（通信与信息系统专业论文）基于无线局域网的嵌入式视频监控系统研究.pdf

摘要 根据目前监控行业的现状及发展趋势，采用最新的嵌入式理念，利用各种网 络通信技术，实现视频监控系统的数字化、网络化，已经成为监控领域发展的主 流。 本课题结合常州明景电子有限公司的网络高速球型摄像机开发项目，提出一 种新的网络视频监控系统设计方案，将网络视频服务器的功能分散到前端高速球 型摄像机，在前端高速球机中嵌入w e b 服务器，并通过无线局域网连接到 i n t e m e t ，组成一个基于无线局域网的嵌入式网络视频监控系统，使用浏览器就 可以在用户端进行视频监控。 论文阐述了基于无线局域网的嵌入式视频监控系统的整体构建；将网络高速 球作为研究对象，把嵌入式a r m 微处理器应用于网络高速球的硬件设计中，介 绍中央管理模块和网络接入模块的功能实现，组成以p r i s m - 2 芯片组为主体的 无线网络模块：论述嵌入式网络高速球的软件设计，完成u c l i n u x 操作系统的嵌 入和移植；构建了基于t c p a p 协议的嵌入式w e b 服务器；通过无线局域网实现 了视频数据的无线传输；最后分析和讨论了系统调试过程中遇到的问题，并提出 迸一步开发设想。 关键词：视频监控、无线局域网、嵌入式、a r m 、u c l i n u x 、w e b 服务器 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o na n dt r e n do fs a f ei n d u s t r y , a d o p t i n ge m b e d d e di d e aa n dn e w n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , r e a l i z i n gt h ed i g i t i z a t i o no ft h en e t w o r kv i d e om o n i t o r s y s t e mh a sb e e nb e c o m i n gt h em a i n t r e n do f m o n i t o r d e v e l o p m e n t t h i s p a p e r p u t s f o r w a r d a n e wr e s o l u t i o n o f n e t w o r k v i d e o m o n i t o rs y s t e m a t t h es a l n e t i m e , t h i sr e s o l u t i o ni sc o m b m e dw i t ht h en e wp r o j e c to f c h a n g z h o um i n k i n ge l o c t r o m cc o ， l t d t h er e s o l u t i o nd i s p e r s e st h ef u n c t i o no f n e t w o r kv i d e os e l w ( l b ye m b e d d i n gw e b l v e l i nh i g h s p e e dd o m ec a m e r a , a n dc o m p o s e sa l le m b e d d e dn e t w o r kv i d e om o n i t o rs y s t e m ， w h i c ha c c e s s e si n t e r n e tb yw l a n i n t e r f a c e p e o p l ec a nc a r r yo nt h ev i d e om o n i t o r i n ge a s i l y w i t hb r o w s e r t h ep a p e re l a b o r a t e st h ec o n s t r u c t i o no fe m b e d d e dn e t w o r kv i d e om o n i t o rs y s t e m i t t a k e sh i g h - s p e e dd o m ee a m e f aa s t h er e s e a r c ho b j e c ta n da p p l i e sa r mp r o c e s s o rt o h i g h - s p e e dd o m e d e s i g n i n gt h er e a l i z a t i o no fc e n t r a lm a n a g e m e ma n dn e t w o r ki n t e r f a c e m o d u l e c o m p o s i n gw l a nm o d u l ew i t l lp r i s m 一2c h i p s e t ；i n t r o d u c i n gt h es o f t w a r ed e s i g n o f h i g h - s p e e dd o m e ，t r 姐s p l a n t i n gu