Linux嵌入式視頻的網(wǎng)絡(luò )監控系統設計

　隨著(zhù)計算機技術(shù)及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅猛發(fā)展，公安、安防行業(yè)的發(fā)展趨勢必然是全面數字化、網(wǎng)絡(luò )化。傳統的模擬閉路電視監控系統有很多局限性：傳輸距離有限、無(wú)法聯(lián)網(wǎng)，而且模擬視頻信號數據的存儲會(huì )耗費大量的存儲介質(zhì)(如錄像帶)，查詢(xún)取證時(shí)十分煩瑣。

　　基于個(gè)人計算機的視頻監控系統終端功能較強，但穩定性不好，視頻前端(如電壓耦合元件等視頻信號的采集、壓縮、通訊)較為復雜，可靠性不高�；谇度胧絃inux視頻的網(wǎng)絡(luò )監控系統不需要用于處理模擬視頻信號的個(gè)人計算機，而是把視頻服務(wù)器內置一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統。

　　由于把視頻壓縮和Web功能集中到一個(gè)體積很小的設備內，可以直接連入局域網(wǎng)，即插即看，省掉復雜的電纜，安裝方便(僅需設置一個(gè)IP地址)，用戶(hù)也無(wú)需安裝任何硬件設備，僅用瀏覽器即可觀(guān)看。

　　基于嵌入式Linux的視頻網(wǎng)絡(luò )監控系統將嵌入式Linux系統連接上Web，即視頻服務(wù)器內置一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，攝像機傳送來(lái)的視頻信號數字化后由高效壓縮芯片壓縮，通過(guò)內部總線(xiàn)傳送到內置的Web服務(wù)器上。

　　1 系統總體框架

　　嵌入式Linux視頻網(wǎng)絡(luò )監控系統是電工電子裝置、計算機軟硬件以及網(wǎng)絡(luò )、通信等多方面的有機組合體，它以智能化、網(wǎng)絡(luò )化、交互性為特征，結構比較復雜。如果利用OSI七層模型的內容和形式，把相應的數據采集控制模塊硬件和應用軟件以及應用環(huán)境等有機組合，可以形成一個(gè)統一的系統總體框架，其系統總體框架示意圖如圖l所示。 

　　系統總體框架示意圖 

　　攝像機傳送來(lái)的視頻信號數字化后，經(jīng)過(guò)壓縮，通過(guò)RS-232/RS485將數據送到內置的Web服務(wù)器，嵌入式LJnux系統的 10/100M以太網(wǎng)口實(shí)現接入Internet網(wǎng)絡(luò )，將現場(chǎng)信號送到客戶(hù)端。整個(gè)系統的核心是嵌入式Linux系統。監控系統啟動(dòng)后，嵌入式Linux 系統啟動(dòng)Web Server服務(wù)程序，接收授權客戶(hù)端瀏覽器的請求，Web Server將根據通信協(xié)議完成相應的監測。

　　2 系統實(shí)現

　　2.1 硬件平臺設計

　　本系統以公開(kāi)的嵌入式Linux源代碼為基礎，根據設計的嵌入式目標板編寫(xiě)相應的Bootloader程序，然后裁剪出合適的內核和文件系統。目標平臺 CPU采用Motorola公司生產(chǎn)的ColdFire嵌入式處理器MFC5272。MFC5272采用ColdFire V2可變長(cháng)RISC處理器核心和DigltalIDNA技術(shù)，在66MHz時(shí)鐘下能夠達到63Dlnrystone2.1MIPS的優(yōu)良處理能力。

　　內部SIM(System IntegratedModule)單元集成了豐富的通用模塊，只需很少的外圍芯片就可以實(shí)現兩個(gè)RS-232串行口和一個(gè)USB Slave接口。MFC5272還內嵌一個(gè)FEC(快速以太網(wǎng)控制器)，片外擴展一片LXT97l，方便地實(shí)現了一個(gè)100/10 BaseT的以太網(wǎng)接口。能夠與常用的外圍設備(如SDRAM、ISDN收發(fā)器)實(shí)現無(wú)縫連接，從而簡(jiǎn)化了外圍電路的設計，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。

　　2．2 軟件設計與實(shí)現

　　視頻監控系統軟件結構采用的是瀏覽器，服務(wù)器(B／S)網(wǎng)絡(luò )模型，即由客戶(hù)端通過(guò)Web向服務(wù)器提出請求，服務(wù)器對請求做出確認響應并執行相應的任務(wù)(如向客戶(hù)端發(fā)送組播地址、圖像格式、壓縮格式等)，建立連接后就可以在客戶(hù)端監控被控點(diǎn)，從而實(shí)現遠程網(wǎng)絡(luò )監控。服務(wù)器(Web Servei)端即現場(chǎng)監控點(diǎn)的軟件結構包括采集模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò )通信模塊、控制模塊等，如圖2所示。 

