基于Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)

0 引言

基于同軸電纜的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、可靠性低且價格昂貴，因而出現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等遠(yuǎn)程Web視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，采用高性能的ARM9芯片作微處理器，內(nèi)置嵌入式Web服務(wù)器―Boa，通過嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)―Linux采集攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)；攝像機(jī)采集的視頻信號數(shù)字化后經(jīng)MJPEG算法壓縮，壓縮后的視頻流再通過內(nèi)部總線送到內(nèi)置的Web服務(wù)器；通過在網(wǎng)頁中嵌入圖像播放器，用戶可以直接通過瀏覽器觀看Web服務(wù)器上的攝像機(jī)圖像；通過通用網(wǎng)關(guān)接口CGI，授權(quán)用戶還可以控制攝像機(jī)、云臺和鏡頭的動作或直接通過Web實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行配置。

1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)原理及組成結(jié)構(gòu)

嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的基本原理：在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中內(nèi)置Web服務(wù)器Boa，攝像機(jī)采集視頻信號并將其數(shù)字化，經(jīng)MJPEG壓縮后，傳送到內(nèi)置的Web服務(wù)器，通過Web頁面將視頻信息發(fā)布到Internet。由于嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是視頻采集終端和Web服務(wù)器的融合，因此，用戶可以直接通過瀏覽器觀看攝像機(jī)拍攝的視頻圖像，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

整個系統(tǒng)由視頻采集模塊、視頻壓縮模塊、Web服務(wù)器、通用網(wǎng)關(guān)接口、Web頁面等5個部分組成。 其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

視頻采集模塊包括以S3C2410X為核心的中央控制和數(shù)據(jù)處理中心，以及USB Camera數(shù)據(jù)采集單元。中央控制和數(shù)據(jù)處理中心主要完成視頻采集終端的控制和視頻圖像的壓縮；Web服務(wù)器完成基本服務(wù)器的功能，負(fù)責(zé)響應(yīng)HTTP請求，配合視頻采集、壓縮模塊完成圖像信息發(fā)布；通用網(wǎng)關(guān)接口―CGI，可以根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)信息，控制攝像機(jī)、云臺和鏡頭的動作或直接通過Web實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行配置。

嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的“硬核”。微處理器的選擇將對整個嵌入式系統(tǒng)的成本和性能產(chǎn)生決定性的影響。目前，比較流行的處理器主要有：Power PC 、MIPS、Intel、ARM等。ARM（Advanced RISC Machines）公司是一家全球領(lǐng)先的嵌入式微處理器IP(Intellectual Property )核提供商，它設(shè)計(jì)了一系列高性能、低功耗、低成本和高可靠性的RISC處理器核、外圍部件和系統(tǒng)級芯片應(yīng)用解決方案。當(dāng)前，ARM系列微處理器核廣泛應(yīng)用于便攜式通訊設(shè)備、手持終端、多媒體數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品等嵌入式系統(tǒng)解決方案中。本設(shè)計(jì)選用以ARM920T為核心的S3C2410X 32位微處理器，該處理器集成了LCD控制器、USB Host、USB Slave、NAND控制器、中斷控制、功率控制、UART、SPI、SDI/MMC、IIS、GPIO、RTC、TIMER/PWM、ADC等豐富的資源。

操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的“軟核”。早期的嵌入式系統(tǒng)，由于當(dāng)時還沒有操作系統(tǒng)的概念，系統(tǒng)的主要功能都是用匯編語言實(shí)現(xiàn)的，其兼容性、通用性及擴(kuò)展性都很差。隨著硬件性能不斷提高，在嵌入式系統(tǒng)中使用通用操作系統(tǒng)已成為現(xiàn)實(shí)。在嵌入式系統(tǒng)中引入操作系統(tǒng)后，利用軟件工程的思想指導(dǎo)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，其開發(fā)效率和資源可重用率都將得到很大的提高。目前較為流行的嵌入式操作系統(tǒng)有：VxWorks、Neculeus、WindowsCE、Linux等。相對其它商業(yè)操作系統(tǒng)，Linux這個開源網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)有以下獨(dú)特優(yōu)勢：