c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mt oa r mp r o c e s s o r , c o n s t r u c t i n g e m b e d d e dw e bs f f r v e l b a s e do nt c p f l pp r o t o c o l ，a n dt h r o u g hw l a n ，t h ep a p e rr e a l i z e st h e w i r e l e s st r a n s m i s s i o no f v i d e o f i n a l l y , t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h e p r o c e s so f s y s t e md e b u g g i n g ，a n dp r o p o s e st h ep l a no f f u r t h e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d ：v i d e om o n i t o r , w l a n ，e m b e d d e d ，a r m ，u c l i n u x ，w e b s e r v e r 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 做储湓釉：镪哗似1 年堋目日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：堡埤讪1 年 弓月脂日 河海人学t 学顾l 论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着社会的快速发展，人们越来越关注人身财产以及生活和工作环境的安全，视 频监控技术也因此得到了快速的发展和广泛的应用。视频监控正从传统的安防监控向 管理监控、生产监控发展，并逐步与管理信息系统相结合，实现资源共享，为管理者 提供更直观、更有效的决策信息。目前，视频监控系统被广泛应用于各行各业，涵盖 了社会的多个领域，例如电力系统监控、工厂现场监控、银行监控、交通系统监控、 超市防窃监控、娱乐场所安全监控、家居安全防卫等等，另外还包括智能小区、办公 室、学校、医院、火车站、飞机场等地的监控等等。随着计算机技术、网络技术、数 字视频技术、通信技术等高科技技术的发展，视频监控技术也得到了迅速发展。 在上个世纪九十年代初，视频监控系统主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系 统。监控系统主要由摄像机、电视机、录像机等组成，采用模拟方式传输，通过视频 线、控制线缆等连接，大多只能在较小范围内进行视频监控，功能简单，易受干扰， 可靠性差；利用录像带、磁带等设备存储信息，成本较高；只能以点对点的方式监视 现场，布线复杂，工程量极大，维护和系统扩充也非常困难；无法组成复杂的监控网 络，在机场、地铁、城市交通等领域的监控要求有远程传输、综合调度和集中指挥功 能，而这些是模拟监控系统所不具备的。由于存在以上的缺点，传统的模拟视频监控 系统己远远不能满足越来越高的生产和管理监控的需求川。 2 0 世纪9 0 年代中期，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，进行模拟输入与数字压缩、显示和 控制，这种监控系统称为第二代视频监控系统。到了2 0 世纪9 0 年代未本世纪初，随着 网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高，以及各种实用视频信息处理技术 的出现，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，被称为第三代视频监控系统，即网络数字监控系统。 数字视频监控具有传统模拟监控无法比拟的优点，并且符合当前信息社会中数字化、 网络化和智能化的发展趋势，因此受到人们的推崇，正在逐步取代模拟监控，广泛应 用于各行各业。从目前来看，监控系统正向着集成一体化、视频数字化、监控网络化、 系统智能化的方向发展f l j 。 随着嵌入式技术和网络技术的进步，出现了一种新型的网络化视频监控系统，即 嵌入式网络视频监控系统。它采用嵌入式实时多任务操作系统、高效压缩芯片和功能 强大的微处理器，将视频压缩、传输与处理工作全部内置到芯片上，通过内部处理后 可以直接连入以太网或广域网，这样人们在世界的任何一个地方都可以通过网络看到 w e b 服务器上的摄像机图像，进行实时远程监控。与其他视频监控系统相比，嵌入式 网络视频监控系统体积小，安装方便，现场无需专人值守，成本低，稳定性高，实时 性好，便于操作和维护，因此基于嵌入式技术的网络视频监控系统有良好的应用与发 1 基于无线局域网的嵌入式视频监控系统研究 展前景 2 1 1 3 1 。 一直以来，人们都希望不受空间、地域的限制，能够随时随地获取信息。进入信息 时代后，无线通信技术得到迅猛发展，出现了w l a n 、g p r s 、c d m a 、数字集群通信 等技术。无线监控系统就是结合无线通信技术和信息处理技术，在传统监控系统的基 础上发展起来的。