基于Linux的嵌入式網絡攝像機設計

　　本嵌入式網絡攝像機采用高性能ARM9芯片微處理器，內置嵌入式Web服務器。

　　通過嵌入式多任務操作系統采集攝像機視頻數據;采集的視頻信號數字化后經MJPEG算法壓縮，再通過內部總線送到內置的Web服務器;使用者可以直接用瀏覽器觀看Web服務器上的攝像機圖像;通過通用網關接口CGI，授權用戶還可以控制攝像機、云臺和鏡頭的動作或直接通過Web頁面對系統進行配置。

　　引言

　　基于同軸電纜的視頻監控系統結構復雜、穩定性差、可靠性低且價格昂貴，因而出現了嵌入式網絡攝像機等遠程Web視頻監控系統。本嵌入式網絡攝像機，采用高性能的ARM9芯片作微處理器，內置嵌入式Web服務器—Boa，通過嵌入式多任務操作系統—Linux采集攝像機視頻數據;攝像機采集的視頻信號數字化后經MJPEG算法壓縮，壓縮后的視頻流再通過內部總線送到內置的Web服務器;通過在網頁中嵌入圖像播放器，用戶可以直接通過瀏覽器觀看Web服務器上的攝像機圖像;通過通用網關接口CGI，授權用戶還可以控制攝像機、云臺和鏡頭的動作或直接通過Web實現對系統進行配置。

　　1 嵌入式網絡攝像機系統原理及組成結構

　　嵌入式網絡攝像機的基本原理：在嵌入式Linux操作系統中內置Web服務器Boa，攝像機采集視頻信號并將其數字化，經MJPEG壓縮后，傳送到內置的Web服務器，通過Web頁面將視頻信息發布到Internet。由于嵌入式網絡攝像機是視頻采集終端和Web服務器的融合，因此，用戶可以直接通過瀏覽器觀看攝像機拍攝的視頻圖像，達到遠程監控的目的。

　　整個系統由視頻采集模塊、視頻壓縮模塊、Web服務器、通用網關接口、Web頁面等5個部分組成。 其硬件結構如圖1所示：

　　圖1 嵌入式網絡攝像機硬件結構圖

　　視頻采集模塊包括以S3C2410X為核心的中央控制和數據處理中心，以及USB Camera數據采集單元。中央控制和數據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服務器完成基本服務器的功能，負責響應HTTP請求，配合視頻采集、壓縮模塊完成圖像信息發布;通用網關接口—CGI，可以根據用戶輸入的數據信息，控制攝像機、云臺和鏡頭的動作或直接通過Web實現對系統進行配置。

　　嵌入式微處理器是嵌入式系統的“硬核”。微處理器的選擇將對整個嵌入式系統的成本和性能產生決定性的影響。目前，比較流行的處理器主要有：Power PC 、MIPS、Intel、ARM等。ARM(Advanced RISC Machines)公司是一家全球領先的嵌入式微處理器IP(Intellectual Property )核提供商，它設計了一系列高性能、低功耗、低成本和高可靠性的RISC處理器核、外圍部件和系統級芯片應用解決方案。當前，ARM系列微處理器核廣泛應用于便攜式通訊設備、手持終端、多媒體數字消費產品等嵌入式系統解決方案中。本設計選用以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。

　　操作系統是嵌入式系統的“軟核”。早期的嵌入式系統，由于當時還沒有操作系統的概念，系統的主要功能都是用匯編語言實現的，其兼容性、通用性及擴展性都很差。隨著硬件性能不斷提高，在嵌入式系統中使用通用操作系統已成為現實。在嵌入式系統中引入操作系統后，利用軟件工程的思想指導嵌入式系統開發，其開發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有：VxWorks、Neculeus、WindowsCE、Linux等。相對其它商業操作系統，Linux這個開源網絡操作系統有以下獨特優勢：

　　(1) 價格低廉。在保證產品性能的前提下，價格永遠都是系統設計時必須考慮的重用因素之一。由于Linux來源于開源社區，相對于其它商業操作系統，其價格幾乎為零。

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

　　(3)網絡性能優良。與Unix一脈相承的Linux支持多種網絡協議，并能夠使系統長期穩定運行。

　　(4)知識創新。在國產操作系統中，嵌入式操作系統被認為是唯一可以趕超國外同行的操作系統。而Linux是操作系統中的佼佼者，任何人都可以遵照GPL規則發布包含自己知識產權的產品，可以高效地進行知識創新，少走彎路。