（1） 價格低廉。在保證產(chǎn)品性能的前提下，價格永遠(yuǎn)都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時必須考慮的重用因素之一。由于Linux來源于開源社區(qū)，相對于其它商業(yè)操作系統(tǒng)，其價格幾乎為零。

（2） 文檔豐富。全世界的Linux程序員都是技術(shù)顧問，任何人都可以在開源社區(qū)得到其系統(tǒng)所需要的文檔和幫助。

（3） 網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)良。與Unix一脈相承的Linux支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并能夠使系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

（4） 知識創(chuàng)新。在國產(chǎn)操作系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)被認(rèn)為是唯一可以趕超國外同行的操作系統(tǒng)。而Linux是操作系統(tǒng)中的佼佼者，任何人都可以遵照GPL規(guī)則發(fā)布包含自己知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，可以高效地進(jìn)行知識創(chuàng)新，少走彎路。

為此，本設(shè)計(jì)選用高性能ARM9芯片和嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

2 視頻采集模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

視頻采集模塊是嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的核心模塊之一。它通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)調(diào)度V4L（video4linux）和影像設(shè)備驅(qū)動程序來完成視頻捕獲。V4L是Linux影像系統(tǒng)與嵌入式影像的基礎(chǔ)，是Linux kernel里支持影像設(shè)備的一組APIs，配合適當(dāng)?shù)囊曨l采集卡與視頻采集卡驅(qū)動程序，V4L可以實(shí)現(xiàn)影像采集、AM/FM無線廣播、影像CODEC、頻道切換等功能。目前，V4L主要應(yīng)用在影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)里，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，例如：遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、視頻會議、視頻監(jiān)控、可視電話等。V4L為2層式架構(gòu)，最上層為V4L驅(qū)動程序，最下層則是影像設(shè)備驅(qū)動程序。

在Linux操作系統(tǒng)中，外部設(shè)備都作為設(shè)備文件來處理，因此，對外部設(shè)備的操作就轉(zhuǎn)變成對設(shè)備文件的操作。視頻設(shè)備文件位于/dev/目錄下，一般情況下為video0。當(dāng)攝像機(jī)通過USB接口連接到視頻采集終端后，在程序中調(diào)用V4L APIs對設(shè)備文件video0的讀操作即可實(shí)現(xiàn)攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集。其主要過程如下：

1) 打開設(shè)備文件： int v4l_open(char *dev, v4l_device *vd){}打開影像源的設(shè)備文件；

2) 初始化picture： int v4l_get_picture(v4l_device *vd){} 獲取輸入的影像信息；

3) 初始化channel：int v4l_get_channels(v4l_device *vd){} 獲取每個channel的信息；

4) 對channel設(shè)置norm：int v4l_set_norm(v4l_device *vd, int norm){} 對所有的channel設(shè)置norm；

5) 設(shè)備地址映射：v4l_mmap_init(v4l_device *vd){} 返回存放圖像數(shù)據(jù)的地址；

6) 初始化mmap緩沖區(qū)： int v4l_grab_init(v4l_device *vd, int width, int height){}；

7) 視頻捕獲同步： int v4l_grab_sync(v4l_device *vd){}；

8) 視頻捕獲： int device_grab_frame(){}。

通過以上操作，即可將攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)采集到內(nèi)存。采集到內(nèi)存的視頻數(shù)據(jù)既可采用文件的形式保存，也可將其壓縮后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到Internet。本設(shè)計(jì)采用后一種處理方法，即：將采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)MJPEG壓縮，生成視頻數(shù)據(jù)流并發(fā)布到Internet。

3 視頻壓縮模塊設(shè)計(jì)

由于攝像機(jī)采集到的視頻數(shù)據(jù)信息量較大，如果直接將其處理成視頻，將會給視頻處理和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸帶來很大的負(fù)擔(dān)。因此，本設(shè)計(jì)采用高性能ARM9處理器對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行MJPEG壓縮。

