引言

目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化已成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)采用OMAP5912 處理器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于B/S模式的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，不僅解決了傳統(tǒng)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的弊端，而且彌補(bǔ)了單核處理器在視頻編碼方面的不足。

OMAP5912是由ARM926EJ-S MPU內(nèi)核和TMS320C55x DSP內(nèi)核組成的雙核處理器， ARM926 可滿足控制和接口方面的處理需要，而且支持廣泛的操作系統(tǒng)，而C55x系列DSP可提供對(duì)低功耗應(yīng)用的實(shí)時(shí)多媒體處理的支持。因此，將OMAP5912用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)中時(shí)，可以利用ARM核實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口、控制和通訊，利用DSP核實(shí)現(xiàn)視頻編碼，從而可以組成一個(gè)高速、清晰、低功耗、具有良好人機(jī)交互的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以O(shè)MAP5912電路板和攝像頭為硬件，以Montavist Linux操作系統(tǒng)，攝像頭驅(qū)動(dòng)程序、H.264編碼器、網(wǎng)絡(luò)通信程序?yàn)檐浖詭E瀏覽器的PC機(jī)為監(jiān)控端。在服務(wù)器端OMAP5912的ARM核通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)攝像頭進(jìn)行視頻采集，利用DSP/BIOS Bridge將獲得的視頻傳送給DSP核，DSP核利用優(yōu)化后的H.264編碼器對(duì)視頻編碼，然后將編碼后的視頻回送給ARM核，ARM核通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信程序與監(jiān)控端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。用戶監(jiān)控端對(duì)視頻解碼并播放視頻，同時(shí)可以通過(guò)IE瀏覽器對(duì)攝像頭進(jìn)行控制及參數(shù)設(shè)置。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)即為OMAP5912電路板的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中，電源管理芯片采用TPS65010；DDR采用K4X56163PE芯片；NOR FLASH采用兩MT28F128J3FS-12芯片；音頻CODEC芯片采用TLV320AIC23；以太網(wǎng)接口芯片采用LAN91C96；另外還設(shè)計(jì)有USB接口、UART接口、音頻輸入輸出接口、JATG/Multi-ICE仿真調(diào)試接口及四個(gè)擴(kuò)展接口。OMAP5912 電路板原理框圖如圖2所示。

圖2 OMAP5912電路板原理框圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是采集視頻并進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，軟件部分設(shè)計(jì)主要包括軟件平臺(tái)的構(gòu)建、攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)、視頻采集和視頻編碼的實(shí)現(xiàn)、嵌入式WEB服務(wù)器的構(gòu)建、視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。

1）開(kāi)發(fā)平臺(tái)的建立

在應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)前，首先需要在OMAP5912電路板中建立起軟件平臺(tái)，主要步驟如下：

（1）在PC機(jī)中安裝MontaVista Linux嵌入式操作系統(tǒng)。

（2）移植u_boot到目標(biāo)板中

（3）Linux內(nèi)核配置并增加如下兩個(gè)模塊：

①M(fèi)ultimedia devices→《*》Video For Linux→［*］V4L information in proc filesystem；

②USB Support→USB Multimedia devices→《*》USB OV511 Camera support；

修改一些參數(shù)，其中最重要的是修改Makefile文件：

ARCH：= OMAP

CROSS_COMPILE=arm_v4t_le-

最后執(zhí)行如下命令生成內(nèi)核鏡像文件：

#make dep #創(chuàng)建內(nèi)核依賴關(guān)系

#make clean #清除中間文件

#make uImage #創(chuàng)建內(nèi)核鏡像文件（4）使用tftp方式下載內(nèi)核鏡像文件

（5）掛載根文件系統(tǒng)

在應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一般通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以N FS方式來(lái)掛載在L inux主機(jī)上的文件系統(tǒng)， 這樣就不必要每次有改動(dòng)都要重新燒寫文件系統(tǒng)的鏡像文件。它的實(shí)現(xiàn)基于對(duì)主機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的配置并啟動(dòng)N FS 服務(wù)， 向Linux 主機(jī)的/etc/exports文件添加下列一行：

