章数字视频压缩 1 帧和帧速率 当把运动图像和运动图形显示到计算机屏幕上时，它们可以占据整个屏幕空间，也可以占据屏幕 的一部分。连续序列中的每一幅画面称为帧，帧之间的延迟是恒定的。每秒种显示的帧数称为帧速率， 其单位用，s 表示。 2 帧相关性 运动图像和运动图形具有一定的特征，相邻两帧并不是完全独立的，而是相关的，一般来说，每 一帧都是前一帧的变化，这样两个相邻帧中的很多部分是相同的。因此，在压缩时可以利用这种帧的 相关性。 2 1 2 数字视频格式 数字视频格式依赖于视频媒体的输入输出设备。目前，视频数字化设备的数字图像( 帧) 的分辨率、 量化位数及帧速率等都不尽相同，如i r j s 的视频板v i n o 对n t s c 信号进行量化的空间分辨率为6 4 0 ； 文件操作 东南大学硕士学位论文 文件操作集合如下： s t a t i cs t r u c tf i l e _ o p e r a t i o n sr a p 4 一f o p s2 n u l l ， m p 4 _ r e a d ， n u l l 。 n u l l ， n u l l ， m p 4 _ i o c t l ， n u l l ， m p 4 _ o p e n ， m p 4 _ r e l e a s e ， ) ； m p 4r e a d 是文件操作集合的读操作，就是读取内核缓冲区中的数据到用户。 注意在m p 4d e vt 结构中有一个域m o d e 。我们知道，u c l i n u x 是无内核保护的操作系统，也就 是说，我们访问的地址都是内存的实际地址，这就告诉我们只要设计得当，可以不必将内核缓冲区的 数据c o p y 到用户区内存，而直接在内核缓冲区上进行操作，这可以节省c p u 资源。于是我们将读操 作分成两种类型，一种是有c o p y 类型0 ，另一种是无c o p y 类型l ，以m o d e 来标记。 事实上，两种m o d e 读操作没有本质区别，只是在m o d e0 种，我们在用户区分配了一块内存，将 数据从内核读到该内存；而m o d e1 不拷贝，传入n i p 4 _ r e a d 的内存指针是个哑指针，而通过i o c f l 返 回一个当前读取给用户的数据指针，该指针实际是指向内核数据的。 m p 4 _ o p e n 打开设备操作，这里实际只做两个操作：一、分配内核缓冲区；二、创建并初始化 一个m p 4d e vi 结构。 m p 4r e l e a s e 关闭设各操作，释放内核缓冲区等资源。 3 i o c t l 操作 一i o c t l r u n m p 4 运行m p e g 4 编码，参数n u l l - i o c t l s t o pm p 4 停止m p e g 4 编码，参数n u l l - i o c t l _ c o n f i g _ m p 4 配置m p e g 4 参数，参数m p 4c o n f i gp ，指向一个h m e 6 4 0 0 配置表 一i o c t l d o w n l o a d m p 4 下载m p e g 4 固件，参数d o w n l o a dt + ，d o w n l o a dt 含三个域：固件数据指针、固件版 本和固件数据长度 - i o c t l _ s e t m o d e 设置读取模式，分为两种：0c o p y 模式：l n o c o p y 模式，参数类型i n t s - i o c 心g e t d a t a i n f o 读取当前数据信息( 是否为本帧的第一块数据，祯类型) ，对于帧的第一块数据， 实际视频数据长度= m p 4r e a d 返回数- 8 ( 字节) 即在该情况下，读取到的块的前8 个字节为帧参数。参数类型p a c ki n f o * ，p a c kt n f o 有两个域 i s h e a d e r ( 是否为帧的第一块数据) 和i p b ( 帧类型i 、p 或者b ) 。 - i o c t l g e t p o i n t e r 得到当前读指针，实际长度由r e a d 返回。参数u c t i a r * 4 ，即用于返回m o d e1 状态下的当前用户 2 4 第三章嵌入式系统和视频前端的设计 读取的数据指针 一i o c t lr e l e a s e p o r n t e r 释放当前读指针，与i o c t l _ g e t p o i n t e r 配合使用，将指针移到下一个要读取的数据开头，参 数n u l l ，m o d e1 使用。 i o c t l s e t m a x r e a d 设置最大可读取值，对于模式o ，用户缓冲区必须大于等于最大可读植，取值为5 1 2 的整数倍，参 数类型i n t * - i o c t lp r i n t b u f f e r 打印缓冲区信息，参数n u l l 3 6 3 驱动的使用 为了更清楚的说明驱动的功能，我们给出两种m o d e 的驱动读操作使用范例，为了简便，一些数 据类型申明被省略。 ( 1 ) m o d e0 下的使用范例 w h i l e ( i ) i f ( ( n u m = r e a d ( f d ，b u f f e r ，5 1 2 ) ) = = - 1 ) c o n t i n u e ； ) i o c t l ( f d ，i o c t l _ g e t d a t a i n f o ，& i n f o ) i f i m f o i s h e a d e r ) i f ( i a f o i p b = = 0 ) ) e l s e ( ) ) ( 2 ) m o d e1 下的使用范例 w h i l e ( 1 ) i f ( ( r e a d ( f d ，d u m m y b u f f e r _ p o i n t e r , 5 1 2 ) ) 一一1 ) c o d i i l l u e ； i o c t l ( f d ，i o c t l _ g e t d a t a i n f o ，& i n f o ) i o e t l ( f d ，1 0 c t l _ g e t p o i n t e r ，& b u f f e r ) i f ( i n f o i s h e a d e r ) f ( i n f o i p b - = 0 ) 如果是1 帧 东南大学硕士学位论文 e l s e ) i o c t l ( f d ，i o c t l _ r e l e a s e p o i n t e r ，n u l l ) 3 6 4 驱动的添加 这里介绍一下l i n u x 如何将字符型驱动加入到内核当中去 ( 1 ) 将m p 4 c 复制到u c l i n u x l i n u x d r i v e r s c h ”目录下，在该目录下m a k e f i l e 中增加如下代码 i f e q ( $ ( c o n f i g m p 4 ) ，” l o b j s + = m p 4 o e n d i f ( 2 ) 在u c l i n u x r o m d i s k r o m d i s k d e v 目录下创建设备： t e s tc6 80 其中m p 4 是设备名，c 代表字符设备，6 8 是主设各号( m a j o r ) ，0 是次设备号( m i n o r ) 。 做法为： $ t o u c h m p 4 c6 80 ( 3 ) 在u c l i n u x l i n u x d r i v e r s c h a r 目录下m e m ，c 中，i n t c h r d e v i n i t ( ) 函数中增加如下代码： # i f d e f c o n f i g _ m p 4 m p 4 _ i n i t o ； # e n d i f ( 4 ) 在u c l i n u x l i n u x a r c h m 6 8 k n o m m u 目录下c o n f i g i n 中字符设备段里增加如下代码： b o o l s u p p o r tf o rm p e g 4 c o n f i gm p 4 o 3 6 5i m e 6 4 0 0 主机接口访问 要访问1 m e 6 4 0 0 ，包括下载和配置围件、访问内部存储空间、读取f i f o ，实际上都必须通过访 问主机接口寄存器来进行【i ”。对1 m e 6 4 0 0 的存取操作从功能角度讲可阱分为一下几个部分： ( 1 ) 读写i m e 6 4 0 0 s r a m 这部分是用来配置固件的 ( 2 ) 下载固件它是在( 1 ) 的读写i m e 6 4 0 0 s r a m 操作的基础上进行的 ( 3 ) 读取f i f o 分为同步和异步两种模式，我们这里采用的是异步读 先看一下主机接口寄存器，然后举两个例子说明怎么样操作，一个是读取s r a m ，一个是读取 f i f o 除读取f i f o 外，其它操作和读取s r a m 是差不多的。 