有线监控系统需要铺设大量的地上地下设备线路，工程造价高，可 移动性差，而无线监控系统可省下一笔可观的布线费用，使用灵活方便，在需要野外 监控和偏远地区监控时，其优越性更加明显。随着无线通信技术和计算机网络技术的 发展，无线视频监控系统的应用必将越来越广泛【4 l 。 1 2 国内外现状 近年来，数字视频监控系统进入快速发展期，出现了一大批基于嵌入式w e b 服务 器技术的网络视频监控产品。目前，国外已经有一些比较成熟的视频服务器产品，它 负责单路或多路模拟视频信号的接入，在视频服务器内部进行a d 转换，并进行视频 图像的压缩，经由服务器接入网络，用户可以通过浏览器或专门的监控软件进行网络 视频监控圈。此类产品在国内也有许多公司能够自行设计生产，当前国内大部分的监控 系统都采用这种方案。 采用专门的视频服务器来实现网络视频监控，基本上可以满足一般监控领域的要 求，但其价格相当昂贵。国外公司开始将嵌入式w e b 技术应用到监控系统的前端设备， 在前端视频采集的摄像机内部进行视频图像的压缩，并建立嵌入式w e b 服务器，同时 利用有线网络或无线网络形成网络摄像机等产品。用户使用普通测览器，通过网络远 程访问内置w e b 服务器的监控摄像机，不但可以实现对现场的远程视频监控，而且还 可以控制摄像机、云台、镜头的动作并对系统进行配置。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，通过有线或无线网络接入网络，节省了多种复杂的电 缆，因此组网、维护特别方便。在国内，这方面的研究刚刚起步，一些企业也逐步开 始加强对无线网络和嵌入式系统的研究，开发基于无线网络和嵌入式w e b 服务器的网 络视频监控产品。但由于国内技术基础相对薄弱，相关技术还不够成熟，研究水平与 国外相比还存在一定差距，产品性能稳定性、可靠性等方面还有待进一步提高。 目前，中国数字化监控企业尚不能完全独立开发专业的硬件平台，无法掌握核心 芯片和嵌入式开发的关键技术。通过对嵌入式网络视频监控系统做深入研究，充分利 用国内外公司的先进技术成果，开发具有自主知识产权的适应监控发展的网络化数字 视频监控产品，对我国监控行业的发展具有很大的促进作用。 1 3 课题来源 本课题来源于常州明景电子有限公司网络高速球的研发，常州明景电子有限公司 是专业从事生产、研发闭路电视监控设备的高科技企业，该公司的“智能高速球”等 系列智能化前端设备技术在全行业保持领先地位。本课题来自于该公司网络高速球摄 像机的研发，通过对基于无线局域网的嵌入式视频监控系统的研究来开发和完善网络 2 河海大学t 学硕i 论文第一幸绪论 高速球摄像机的结构功能。 1 4 课题研究的意义和主要内容 根据目j j i 监控行业的发展现状及趋势，本课题提出一种新的监控系统设计方案。 现有的监控系统组网方式如图1 1 1 6 j 所示，本课题的方案如图1 2 所示。后者把视频服 务器的功能分散到自口端高速球摄像机，在前端摄像机中嵌入w e b 服务器，通过无线局 域网连接到i n t e m e t ，组成一个基于无线局域网的网络高速球摄像机。网络高速球摄像 机不需要借助于p c ，拥有独立的l p 地址和嵌入式操作系统，通过无线局域网和i n t e m e t 网络相连，独立运行于网络的一端，客户端使用网络浏览器来浏览嵌入式w e b 服务器 上的视频图像，并根据情况对监控现场实施控制，这样不仅能够降低成本，同时还有 效地提高了系统的稳定性。在嵌入式网络视频监控系统中，嵌入式w 曲服务器实现视 频信号及高速球控制信号的网络接入功能。网络高速球摄像机和i n t e m e t 网络之间通过 无线局域网连接，不需要布置线缆，这样网络高速球摄像机的安装和维护就极为方便， 同时也大大节省了布线的费用。对基于无线局域网的嵌入式网络监控系统进行深入研 究，自主开发网络视频监控产品，具有很大的社会效益和经济效益。 模拟摄像机 网络高速球 拦像机 图1 1 现有监控系统组网模式 图1 2 新的监控系统组网模式 网络视频监控系统主要由前端网络高速球摄像机、集中管理服务器、客户端浏览 器三大部分组成，本课题主要对前端的嵌入式网络高速球摄像机进行研究。研究的目 的在于构建基于t c p i p 协议的嵌入式系统w e b 服务器，由嵌入式系统自身实现w e b 妙8 基于无线局域网的嵌入式视频监控系统研究 服务器功能，同时采用无线局域网接入i n t e r a c t 进行通信，利用无线局域网进行视频图 像的无线网络传输。嵌入式网络高速球摄像机主要由c c d 图像采集模块、视频压缩编 码模块、中央管理控制模块、无线网络接入模块等组成。系统采用a r i v l 微处理器和嵌 入式操作系统u c l i n u x ，构建基于t c p 仰协议的嵌入式w 曲服务器，通过无线局域网 实现视频数据的无线传输。本课题的研究内容主要包括： ( 1 ) 网络摄像机硬件设计 系统选用s o n y 公司的c c d 传感器来完成图像采集，由s a a 7 1 1 3 h 芯片完成a d 转 换，并送至b f 5 3 3 处理器，进行m p e a h 图像压缩处理，经过压缩的视频图像信号通过 s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，串行外设接口) 接口发送到主控c p u 。