/home/luowei/montavista/filesys *（rw，no_root_squash，no_all_squash，sync）

并運(yùn)行下列命令使得設(shè)置生效：

#exportfs –a

#service nfs restart

說(shuō)明：/home/luowei/montavista/filesys為本人宿主機(jī)上的根文件系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際情況修改。

（6）系統(tǒng)測(cè)試

在/home/luowei/montavista/filesys/home建立一個(gè)hello.c文件，并使用如下命令編譯成目標(biāo)板可執(zhí)行文件hello：

/opt/montavista/previewkit/arm/v4t_le/bin/arm_v4t_le-gcc –o hello hello.c

進(jìn)入目標(biāo)板上相同目錄并執(zhí)行。/hello，若能正確運(yùn)行，表明系統(tǒng)搭建成功。

2）視頻采集和編碼

（1）攝像頭驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序的作用在于把設(shè)備映射為一個(gè)特殊的設(shè)備文件， 用戶程序可以像對(duì)其它文件一樣對(duì)此設(shè)備文件進(jìn)行操作［2］。系統(tǒng)的攝像頭驅(qū)動(dòng)程序包括攝像頭打開(kāi)模塊Camera_Open（）、攝像頭控制模塊（包括中斷請(qǐng)求，攝像頭初始化、啟動(dòng)、攝像頭寄存器設(shè)置、DMA請(qǐng)求及啟動(dòng)）和攝像頭關(guān)閉模塊Camera_Release（）。然后將驅(qū)動(dòng)程序定義在struct file_operations中，供內(nèi)核Video4Linux的API函數(shù)調(diào)用。考慮到Linux自帶OV511的驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)計(jì)采用OV511芯片的網(wǎng)眼攝像頭OV3000。

（2）視頻采集

設(shè)計(jì)使用Video4Linux模塊［5］提供的API函數(shù)進(jìn)行視頻采集，主要函數(shù)包括：

①dev？=？open（Camera_Open？，O_？RDWR）;打開(kāi)視頻捕獲設(shè)備。

②ioctl？（dev？，？VIDIOCGCAP？，？&vid_

caps）？獲取該視頻設(shè)備的相關(guān)性能。

③ioctl？（dev？，？VIDIOCGCHAN？，？&vid_

chnl）;獲取攝像頭通道的相關(guān)參數(shù)。

④ioctl？（dev？，？VIDIOCGFBUF？，？&vid_

buf）？;獲取幀緩沖的屬性。

⑤ioctl？（dev？，？VIDIOCGPICT？，？&vid_pi）;獲取圖片采集的設(shè)置。

⑥ioctl？（dev？，？VIDIOCSPICT？，？&vid_pic）;設(shè)置圖片采集的相關(guān)參數(shù)，包括顏色深度、調(diào)色板類型、亮度、對(duì)比度等。

⑦ioctl？（dev？，？VIDIOCSWIN？，？&vid_win）;設(shè)置圖像采集的視區(qū)參數(shù)。

⑧fwrite？（m_buf？，1？，230400？，p）？;采集的數(shù)據(jù)存入。

⑨ioctl？（？dev？，？VIDIOCMCAPTURE？，？

&vid_mmap）;開(kāi)始俘獲一幀。

設(shè)計(jì)中使用內(nèi)存映射mmap（）［3］方式截取視頻幀，即先使用ioctl（）函數(shù)獲得攝像頭存儲(chǔ)緩沖區(qū)的幀信息，之后修改video_mmap中的設(shè)置，接著使用mmap（）把攝像頭對(duì)應(yīng)設(shè)備文件映射到內(nèi)存區(qū)，完成視頻采集。