r e g i s t e r b i tr wa d d r e s s d e s c r i p t i o n n a m ew i d t h ( l ：均 c o m m a n d8 bw 0 x 0 内部s r a m 读写控制 d a t a1 6 b刚w0 x 2 ：0 x 3 内部s r a m 读写数据寄存器 u s e r o1 6 br0 x 4 ：0 x 5 通用寄存器，作用依赖于i m e 6 4 0 0 固件 2 6 第三章嵌入式系统和视频前端的设计 u s e r l 1 6 b r0 x 6 ；0 x 7 u s e r 2 1 6 b r 0 x 8 ：0 x 9 u s e r 3 1 6 b r 0 x a ：0 x b u s e r 41 6 bw0 x c ：0 x d u s e r 51 6 bw0 x e ：0 x f e n c o d e d s t r e a m 1 6 b s b ro x l o 用于传输i m e 6 4 0 0f 1 f o 中的数据 b a s e a d d r e s s 0 1 6 bw 0 x 1 2 ：0 x 1 3 s r a m 地址寄存器 b a s e a d d r e s s l1 6 bwo x l 4 ：o x l 5 s t a t u s8 br0 x l e 内部s r a m 读取时的状态 0 x 1 6 ：0 x l d 保留 表3 - 1i m e 6 4 0 0 主机接口寄存器 读取s r a m 的操作步骤： ( 1 ) 向内部s r a m 地址寄存器b a s e a d d r e s s 0 ( 0 x 1 4 ) 乖t b a s e a d d r e s s lf o x l 2 ) 中写入一个3 2 位地址 ( 2 ) 向c o m m a n d ( 0 x 0 0 ) 写入命令0 ，它启动读取相应地址的数据： ( 3 ) 检查s t a t u s ( 0 x l e ) 以确认数据已经读取完成； ( 4 ) 读取d a t a ( o x 0 2 ) 。 读取f i f o 的操作步骤： ( 1 ) 首先向u s e r 4 中写0 启动i m e 6 4 0 0 工作，接下来就可以读取f i f o 了。 ( 2 ) 等待o p l 0 0 引脚电平变化； ( 3 ) 从e n c o d e d s t r e a m 传输f i f o s i z e 大小的数据； ( 4 ) 给u s e r 4 写入一个不同于上次的值； ( 5 ) 从( 1 ) 循环，知道用户中止。 3 6 6m c f 5 3 0 7 的1 2 c 操作软件模块 如同许多其它总线一样，1 2 c 总线有一套协议规范标准化。m c f 5 3 0 7 已经将 2 c 集成到一个模块 当中，按照规定韵软件流程编程就可以了。 这里简化了编程，即m c f 5 3 0 7 做作为主设备，并且只要向作为从设备的s a a 7 1 1 4 写入数据就可 以了。在图3 - 8 中就是最左侧的的一个分支。 本章小节 本章首先介绍了嵌入式系统的概念，阐述了5 3 0 7 在本方案中的具体设计。第三章曾简单介绍了 视频前端模块的硬件设计，本章具体介绍视频前端模块的软硬件设计，硬件部分介绍了包括s a a 7 1 1 4 、 i m e 6 4 0 0 的硬件连接，它们与m c f 5 3 0 7 的硬件接口。软件部分介绍了叙述了视频前端模块软件驱动 的编写以及其使用。 东南大学硕士学位论文 图3 - 8m c f 5 3 0 71 2 c 模块软件流程 2 8 第四章视频监控系统的网络信输 第四章视频监控系统的网络传输 4 1 计算机网络及其编程 事实上，本论文的方案设计是基于任何物理层的宽带i p 网络。但是出于嵌入式系统设计简便的 需要，我们的嵌入式系统的接口是基于以太网的。 4 1 1 以太网和i n t e r n e t 以太网的核心思想是使用共享的公共传输通道【l 。从本质上讲，它是一种具有冲突检测的载波侦 听多路访问协议( c s m a c d ) 的局域网，这种访问协议是任何一个以太网节点都用于判定是否允许在共 享介质 无论介质是何种类型) 发送数据的方法。在o s i 开放系统互连参考模型的七层协议中，数据 链路层的介质存取控制子层( m a c ) 负责执行c s m a c d 协议。以太网节点的数据以串行方式传输，有 标准的i e e e8 0 2 3 以太网数据帧格式。网络节点的地址用4 8 位m a c 地址表示，也有特定规范，并能保 证唯一性。 目前，以太网都支持l o o m 的高速速率和1 0 m 1 0 0 m 速率的自适应转换，传输介质有双绞线、同轴 电缆、光纤等，结构化布线。图4 1 是以太网的帧结构。 l 前同步信号l 源地址f 目的地址i 类型【数据l 帧校验c r c i 图4 1 以太网的帧结构 前同步信号( 8 字节) ：指示一帧的开始并使网络中所以接收器均能达到帧同步。另外，该字段 本省还能保证各个帧之间用于错误检测和恢复操作的时间间隔不小于9 6 m s 。 源地址( 2 6 字节) ：标识帧发送者的地址。 目的地址( 2 1 6 字节) ：标识帧接收者的地址。 类型字段( 2 字节) ：标识数据字段中包含的高层协议，也就是告诉接收设各如何解释数据字段。 数据字段( 4 6 1 5 0 0 字节) ：所要传送的数据信息字段，最小长度必须为4 6 字节。 帧校验位字段( 4 字节) ：该字段提供一种错误检测机制。 i n t e m e t 是由多个子网互连而成的网络，通过网关实现相互之间的通信。