主控c p u 采用 基于a r m 7 t d m i 内核的s 3 c 4 4 b o x 微处理器，它是s a m s u n g 公司开发的基于3 2 位a r m 核的高性能、低功耗微处理器，主要完成视频数据的无线网络发送。在该系统中通过 接收来自图像压缩芯片的压缩视频信号，再由无线网络设备p r i s m - 2 芯片组发送至网 络。 ( 2 ) 嵌入式实时多任务操作系统的实现 在嵌入式系统上运行操作系统，可以为上层软件的开发提供统一的接口，方便系 统升级，同时可以实现多任务操作。在嵌入式系统领域，有很多优秀的嵌入式操作系 统，如u c o s 、p a l mo s 、v x w o r k s 、w mc e 、u c l i n u x 等。本课题中通过嵌入操作系统 u c l i n u x 来实现多任务操作，u c l i n u x 自身带有t c p i p 协议，具有强大的网络功能，方便 用户进行网络编程。 ( 3 ) w 曲服务器的设计 在u c l i n u x 系统上采用s o c k 确程建立一个基于t c p i p 的w e b 服务器，为视频数据的 无线传输和网络控制信息的收发提供网络服务，远程客户端通过浏览器来实施现场监 控。 ( 4 ) 视频数据及网络控制信号的无线传输 通过无线网络接入模块实现视频数据及网络控制信号的无线网络传输，同时对网 络的控制信号进行解释并正确执行其指令。客户端可以通过浏览器设置监控摄像机的 图像质量、分辨率、色彩等参数，控制云台的转动方向，同时监控现场可以向合法的 客户端用户发出报警信息等，提高应急响应能力。 4 河海大学t 学硕1 论文第二二章视频监控系统总体设计 第二章视频监控系统总体设计 2 1 视频监控系统总体要求 视频监控系统整体结构如图2 1 所示，前端网络摄像机负责视频信号的采集压缩， 并通过无线局域网接入i n t e m e t 。对于比较复杂的网络监控系统，有必要建立集中管理 服务器( a d m i n i s t r a t o rs e r v e r ) 。集中管理服务器负责管理各个网络摄像机节点，用户 通过访问集中管理服务器，可以访问所有由集中管理服务器管理的网络摄像机。对于 简单的监控系统，可以直接访问网络摄像机内部的w e b 服务器来进行视频监控。用户 不仅可以通过p c 机的客户端软件来浏览监控现场的实时图像，而且还可以通过手机、 p d a 等手持设备，通过无线网络来进行监控。 图2 1 网络视频监控系统整体框图 系统中网络摄像机部分为本课题主要研究对象。在网络摄像机中，由c c d 传感器 接收到的模拟视频信号经由转换芯片转换为数字信号，送至视频压缩芯片进行处理， 经过压缩的视频图像信号通过无线局域网发送至客户端。主控c p u 采用基于 a r m 7 t d m i 内核的s 3 c 4 4 b o x 微处理器，主要完成视频数据的网络发送，在该系统中 通过接收经过图像压缩芯片压缩的视频信号，再由p r i s m 一2 芯片组发送至网络。 在该系统中采用s a m s u n g 公司的a r m 微处理器s 3 c 4 4 b o x ，通过在该微处理器上 运行u c l i n u x 操作系统，构建嵌入式w c b 服务器，并进行c g i ( c o m m o ng a t e w a y i n t e r f a c e ，通用网关接口) 编程，同时利用无线网络芯片组p r i s m - 2 ，通过无线局域网 实现视频数据的无线传输以及对网络控制信号的解释执行。 5 基于无线局域同的嵌入式视频监控系统研究 2 2 视频信号处理 视频信号处理部分主要实现视频数据的采集、量化和压缩。由于摄像机镜头采集 到的原始视频数据是模拟信号，并且数据量十分庞大，不利于存储和传输，需要经过 采样、量化，转换成数字信号并进行压缩编码。 2 2 1 视频信号的采样和量化 由c c d 传感器采集到的视频信号是模拟信号，需要经过采样和量化转换成数字信 号。采样是将连续的模拟信号在时间和空间上离散化，量化是将采样信号在幅度上离 散化。在采样、量化以及随后进行的压缩编码过程中，最基本的要求就是要保持一定 的信号质量，经过处理的信号要能恢复出原始的图像。要达到这一要求，采样频率要 符合奈奎斯特( n y q u i s t ) 抽样定理。按照奈奎斯特( n y q u i s t ) 抽样定理，采样频率至 少应为信号上限频率的2 倍川。 具体来讲，量化就是用一组有限的实数集合作为输出，其中每个数代表一群最接 近于它的采样值，假设该集合含有j 个数，就称j 级量化。以有限个离散值近似表示无 限多个连续值，一定会产生误差，这个误差称为量化误差。图像量化的的基本要求是 在量化误差对图像质量的影响可以忽略的前提下，用最少的量化级数进行量化。1 9 8 2 年1 0 月，国际无线电咨询委员会( c c i r ) 通过了第一个关于演播室彩色电视信号数 字编码的6 0 1 建议，它采用亮度信号和色差信号分别编码的分量编码方式，对亮度信 号和色差信号的抽样频率分别是1 3 5 m h z 和6 7 5 m h z ，每个数字有效行分别为7 2 0 个 亮度抽样点和3 6 2 x 2 个色差信号抽样点。每个分量都采用均匀量化p c m ，每个抽样值 为8 b i t 。这几个参数对5 2 5 行、6 0 场秒制的视频都是相同的【町。 