嵌入式在小型網絡視頻服務器中的應用

視頻監控系統是安全防范系統的重要組成部分，它是一種防范能力較強的綜合系統，以其直觀、方便、信息內容豐富而廣泛應用于許多場合。近年來，隨著計算機技術、圖像處理技術以及網絡傳輸技術的飛速發展，視頻監控技術也有長足的發展，目前已經發展到第三代的嵌入式網絡監控系統。

1 視頻監控系統的發展現狀及趨勢

在數字視頻和計算機網絡等新技術的推動下。網絡數字視頻監控技術日趨成熟，并已經逐步深入到社會生活的各個領域，一躍成為現代多媒體技術及網絡技術的一個重要研究方向。從第一代基于模擬攝像機的模擬監控系統，到第二代基于數字攝像機的數字監控系統，再到第三代基于網絡攝像機的網絡數字監控系統，監控系統已經經歷了三個發展階段。[1]

1．1模擬視頻監控系統

模擬監控系統發展較早，目前常稱為第一代監控系統。模擬視頻系統存在的問題：(1)只適用于較小的地理范圍。(2)與信息系統無法交換數據。(3)監控僅限于監控中心．應用的靈活性較差。(4)不易擴展。

1．2基于微機平臺的數字視頻監控(DVR)

DVR是近幾年迅速發展的第二代監控系統．采用微機和Windows平臺，在計算機中安裝視頻壓縮卡和相應的DVR軟件，不同型號視頻卡可連接1／2／4路視頻，支持實時視頻和音頻，是第一代模擬監控系統升級實現數字化的可選方案，適合傳統監控系統的改造，不適合新建的監控系統、又要求實現遠程視頻傳輸(超過1—2公里)的系統。DVR系統從監控點到監控中心為模擬方式傳輸．與第一代系統相似存在許多缺陷，要實現遠距離視頻傳輸需鋪設(租用)光纜、在光纜兩端安裝視頻光端機設備，系統建設成本高，不易維護、且維護費用較大。

1．3基于嵌入式視頻服務器的網絡化視頻監控

隨著Internet和寬帶網絡技術的日益發展．傳統的以文字和圖片為主的內容服務已不能滿足用戶的需求，具有視頻和音頻的多媒體內容服務即將成為主流，這是互聯網技術發展的必然趨勢。網絡視頻監控系統使用現有的網絡系統，采用嵌入式的“網絡視頻服務器”，實現從監控點前端、監控中心、監控工作站的數字化處理，是監控系統發展的必然趨勢。網絡視頻系統與上述第一、二代系統相比具有明顯的優勢：(1)用現有的網絡資源，不需要為新建監控鋪設光纜、增加設備，實現遠程視頻監控。(2)系統擴展能力強，只要有網絡的地方增加監控點設備就可擴展新的監控點，維護費用低，網絡維護由網絡提供商維護，前端設備是即插即用、免維護系統。(3)系統功能強大、利用靈活、全數字化錄像方便于保存和檢索。(4)在網絡中的每一臺計算機，只要安裝了客戶端的軟件．給予相應的權限就可成為監控工作站。嵌入式設備的監控系統的優點是，系統是專門設計的獨立設備，不像插卡系統那樣受通用計算機系統中其他軟、硬件的影響，因此性能上更穩定，且便于安裝、管理和維護。我們根據實際的需要，開發了一套基于嵌入式系統的智能視頻監控設備。本文著重介紹其硬件實現

2 系統的硬件設計

整個系統由圖像采集模塊、圖像處理模塊、USB HOST接口的存儲模塊、10/100M以太網接口等五部分組成，其主要設計思想是(見圖一)：將CCD攝像頭采集的模擬信號送入圖像采集模塊進行A/D轉換，然后在時序和控制信號的作用下，把圖像數據送到AT91RM9200，AT91RM9200對采集來的圖像進行實時處理和分析，判斷圖像中是否有動目標，并提取出動目標，再將當前圖像中動目標的位置信息和最近被記錄下的圖像中動目標的位置信息進行相似度比較，決定是否記錄當前圖像。這樣的方法能有效的避免長時間記錄靜止不變的圖像，減少了存儲介質的浪費，也減輕了資料檢索的工作量。為了方便資料的存儲與提取，給AT91RM9200的USB HOST接口接USB存儲設備來存儲圖像數據，最后通過把圖像數據通過因特網傳輸到用戶終端。