i n t e r n e t 从体系结构上可 分为主干和外围：主干部分采用核心结构进行管理，外围部分划分为若干自治系统。在自治系统中又 可以包含若干局部网络。这种体系结构具有良好的扩展性。i n t e m e t 的数据传输采用采用以i n t e m e t 协 议( i p ) 为基础的t c p 或u d p 协议，i p 为各个互联网络之间提供了统一的数据报格式，同时还提供寻址、 路由、数据的分段和重组等功能。i n t e r n e t 的地址为i p 地址，是网络号和主机号的二级结构。随着网络 通信技术的发展 l j i n t e r n e t 的出现，使得对以太网的使用超出了本地的范围，网络传输能力也有所提高。 本传输方案是构筑在i n t e r a c t 这样基于t c p i p 协议的通信基础设施上。t c p i p 协议是建立在i p 路由 寻址基础上的，采用面向连接的传输控制协议( t c p ，t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) n 无连接的用户数据 报协议( u d p ，u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 两种传输方式，为用户提供各种网络应用服务，如远程连接、3 w 浏览、文件下载、电子邮件等等。 t c p 是一种较为复杂的传输协议。首先它是面向连接的，需要通信双方通过握手信号，建立通信 链路，通信过程中将始终占用该链路，= = 通过它来传递数据，通信结束后还耍将链路拆除，以便将来 继续使用；其次它保证数据可靠地传输，通信双方彼此应答，发送方要等待接收方反馈回米的应答信 息，才继续传输下一批数据，如果没有收到数据的确认，发送方会自动地重发数据，直到收到确认或 东南大学硕士学位论文 发生超时错误为止；再次它提供面向数据流的数据传输，是连续的、没有间隔的：此外，它还提供网 络传输中的流量控制，以根据网络当前状态确定传输的流量；最后，t c p 传输是全职工的，通信双方 可以同时相互传递信息。由于数据传输需要建立连接、数据确认以及拆除连接，所以数据传输的额外 开销较大，数据传输时延变大，但应用层的实现变得简单。 在传输层的另一个协议u d p 是一种简单的传输协议，它是面向无连接的，传输时无需先建立连接， 用户直接将所要传输的数据通过u d p 端口发往另一台主机，也不必等待对方的应答，因而u d p 传输不 独占信道，而且传输延时小。此外，u d p 是面向记录的，即数据是按照一个个记录形式的传输，记录 与记录之间自然分隔。然而u d p 也有缺点，它不提供数据传输的可靠性，不能保证各个数据块按序接 收，不能实现双向通信，而且数据块越大，数据报越容易丢失，反而会增加传输的延时。它只提供了 一种复用机制，以保证进程之间的通信。所以u d p 主要适用于短报文的实时传输”u j p “。 4 1 2s o c k e t 编程 t c p i p 协议虽然结构简单，但是要自己编程实现并不容易，而且也没有必要，许多操作系统目前 都支持t c p i p 协议，并提供一整套网络编程接口以方便用户在它上面开发网络应用软件。因此，所谓 t c p i p 的实现就是讨论如何利用操作系统的网络编程接口来实现自己的数据通信功能。t c p 1 p 的核心 部分由网络操作系统的内核实现，应用程序通过编程接口来访问t c w i p 。 s o c k e t 可以被用作面向连接的或无连接的网络传输的接口，它们分别建立在t c p 协议或u d p 协议 上。利s o c k e t 进行通信，有两种方式：第一种是流方式( s t r e a ms o c k e 0 ，亦称面向连接方式。在这种方 式下，两个并行通信的应用程序之间先要建立一种虚拟的连接关系每一次完整的数据传输都要经过 建立连接、使用连接和终止连接3 个过程。本质上，连接是一个管道，其数据收发顺序一致，且内容 相同。流方式采用t c p 协议。第二种是数据报方式( d a t a g r a ms o c k e t ) ，又称无连接方式。每个数据分 组都携带完整的目的地址，各分组在系统中独立传输。数据报方式采用u d p 协议。 基于t c p i p 网络通信的主要模式是客户机n 务器方式。使用s o c k e t 进行网络通信程序设计和其它 客户机朋务器模式通信应用程序设计过程一样：客户机程序( 进程) 发送请求给服务器( 进程) ，服务器 进程对客户机的请求做出响应，并产生结果。一般来说，服务器进程完成一些较通用而特殊的处理； 而客户机进程则由于将上述一些特殊的应用交由服务器进程处理，因而可以专心于其它工作。显然， 在c s 模式下，客户机为主动方，即请求方；服务器为被动方，接受请求方。 4 2 视频传输对通信网络的要求 在视频通信传输系统中，对网络的要求是比较严格的，它不但要求网络对信息具有较高的传输能 力，还要由足够的实时性和可靠性，对