2 2 2 视频信号的压缩编码 由c c d 传感器采集到的视频模拟信号经过采样、量化得到数字信号，其数字量之 大仍然是非常惊人的。庞大的数据量给网络带宽、c p u 的速度、存储器的存储容量都 带来了极大的压力。单纯用扩大存储器容量、增加网络带宽的办法是不现实的。图像 压缩可以减轻图像存储和网络传输的负担，使计算机能实现视频图像的实时处理和网 络传输。另一方面，图像数据有极强的相关性，存在大量的冗余信息，人的眼睛在观 察图像时并不是对所有信息都有相同的敏感度，主要是寻找某些比较明显的目标特征， 通过这些特征与先验知识结合完成对图像的解释过程，有些信息相对来说不那么重要， 从而也可以认为是冗余的 9 1 。因此视频图像压缩不仅是必要的也是可能的。实际上，正 是视频图像压缩编码的快速发展，促进了网络视频监控系统的迅猛发展。 常见的视频压缩编码方式有统计编码、预测编码和变化编码等。统计编码是根据 信息出现概率的分布特性而进行的压缩编码，是一种无损编码，要求在编码过程中不 丢失信息量或把失真限制到可容忍的范围内。预测编码的基本思想是通过提取每个像 素中的信息并对它们编码来消除像素间的冗余，它是根据离散信号之间存在着一定关 6 河海大学工学硕士论文第二章视频监控系统总体设计 联性的特点，利用前面一个或多个信号对下一个信号进行预测，然后对实际值和预测 值的差( 预测误差) 进行编码。如果预测比较准确，那么误差信号就会很小。这样一 来，在同等精度要求的条件下，就可以用比较少的比特进行编码，达到数据压缩的目 的。变换编码是指先对信号进行正交变换，从一种信号空间变换到另一种信号空间， 然后再对变换后的信号进行编码。如将时域信号变换到频域，因为声音、图像大部分 信号都是低频，在频域中信号能量比较集中，再进行编码，从而压缩数据。正交变换 的种类很多，如傅立叶( f o u r i e s ) 变换、沃尔什( w a l s h ) 变换、哈尔( h a a r ) 变换、 斜( s l a n t ) 变换、余弦变换、正弦变换、k - l ( k a r h u n c n - l o c v c ) 变换等。其中基于离 散余弦变换( d c t - - d i s c t e = t ec o s i n et r a n s f o r m ) 的编码方法，是j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i c e x p e r t sg r o u p ) 算法的核心内容i s 。 2 2 3m e p g - 4 视频压缩算法 m p e g 嘲( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) 即活动图像专家组，m p e g 委员会是 在i s o ( i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ) 领导下的专家小组，始建于1 9 8 8 年，专门针 对运动图像的数据压缩建立视频和音频标准。目前，m p e g 已完成m p e g 1 、m p e g 2 、 m p e g - 4 和m p e g - 7 等版本的制订，适用于不同带宽和数字影像质量的要求。 其中m e p g - 4 是为传输数据码率低于6 4 k b i t s 的实时图像设计的。m e p g - - 4 旨在将 众多的多媒体应用集于一个完整的框架内，为不同性质的视音频数据制定通用、有效 的编码方案，提出基于具体内容( c o n t e n t - b a s e d ) 的视频对象( v i d e oo b j e c t ) 的编码 标准。它采用基于模型的编码、分形编码等方法，所涉及的应用范围覆盖了有线、无 线、移动通信、i n t e r a c t 以及数字存储回放等各个领域。它在信息描述中首次采用了“对 象”( 0 b j o n ) 的概念，以内容为中心进行描述，对信息元的描述更符合人的心理，不 仅获得了比现有标准更优越的压缩性能，也提供了各种新的功能。 m p e g - 4 是一种高效率的编码标准，其应用范围最宽到数字电视，最低可到移动 多媒体和电子游戏，编码波特率相应可分为3 8 4 k b i t s - i m b i t s ，6 4 3 8 4 k b i t s 和6 4 k b i t s 以下，并可对多媒体应用领域的各种编码进行兼容。 m p e g - 4 是第一个使用户可在接收端对画面进行操作和交互访问的编码标准。由 于m p e g 4 基于对音视频对象( a v o ) 独立编码，必须同时传送编码对象组成结构的 “场景描述”信息。“场景描述”信息是独立传输的，解码时在解码端可改变选定a v o 的“场景描述”参数，对图像和声音的有关内容进行编辑和操作。 m p e g - 4 引入了合成与自然混合编码。以往的编码把人工合成信息视为自然信息 的一个子集，如把计算机图像视为视频，m p e g - 4 把这类数据视为一种新的数据类型， 支持对人工合成a v o 数据与自然a v o 数据混合编码，这样的合成编码不仅可极大地 提高编码效率( 可获得l k b i t s 的超低码率) ，而且可用于实现虚拟电视会议系统，丰富 用户与场景的交互。 