JPEG（Joint Photographic Experts Group）―聯(lián)合圖像專家組的簡稱，它的主要目標(biāo)是研究具有連續(xù)色調(diào)圖像（包括灰度和彩色圖像）的壓縮算法，是MJPEG的基礎(chǔ)。JPEG算法被確定為靜態(tài)數(shù)字圖像壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)，不僅適用于靜止圖像壓縮，而且適用于電視圖像序列的幀內(nèi)圖像壓縮。由于JPEG壓縮采用的是全彩影像標(biāo)準(zhǔn)，其主要處理過程包括：色彩模型轉(zhuǎn)換、離散余弦―DCT變換、重排DCT結(jié)果、量化、編碼等。

MJPEG是Motion JPEG的縮寫，即動態(tài)JPEG。它將動畫播放與JPEG結(jié)合，按照25幀/秒的速度使用JPEG算法壓縮視頻信號，完成動態(tài)視頻的壓縮。

4 Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

在資源有限的嵌入式設(shè)備中可以使用的輕量級Web Server有：httpd、thttpd、boa等。本設(shè)計(jì)選用開源的、支持CGI的Boa Web Server，其主要移植過程如下：

（1）到www.boa.org下載最新軟件包并解壓到相關(guān)目錄。

（2）在目錄boa/src下的defines.h文件頂部設(shè)置默認(rèn)的SERVER_ROOT路徑。

（3）選擇交叉編譯工具。在boa目錄下使用 ./configure --host=i686-pc-Linux-gnu --target=arm-Linux 完成對boa的配置。

（4）執(zhí)行make編譯boa后即在src/目錄下生成可執(zhí)行文件boa。

（5）對boa.conf文件進(jìn)行配置。主要完成對boa運(yùn)行的端口號、Server 根目錄、log files、html文件、cgi文件目錄及可讀寫的temp目錄的屬性的設(shè)置。

5 瀏覽器與服務(wù)器之間的通信―通用網(wǎng)關(guān)接口

CGI（Common Gateway Interface）是外部應(yīng)用擴(kuò)展程序與WWW服務(wù)器交互的一個標(biāo)準(zhǔn)接口。按照CGI標(biāo)準(zhǔn)編寫的外部擴(kuò)展程序能夠處理客戶端瀏覽器輸入的數(shù)據(jù)，從而完成客戶端與服務(wù)器的交互、實(shí)現(xiàn)動態(tài)Web技術(shù)。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)用戶通過瀏覽器向網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)發(fā)送控制信息（比如控制攝像機(jī)云臺的動作等）時，服務(wù)器守護(hù)進(jìn)程啟動CGI模塊，CGI模塊通過串口將控制命令傳送給云臺，使云臺執(zhí)行相應(yīng)的動作。其流程圖如圖2所示：

圖2 CGI控制云臺動作原理流程圖

6 Web頁面的設(shè)計(jì)

在本嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中，Web頁面的主要功能是顯示W(wǎng)eb頁面及動態(tài)視頻信息。由于標(biāo)準(zhǔn)的html網(wǎng)頁只具有顯示文字和圖片的功能，因而無法在標(biāo)準(zhǔn)的html網(wǎng)頁里嵌入一個窗口來“實(shí)時”觀看視頻圖像。解決這個問題的一種方法是將“實(shí)時”視頻監(jiān)控軟件嵌入到網(wǎng)頁中。Microsoft 制定了ActiveX規(guī)范，只要符合這個規(guī)范的軟件都可以嵌入到網(wǎng)頁中。為了能滿足多人同時“實(shí)時”觀看視頻圖像，在本設(shè)計(jì)中選用標(biāo)準(zhǔn)ActiveX控件―VgPlayerObject來實(shí)現(xiàn)這一功能。

7 結(jié)束語

本文提出了一種基于ARM S3C2410X和Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)。采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行視頻采集、壓縮并通過ActiveX控件顯示動態(tài)視頻，通過嵌入式Web Server和CGI技術(shù)融合整個系統(tǒng)，形成一套完整的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)解決方案。由于系統(tǒng)采用高性能嵌入式處理器完成主要控制、壓縮和Web處理工作，因此該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在油田、油氣井現(xiàn)場視頻實(shí)時監(jiān)控、智能小區(qū)、移動監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。