基于ARM平台的远程视频监控系统的研究

1、基于ARM平台的远程视频监控系统的研究    摘要 介绍了一种基于S3C24401硬件平台和嵌入式Linux操作系统2的远程视频监控系统的总体设计方案，详细阐述了系统的总体结构和各部分功能特点，对系统视频采集，MPEG-4压缩的实现进行了详细分析，并给出关键功能的软件实现方法，与传统的视频监控系统比较，该方案具有体积小，成本低，稳定可靠等优点。 关键词 视频采集；MPEG-4编码；嵌入式Linux；驱动程序 引言    视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。现今监控系统已经

2、步入了数字化、网络化时代，即视频从前端图像采集设备输出时即为数字信号，并以网络为传输媒介，基于TCP/IP协议，采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输。使用嵌入式系统实现远程视频监控技术，符合网络化数字化的特点，对公安、安防等行业有着重要的现实意义。    视频监控系统一般采用基于PC机平台视频采集卡的形式，该方案系统体积大、成本高，在远距离、多点系统中实现困难。本设计采用三星公司的S3C244011.系统硬件设计    系统主要由视频采集和传输部分组成。有嵌入式处理器、CMOS图像传感器、存储器、以太网接口、串口、及电源管理电路

3、。嵌入式处理器是韩国三星公司的基于ARM920T内核的16/32 位RISC嵌入式微处理器（型号：S3C2440），主要面向高性价比、低功耗的应用。为了处理图像数据，CPU的工作频率可达400MHz。S3C2440的资源包括LCD控制器，SDRAM控制器，摄像头接口，3路串行接口，IIC BUS接口，USB接口，触摸屏接口。在处理器丰富资源的基础上，还进行了相关的扩展，配置了32M Flash ROM和256MB SDRAM。在嵌入式处理器的控制下，CMOS图像传感器(片上)采集到的数据经帧同步信号触发产生中断后被拷贝到SDRAM，经过MPEG-4编码后由网口发送到远端监控中心显示，系统框图如

4、图一所示。1.1视频采集模块的设计     图像传感器接口电路是硬件设计的关键部分，如何有效的采集数据也是系统的关键问题。视频采集模块采用OV9640图像传感器3，它是一款高集成度、高分辨率（1280*960）的CMOS传感芯片，内部集成了时序电路，模拟信号处理电路，数字信号处理电路。该芯片支持RGB(4:2:2)，YUV(4:2:2),YCrCb(4:2:2)数据输出格式，内置138个设备控制寄存器，地址分    别从0x00到0x8A,通过SCCB（Serial Camera Control Bus）接口可以方便的设置传

5、感器视窗大小、增益、白平衡校正、曝光控制、饱和度、色调等。由于S3C2440芯片有一个专用的视频接口，所以CPU可以直接和CMOS图像传感器连接。图像传感器输出的数据及控制信号包括像素时钟(PCLK)、水平参考(HREF)、帧同步(VSYNC)和数据总线(D0-D7)，分别和主处理器的相应信号相连。PCLK与HREF在处理器内部相与后产生有效的像素时钟信号，在有效时钟信号的上升沿或下降沿将数据锁定4。模块和S3C2440接口电路如图二所示。在OV9640图像传感器中，如果输出YUV格式5，要用到数据线的Y2-Y9；如果输出RGB格式，则要用数据线Y0-Y9。本设计中采用了YUV格式。图二 视频

6、采集模块接口1.2网络接口的设计    在S3C2440芯片上无网络接口，为了实现在系统调试时，下载操作系统内核、文件系统映像，及在系统运行中实现视频数据的网络传输等功能，所以在系统中扩展网络接口模块（DM90000）。该芯片为10M/100M以太网物理层芯片，具有通用的处理器接口。模块与2440接口如图三所示：其中CMD为命令类型引脚，在高电平时为数据周期，在低电平时为地址周期。可通过CMD与数据总线访问内部54个控制及状态寄存器。当AS9-AS8设置成高，SA7设置成低，SA6-4与TXD2-0匹配时，DM90000由AEN引脚唯一控制是否被选中。此外，DM9

7、000工作在正常模式，TEST1-4依次为1、1、0、0。为了保证DM90000收发正常，还要加上25M的晶振。2.系统的软件设计    2好后，主要工作就变成在操作系统下编写驱动程序。在这里我们着重介绍OV9640的驱动程序的开发及MPEG-4编码的实现。图三：以太网模块接口2.1 OV9640驱动的开发6    在Linux下编写OV9640 CMOS图像传感器驱动，首先要初使化OV9640。通过SCCB总线设置OV9640的工作模式，各种参数，分配连续内存空间，容量与采集图像的点阵数相匹配。然后用request_irq()函数为

8、OV9640登记中断，其中断号为06。当S3C2440捕捉到VSYNC信号时触发中断，把一帧图像数据拷贝到用户空间。如此反复，视频数据源源不断的被采集到SDRAM。软件流程如图四所示。                       图四 读取OV9640数据流程     我们知道，用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的操作就是一些

9、系统调用。要想把系统调用和设备驱动程序关联起来，必须用到一个非常关键的数据结构：struct file_operations 。因此编写设备驱动的主要工作就是编写数据结构中定义的子函数，并填充file_operations的各个域。    摄像头file_operations的数据结构如下static struct file_operations cam_fops =  owner  :  THIS_MODULE,    open   :  cam_open, &#

10、160;  read   :  cam_read,    ioctl  :  cam_ioctl,    release : cam_release,；    编写好成员函数后，接下来编写module_init()和module_exit()。module_init()是驱动程序的入口，当用insmod命令加载模块时自动运行。此函数中包括初使化CMOS图像传感器分配连续内存地址空间注册设备文件登记中断。module_exit()函数在rmmod卸

11、载模块时调用。函数功能包括释放内存空间释放中断注销设备文件。    至此，驱动模块编写好了，编译加载后，我们就可以像操作普通文件一样对摄像头进行读取数据了2.2基于MPEG4的数据压缩算法的实现7压缩标准    数字视频流的数据量是巨大的,以QVGA图像，每秒20帧为例，每秒钟的数据量为2.92M,假设系统有十路传感器，如果不经过压缩，实现数据在网上的多路复用传输是相当困难的，为了系统可靠的运行，本设计采用高压缩率的MPEG-4视频压缩编码。MPEG-4最显著的特点是基于内容的编码方法，即把一段视频序列看成有不同的视频对象VO组成，编

12、码器根据实际情况对各个视频对象面VOP进行编码,其最大压缩率可达到100:1。    经过测试，XVID的压缩比是很高的，可达到20:1，最重要的是编码速度快，压缩解压后的图像质量稍有降低，完全可以达到实用的要求。3.结束语利用嵌入式系统实现远程视频监控符合数字化、网络化的发展趋势，具有布线集中，设备简单，体积小，成本低等特点，与传统的视频监控方案比较有不可比拟的优越性。前端采集部分采用S3C2440微处理器，利用其自身提供的视频接口，图像采集的速度完全可以达到动态显示的要求（在400M的时钟频率下，QVGA图像可以达到20帧/秒的显示速率）。本文作者的创新点：采用图像压缩编码和网络技术，可实现视频数据的多路复用传输。监控端采用基于MPEG-4的视频对象分割方法，利用相邻帧视频对象的差异，实现智能报警的功能。该系统性价比较高，使用方便，值得推广使用。 4.参考文献1S3C2440X RISC MICROPROCESSOR date sheet.sams