m p e g - 4 提供了基于内容( 对象) 的随机存取方式，在有限的时间内能以较高的 7 基于无线局域网的嵌入式视频监控系统研究 分辨率，按帧或任意形状对象，对一个音视频序列进行随机存取。例如，可以把一个 序列中的某个音视频对象作为目标进行快进搜索。 m p e g - 4 的编码系统是开放的，为各种多媒体应用提供一个灵活的框架和一套开 放的编码工具，不同的应用可选取不同的算法。 另外，视频监控系统的原始图像有自身的特点，即有大量的背景图像是静止不动 的或极少运动的。因此，可以采用m p e g 4 中s 埘t e 编码的思想来编码。一个s p r i t e 是由 一个视频序列中同一个视频对象的所有象素构成的，通过s p r i t e 编码，首先将背景全景 图传送到解码端并生成背景图，其后只需传输少量的运动参数即可，这样可以大大减 少整个视频传输过程中的数据量，实现很高的压缩比。同时，由于一般的s p f i t e 图像比 较大，为了减少传输延迟，可以使用m p e g - 4 的基于对象的分级功能，对s p r i t e 像进 行分层逐块传输。 对于监控系统而言，当传输图像的分辨率和帧率不是很高时，仍能达到一般要求 下的监控效果。采用m p e g - 4 的基于对象的分层传输思想，使用空域分级功能调节空间 分辨率，使用时域分级功能调节帧率。这样做一方面可以方便地实现码率控制，从而 对网络带宽的变化具有很好地自适应性，使得在极低码率的情况下，仍能达到不错的 监控效果。另一方面，用户可以通过交互功能选择分辨率和帧率，以得到更好地视频 效果或获得某一对象局部的细节。通过m p e g - 4 的场景描述和交互可以实现很强的用户 交互功能，用户可以交互式操作各种对象，这种交互式操作可以改变场景描述节点的 属性，如使某个对象可见或消失、通过鼠标或键盘改变对象的位置或3 d 对象的视点和 改变文本对象的字体和尺寸等，也可以改变各个对象之间的关系，变换不同的角度进 行观察。这些交互功能用于远程监控可以极大地提高监控系统的灵活性及监视效果。 2 3 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 是嵌入式系统的核心， 是控制系统运行的硬件单元。嵌入式微处理器的基础是通用计算机系统中的中央处理 一器。与计算机处理器不同的是，在嵌入式应用中，只保留与嵌入式应用紧密相关的功 能硬件，去除其他冗余功能部分，配上必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、 i o 的扩展电路和一些专用的接口电路等，能以最低功耗和资源满足嵌入式应用的特殊 要求。 2 3 1 嵌入式微处理器特点 作为信息产品智能化和网络化的核心，嵌入式微处理器除了具有体积小、重量轻、 成本低外，还具备以下一些基本特点【l l j ： ( 1 ) 对实时多任务具有更强的支持能力。嵌入式微处理器必须能完成多任务切换 并且具有较短的中断响应时间，从而使内部的代码以及实时内核的执行时间减少到最 低限度。嵌入式微处理器内部具有精确的振荡电路、丰富的定时器资源，从而有较强 的实时处理能力。 8 河海大学工学硕士论文第二章视频监控系统总体设计 ( 2 ) 采用可扩展的处理器结构。嵌入式系统和面向用户应用的系统，不仅要求在 较低的价格水准上具有较高的性能，而且还希望能更快地缩短投入市场的时间。为此 对嵌入式微处理内核，提出了具备可扩展的结构要求，以便能最迅速地开发出满足应 用的最高性能的嵌入式微处理器。一般在处理器内部都留有很多扩展接口，以方便对 应用的扩展。 ( 3 ) 具有很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而 为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同 时也有利于软件诊断 ( 4 ) 低功耗。在今天这个多媒体技术蓬勃发展的时代，信息社会是以网络及移动 计算和通讯设备为基础的，在这些设备中的嵌入式微处理器必须具有较低功耗，同时 功率的传送和能量的消耗已成为性能和集成度的主要限制，因此需要嵌入式微处理器 具有较低功耗。许多嵌入式微处理器提供几种工作模式，如正常工作模式、备用模式、 省电模式等，为嵌入式系统提供了灵活性，满足了嵌入式系统对低功耗的要求。 2 3 2 嵌入式微处理器选择 留 嵌入式微处理器与通用处理器最大的不同就是嵌入式微处理器大多工作在为特定 用户设计的系统中，能够把许多外围接口集成到芯片内部，大大提高了系统集成度。 同时，高集成度使得嵌入式微处理器都面向一定的应用领域，没有一种微处理器和微 处理器公司可以主导嵌入式系统，也使得同一应用领域出现多种可以选择的嵌入式微 处理器，这就产生了设计的多样化。针对特定的应用领域，嵌入式系统设计的差异性 极大，在某种情况下，性能极为重要，而在另一种情况下，低功耗又成为最关键的因 素。同时，嵌入式系统的设计还要考虑处理器支持软件、代码的大小以及成本等因素。 嵌入式微处理器主要有a m l 8 6 8 8 、p o w e rp c 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、6 8 0 0 0 、m i p s 、 a r m 系列等。