???
圖一 系統框圖

圖像采集模塊

系統使用的圖像采集設備是CCD攝像頭，成像器件：1／4 ＂SHARP CCD，有效像素：PAL:512x582、NTSC:512x492；水平清晰度：420TV LINE；掃描頻率：PAL/NTSC: 50Hz/60Hz。
由于CCD輸出的是模擬信號，要經AD轉換才能送給CPU進行處理，ADC芯片采用Philips的SAA7114，SAA7114有六路模擬輸入，內置模擬源選擇器可構成６×ＣＶＢＳ、２×Ｙ／Ｃ?２×ＣＶＢＳ、１×Ｙ／Ｃ和４ ×ＣＶＢＳ；兩路模擬預處理通道，內有抗混迭濾波器；ＣＶＢＳ或Ｙ／Ｃ通道含完全可編程靜態增益控制或自動增益控制功能，對ＣＶＢＳ、Ｙ／Ｃ通道可進行自動鉗位控制；能自動檢測５０Ｈｚ／６０Ｈｚ場頻，并可自動在ＰＡＬ和ＮＴＳＣ制式進行切換；能將ＰＡＬ、ＮＴＳＣ和ＳＥＣＡＭ信號解碼及模數變換得到符合ＩＴＵ－６０１／ＩＴＵ－６５６的數字電視信號。該芯片是目前視頻解碼芯片中接收視頻源的寬容性及視頻解碼圖像質量最好的一種。其通過Ｉ２Ｃ接口，進行初始化設置。SAA7114的 A/D轉換精度是9b，并行輸出8b視頻輸出帶為27 MHz。每一個時鐘周期(1/27MHz)并行輸出1個字節，除了輸出數字象素外，SAA7114還輸出時鐘信號以同步。可以通過設置SAA7114的相關寄存器來控制SAA7114輸出圖像的尺寸。[3]
同步FIFO采用TI公司的SN74ACT7881，大小為1024b×18，同步FIFO與SAA7114的接口速度為27MHz，寬度為8b。FIFO與AT91RM9200的接口速度可以配置為27MHz，寬度為16b。當FIFO中快寫滿數據時，給AT91RM9200發出控制信號以使AT91RM9200產生中斷，取走FIFO中的數據。

圖二? 圖像采集模塊
???????????????????
3.2圖像處理模塊

AT91RM9200是圖像處理模塊的核心部件，主要完成系統初始化和后續的圖像處理，系統采用ATMEL公司的AT91RM9200。該芯片融合了ARM920T ARMThumb 處理器，工作于180 MHz時性能高達200 MIPS，存儲器管理單元，16-K 字節的數據緩存，16-K字節的指令緩存， 支持SDRAM，靜態存儲器，Burst Flash，無縫連接的CompactFlash，SmartMedia及NAND Flash。存儲控制器(MC) 管理ASB 總線并最多達4 個主機的訪問控制。它通過一個總線判決器和一個地址譯碼器將4G字節的地址空間分區來訪問內置的SRAM與ROM，內置外設及通過外部總線接口(EBI) 的外部存儲器 。它還可通過一個異常中止狀態與一個失調檢波器來幫助應用程序調試。SAA7114的初始化接口采用AT91RM9200的兩線接口（TWI），圖1是AT91RM9200跟SAA7114的連接圖。

圖三? AT91RM9200與SAA7114的連接圖

3.3 數據存儲部分設計

由于CCD攝取的圖像數據很大，而系統的自帶的存儲器無法滿足大量數據的存儲要求，因此我們利用的RM9200自帶的USB2.0主機端口來外接移動移動硬盤來存儲圖像數據。

USB主機端口在主機應用中與USB連接。它處理開HCI協議(開主機控制器接口)及USB v2.0全速與低速協議。它還給ASB提供簡單的讀/ 寫協議。USB 主機端口集成一個根集線器，并在下游端口集成收發器。它提供幾個半雙工高速串行通信端口，速率為12 Mbit/s。最多可連接127 個USB 器件( 打印機、照相機、鼠標、鍵盤、硬盤等)，而USB集線器可使用“ 分層星型”布局與USB 主機連接。USB主機端口控制器與開HCI規范完全兼容。

3.4 網絡傳輸部分設計
圖像數據由CCD攝像頭采集后傳回嵌入系統，系統數據保存在外帶的移動硬盤中，而遠程的客戶端則通過Internet來訪問和讀取系統的圖像信息。系統的以太網部分采用RM9200自帶的的10/100自適應以太網接口。

圖四? 為以太網模塊的硬件圖

圖四為以太網模塊的硬件圖，當使用AT91RM9200的以太網接口，在片以太網卡進行數據的發送時，根據以太網協議IEEE802．3／l，完成網絡邏輯層和物理層之間MAC的工作。運用DMA通道進行數據的發送，不影響AT91RM9200的Processor正常運行。[4]首先正確設置傳送控制寄存器和傳送地址寄存器的傳送數據塊字節數、數據塊存儲首地址等參數，隨后依次從指定數據存儲區地址取32b數據，送人內部發送緩沖器中，由MAC對數據進行封裝發送，同時記錄已傳送字節數，直到數據塊發送完畢。當發送完一組數據后，發出DMA中斷請求，由AT91RM9200進行相應的處理。

4?? 小結

本文在充分用AT91RM9200本身的資源的基礎上，實現一種小型網絡視頻服務器的硬件架構，不僅能輕而易舉地避免了以往模擬監控系統需要專有布線網絡的問題，輕松解決信號長距離傳輸問題,而且由于采用了嵌入式實時操作系統,大大提高了系統的抗干擾能力,有良好好的可擴展性和經濟實用性.

本文作者創新點：采用了嵌入式實時操作系統,大大提高了小型網絡視頻服務器的抗干擾能力,有良好好的可擴展性和經濟實用。