　　2.2.1 視頻采集模塊設計

　　由于攝像機得到的是模擬的視頻信號，不能直接為計算機使用，因此要使視頻在網(wǎng)上傳輸，必須首先對其數字化。本系統選用的視頻采集卡為Conexant公司的Bt848卡，該卡不需要任何本地緩存來(lái)存儲視頻像素數據，還能夠充分利用基于PCI總線(xiàn)系統的高帶寬和固有的多媒體功能，并且能夠與其他多媒體設備實(shí)現互操作。

　　在整個(gè)系統中由于視頻采集的速度通常高于應用軟件取得數據并進(jìn)行處理的速度，因此為了保證視頻數據的連續性，采用了三緩存結構，緩存A是Bt848視頻采集的目標地址，在RISC指令的直接控制下，采集的數據都先存放在這個(gè)緩存中；B和C組成乒乓式結構循環(huán)往復使用，當某一幀數據采集完畢后，產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中將緩存A的數據復制到緩存B(或C)中，然后采集下一幀，當下一幀數據采集完后．再將緩存A中的數據復制到緩存C(或B)中，當應用程序需要數據時(shí)就從緩存B或C中讀取最新的一幀圖像。緩存B和C交替使用，能夠保證應用程序從緩存讀數據的操作和驅動(dòng)程序向緩存寫(xiě)數據的操作不會(huì )發(fā)生沖突，避免了數據的損壞和遲延。 

2.2.2 視頻壓縮編碼的設計

　　本設計選用了基于對象的MPEG-4視頻編碼技術(shù)，首先對輸入的任意形狀的VOP序列，用基于塊的混合編碼技術(shù)編碼。處理順序是先幀內VOP，后幀間VOP和雙向預測VOP。

　　在對VOP的形狀信息編碼之后，取得任意形狀VOP的采樣，每個(gè)VOP用宏塊柵格劃分成不相交的宏塊，每個(gè)宏塊含有四個(gè)8×8的像素塊，以進(jìn)行運動(dòng)估計和補償及紋理編碼。已編碼的VOP幀保存在VOP幀存儲器中。運動(dòng)向量在當前VOP幀和已編碼VOP幀之間計算。對將被編碼的塊或宏塊，計算其運動(dòng)補償預測誤差。運動(dòng)補償預測后的I-VOP及誤差用8×8塊DCT編碼，并進(jìn)行DCP系數的量化，然后是行程編碼和熵編碼。

　　最后，形狀、運動(dòng)和紋理信息復合成VOL位流輸出。這種編碼方法可以允許用戶(hù)修改、增加或重定位一個(gè)視頻場(chǎng)景中的對象，甚至可以轉換場(chǎng)景中對象的行為。對于不同的帶寬和計算復雜性需求，不必針對每種情況分別編碼，可以使用同一個(gè)視頻位流，而采用不同的參數以選擇不同的層以獲得靈活性。在出現網(wǎng)絡(luò )擁塞、丟包等現象時(shí)仍能提供連貫性較好的視頻圖像。視頻壓縮編碼進(jìn)程將編碼后的的視頻存放到已編碼視頻緩沖隊列中，同時(shí)激活或等待直播進(jìn)程和存儲管理進(jìn)程的相應處理。

　　2．2．3 網(wǎng)絡(luò )通信模塊設計

　　網(wǎng)絡(luò )通信模塊是系統的主體部分，它包含三個(gè)數據通道：監聽(tīng)通道、控制通道和視頻數據通道。監聽(tīng)通道用來(lái)傳輸控制前端設備的命令數據；視頻數據通道用來(lái)傳輸各個(gè)組的視頻數據。三個(gè)通道采用不同的通信端口，所以各個(gè)通道傳輸數據彼此獨立。網(wǎng)絡(luò )通信模塊設計開(kāi)發(fā)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )編程接口(Windows Socket，簡(jiǎn)稱(chēng)Winsoek)來(lái)實(shí)現的。按照系統瀏覽器，服務(wù)器的阿絡(luò )傳輸模型。在服務(wù)器端建立了以SOCKET為類(lèi)型的監聽(tīng)套接字、控制套接字；在客戶(hù)端建立了SOCKET類(lèi)型的請求套接字、控制套接字，這些都是采用ICP協(xié)議封裝傳輸數據的。

　　另外，在服務(wù)器和客戶(hù)機兩端都用到了一個(gè)組播類(lèi)(CMuhieast)，它是專(zhuān)門(mén)為視頻傳輸而封裝的類(lèi)。由CObject派生而來(lái)，其中定義了以 SOCKET類(lèi)型的收發(fā)視頻數據的套接宇和組套接字，從而實(shí)現了用組播通信方式來(lái)傳輸UDP協(xié)議封裝的視頻數據包。系統中IP網(wǎng)絡(luò )數據通信流程如圖3所示。 

Linux嵌入式視頻的網(wǎng)絡(luò )監控系統設計