目前，在嵌入式领域中广泛应用的是a r m ( a d v a n c e d 砌s cm a c h i n e s ) 系列微处理器，a r m 处理器具有小体积、低功耗、低成本、高性能等特点。a r m 公 司是设计公司，是知识产权( i p ) 供应商，本身不生产芯片，靠转让设计许可由合作 公司生产各具特色的芯片，从而在全球的嵌入式技术方面起到主导作用。a r m 3 2 位体 系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的3 2 位嵌入式刚s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m p u t e r ) 微处理器结构。a r m 处理器已成为移动通信、手持设备、多媒体数字 消费、嵌入式解决方案的r i s c 标准【1 2 】【1 3 1 。 当前a r m 处理器分a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e a r m l o 、a r m l l 和s e c u r c o r e 系 列。其中a r m 7 是低功耗的3 2 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品。它又分 为适用于实时环境的a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s ，适用于开放平台的a r m 7 2 0 t ，以 及适用于d s p 运算及支持j a v a 的a r m 7 e j 等【1 4 1 。 s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 是基于a r m 7 t d m i 的1 6 3 2 位r i s c 处理器【1 5 j 。这是 一款低功耗、高性能、资源丰富的嵌入式微处理器，它在a r m 7 t d m i 内容基础上扩 9 基于无线局域网的嵌入式视频监控系统研究 展一系列完整的通用外围器件。本课题采用s 3 c 4 4 b o x 微处理器作为中央管理控制单 元的核心部件，不仅其性能完全能够满足监控系统的要求，有着丰富的外围接口，而 且它对软件支持广泛，在s 3 c a 4 b o x 处理器上可以运行嵌入式操作系统u c l i n u x ，而 u c l i n u x 是源码开放的自由软件，具有完整的网络协议栈，对网络通信的开发有很好的 支持，这样可以大大缩短系统开发时间。 2 4 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，e o s 或r e a l t i m ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m , r t o s ) 是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件i 阚。它 是嵌入式系统( 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b r o w s e r 等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，能有效管理复杂的系统资源，并 且把硬件虚拟化，使得开发人员能够从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来。同时， 与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统具有占用空间小、执行效率高、方便进行个 性化定制和软件要求固化存储等特点【1 7 1 【1 8 l 。 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、 系统庞大的应用中显得愈来愈重要。在嵌入式系统的应用开发中，嵌入式实时操作系 统能够支持多任务，使得程序开发更加容易，维护更加方便，同时能够提高系统的稳 定性和可靠性。这已逐渐成为嵌入式系统开发的一个发展方向【1 9 1 。 2 4 1 嵌入式操作系统的比较 嵌入式实时操作系统有很多，如v x w o r k s 、p a l mo s 、w m d o w s c e 等。这些操作 系统均属于商品化产品，价格昂贵，而且由于它们各自的源代码不公开，使得每个系 统上的应用软件与其它系统都无法兼容。这种封闭性还导致了商业嵌入式系统在对各 种设备的支持方面存在很大的问题，使得对它们的软件移植变得很困难。 开放源代码的r t o s 在成本和技术上有其特有的优势，在r t o s 领域占有越来越 重要的地位。u c o s 和l i n u x 操作系统1 2 0 是当前得到广泛应用的两种免费且源代码开 放的嵌入式操作系统。u c o s 适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实 时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2 k b 。l i n u x 是一个类似于u n i x 的操作系统，它是伴随着网络技术的进步而发展起来的，真正实现了多任务、多用户 环境。