（3）視頻編碼

設(shè)計(jì)采用OMAP5912的DSP核進(jìn)行視頻編碼，能充分發(fā)揮OMAP5912的雙核優(yōu)勢(shì)。在編碼器的選擇上，考慮到H.264和以前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（如H.263和MPEG-4）相比，在壓縮性能上有較大的提高，本設(shè)計(jì)選擇適合嵌入式系統(tǒng)的x264-20060612版本H.264編碼器。考慮到監(jiān)控視頻場(chǎng)景的特點(diǎn)，選擇如下編碼方案：

①H.264的baseline，不采用B幀編碼和CABAC；

②搜索范圍選取16；

③量化參數(shù)選取32；

④1/2像素插值；

⑤只使用1個(gè)參考幀；

⑥編碼P幀宏塊的時(shí)只采用16×16，16×8，8×16，8×8，Intra16×16五種模式。

H.264編碼器經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化后即可用于本系統(tǒng)，其工作流程如圖3所示。

3）視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸

考慮到B/S模式拓展性好、維護(hù)和升級(jí)容易、安全度較高等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用B/S模式。用戶只需要在遠(yuǎn)程客戶機(jī)的網(wǎng)頁(yè)地址欄內(nèi)輸入服務(wù)器的IP地址，通過(guò)瀏覽器就能實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)視頻畫面。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信程序的設(shè)計(jì)包括服務(wù)端和監(jiān)控端的設(shè)計(jì)，其中監(jiān)控端采用通用的IE瀏覽器即可，主要是服務(wù)器部分的設(shè)計(jì)，包括構(gòu)建WEB服務(wù)器［4］（主要涉及BOA Web Server的移植及配置， CGI腳本的創(chuàng)建）、C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）、實(shí)現(xiàn)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)和制作簡(jiǎn)單網(wǎng)頁(yè)等。其中，CGI為WEB服務(wù)器和應(yīng)用程序的接口，如通過(guò)CGI程序?qū)h(yuǎn)程設(shè)備的進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；采用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)MSQL用于存取系統(tǒng)的重要信息，如用戶的帳號(hào)、密碼，攝像頭參數(shù)等。采用B/S模式后，服務(wù)器和監(jiān)控端的通信程序結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 服務(wù)器和監(jiān)控端的通信程序結(jié)構(gòu)圖

嵌入式WEB服務(wù)器部分程序如下。

//創(chuàng)建TCP套接字連接TCP網(wǎng)絡(luò)

if（（sock_fd=socket（AF_INET，SOCK_STREAM，0））==-1）

{

perror（“sock_fd error”）;

exit（1）;

}

setsockopt（sock_fd，SOL_SOCKET，SO_REUSEADDR，&on，sizeof（on））;

//為套接字分配HTTP協(xié)議地址

my_addr.sin_family=AF_INET;

ddr.sin_port=htons（80）;

my_addr.sin_addr.s_addr=htons（INADDR_ANY）;

if（bind（sock_fd，（struct sockaddr*）&my_addr，sizeof（their_addr））==-1）

{

perror（“bind errorn”）;

exit（1）;

}

……

if（！fork（））

{

recv（new_fd，http_rec，2048，0）;//接收用戶端控制命令

//捕捉圖像

image=videograb（320，240，brightness，contrast，colour，hue）;

……

}

系統(tǒng)充分發(fā)揮了OMAP5912的雙核優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了視頻實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、編碼及網(wǎng)絡(luò)傳輸。視頻監(jiān)控用戶界面效果圖如圖5所示。

結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于OMAP5912的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)充分發(fā)揮了OMAP5912的雙核優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器端進(jìn)行視頻的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、編碼及網(wǎng)絡(luò)傳輸，而監(jiān)控端的PC機(jī)可以通過(guò)IE瀏覽器查看監(jiān)測(cè)點(diǎn)的視頻，也可以設(shè)置視頻的分辨率、亮度、對(duì)比度等參數(shù)。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，視頻流暢，能夠滿足遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的要求。

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