l i n u x 对硬件配置的要求相当低，能够在4 m 内存的3 8 6 机器上很好地运行，同 时还可以支持很多种处理器芯片。更为重要的是，很多程序员都愿意在l i n u x 上开发 程序，随时对l i n u x 的开放内核进行升级和修补，使很多b u g 可以很快得到检测和修 复。 l i n u x 不仅开放源代码，而且系统内核小巧、可以定制、高效稳定、网络结构完整， 裁减后的系统很适合网络通信设备、信息家电、多媒体通信设备等嵌入式系统的开发。 由于l i n u x 源于i n t e m e t 并属于类u n i x 操作系统，这就保证了它支持所有标准i n e m e t 1 0 河海大学工学硕士论文 第二章视频监控系统总体设计 协议，并且可以利用许多基于l i n u x 实现的通信协议栈进行应用开发。l i n u x 上的驱动 程序非常丰富，它们支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，支持多种体系结构，如 x 8 6 ，a r m ，m i p s ，a l p 姒，s 队r c 等等。因此，l i n u x 在嵌入式领域获得了飞速发 展，广泛应用于各种嵌入式产品。同时，针对一些不带内存管理单元( m m u ) 的微处 理器，如基于a r m 7 - t d m i 内核的s 3 c 4 4 b o x 处理器，开发了支持实地址模式的u c l i n u x 嵌入式操作系统。 2 4 2u c l i n u x 操作系统 u c l i n u x 是针对嵌入式微控制领域设计的l i n u x 系统。根据嵌入式系统的特点， u c l i n u x 进行了小型化的设计，通过重新编译内核、制作根文件系统( r o o tf i l es y s t e m ) 映象来实现小型化。u c l i n u x 即是m i c r o - c o n r o l - l i n u x 的缩写。 u c l i n u x 继承了标准l i n u x 操作系统的稳定性、强大网络功能和出色的文件系统等 主要优点【2 l 】，其内核和l i n u x 一样采用模块化的设计，即很多功能块可以独立的添加 或卸载，开发人员在设计内核时把这些内核模块作为可选的选项，在编译系统内核的 时候指定功能模块。因此，通过对内核重新编译，在编译时仔细的选择嵌入式设备所 需要的功能模块，删除不需要的功能模块，可以使系统运行所需要的内核显著减小， 从而减少系统代码，减少占用资源。u c l i n u x 操作系统在启动时必须加载根文件系统， 因此剪裁系统同时包括根文件系统的剪裁。u c l i n u x 系统采用r o m f s 文件系统，这种文 件系统比一般的l i n u x 系统使用的e x t 2 、e x t 3 等文件系统占用更少的空间。由于r o t o r s 文件系统不支持动态擦写保存，对于系统需要动态保存的数据采用虚拟r a i n 盘的方法 进行处理( r a m 盘将采用e x t 2 文件系统) 。另外，u c l i n u x 重写了应用程序库u c l i b c ， 相对于越来越大、越来越全的e d i b c 库，u c l i b c 对e d i b c 做了精简，因此系统中有些函 数需要用户自己实现。 嵌入式u c l i n u x 操作系统主要有三个基本部分组成：引导程序、u c l i n u x 内核( 由 内存管理、进程管理和中断处理等构成) 和文件系统。u c l i n u x 可以通过定制使内核小 型化，还可以加上g u i ( 图形用户界面) 和定制应用程序，并将其放在r o m 、r a m 、 f l a s h 或d i s ko nc h i p 中启动。由于嵌入式u c l i n u x 操作系统的内核定制高度灵活性， 开发者可以很容易地对其进行按需配置，来满足实际应用需要。 图2 2 代表了内核的功能结构，与l i n u x 基本相同，不同的只是对内存管理和进程 管理进行改写，以满足无m m u 处理器的要求。u c l i n u x 是由l i n u x 2 0 内核发展来的， 但u c l i n u x 的内核要比原l i n u x 2 0 内核小得多。同时保留了l i n u x 操作系统的主要优 点：稳定性、优异的网络能力以及优秀的文件系统支持瞄】。 ( 1 ) 内存管理 内存管理负责控制进程对系统硬件内存资源的访问，这是通过硬件内存管理单元 来实现的。该系统提供进程对内存的应用与计算机物理内存之间的映射。u c l i n u x 同标 准l i n u x 的最大区别就在于内存管理，标准l i n u x 是针对有m m u 的处理器设计的。在 基于无线局域网的嵌入式视频监控系统研究 图2 2 嵌入式l i n u x 内核系统架构 这种处理器上，虚拟地址被送到m m u ，m m u 把虚拟地址映射为物理地址。通过赋予 每个任务不同的虚拟一物理地址转换映射，支持不同任务之间的保护。对于u c l i n u x 来说，其设计针对没有m m u 的处理器( 如基于a r m 7 t d m i 内核的处理器，应该说 这种不带有m m u 的处理器在嵌入式设备中相当普遍) ，不能使用处理器的虚拟内存管 理技术。 u c l i n u x 仍然采用