　　為此，本設計選用高性能ARM9芯片和嵌入式Linux操作系統。

　　2 視頻采集模塊設計與實現

　　視頻采集模塊是嵌入式網絡攝像機的核心模塊之一。它通過嵌入式Linux操作系統調度V4L(video4linux)和影像設備驅動程序來完成視頻捕獲。V4L是Linux影像系統與嵌入式影像的基礎，是Linux kernel里支持影像設備的一組APIs，配合適當的視頻采集卡與視頻采集卡驅動程序，V4L可以實現影像采集、AM/FM無線廣播、影像CODEC、頻道切換等功能。目前，V4L主要應用在影像串流系統與嵌入式影像系統里，其應用范圍相當廣泛，例如：遠程教學、遠程醫療、視頻會議、視頻監控、可視電話等。V4L為2層式架構，最上層為V4L驅動程序，最下層則是影像設備驅動程序。

　　在Linux操作系統中，外部設備都作為設備文件來處理，因此，對外部設備的操作就轉變成對設備文件的操作。視頻設備文件位于/dev/目錄下，一般情況下為video0。當攝像機通過USB接口連接到視頻采集終端后，在程序中調用V4L APIs對設備文件video0的讀操作即可實現攝像頭視頻數據采集。其主要過程如下：

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

　　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設置norm：int v4l_set_norm(v4l_device *vd, int norm){} 對所有的channel設置norm;

　　5) 設備地址映射：v4l_mmap_init(v4l_device *vd){} 返回存放圖像數據的地址;

　　6) 初始化mmap緩沖區： 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，即可將攝像機視頻數據采集到內存。采集到內存的視頻數據既可采用文件的形式保存，也可將其壓縮后通過網絡發布到Internet。本設計采用后一種處理方法，即：將采集的視頻數據經MJPEG壓縮，生成視頻數據流并發布到Internet。

　　3 視頻壓縮模塊設計

　　由于攝像機采集到的視頻數據信息量較大，如果直接將其處理成視頻，將會給視頻處理和網絡數據傳輸帶來很大的負擔。因此，本設計采用高性能ARM9處理器對采集到的數據進行MJPEG壓縮。

　　JPEG(Joint Photographic Experts Group)—聯合圖像專家組的簡稱，它的主要目標是研究具有連續色調圖像(包括灰度和彩色圖像)的壓縮算法，是MJPEG的基礎。JPEG算法被確定為靜態數字圖像壓縮的國際標準，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圖像壓縮。由于JPEG壓縮采用的是全彩影像標準，其主要處理過程包括：色彩模型轉換、離散余弦—DCT變換、重排DCT結果、量化、編碼等。

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

　　4 Web服務器設計

　　在資源有限的嵌入式設備中可以使用的輕量級Web Server有：httpd、thttpd、boa等。本設計選用開源的、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目錄。

　　(2)在目錄boa/src下的defines.h文件頂部設置默認的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)執行make編譯boa后即在src/目錄下生成可執行文件boa。

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

　　5 瀏覽器與服務器之間的通信—通用網關接口

　　CGI(Common Gateway Interface)是外部應用擴展程序與WWW服務器交互的一個標準接口。按照CGI標準編寫的外部擴展程序能夠處理客戶端瀏覽器輸入的數據，從而完成客戶端與服務器的交互、實現動態Web技術。在本設計中，當用戶通過瀏覽器向網絡攝像機發送控制信息(比如控制攝像機云臺的動作等)時，服務器守護進程啟動CGI模塊，CGI模塊通過串口將控制傳給服務器。如圖二所示：

　　圖2 CGI控制云臺動作原理流程圖

　　6 Web頁面的設計

　　在本嵌入式網絡攝像機中，Web頁面的主要功能是顯示Web頁面及動態視頻信息。由于標準的html網頁只具有顯示文字和圖片的功能，因而無法在標準的html網頁里嵌入一個窗口來“實時”觀看視頻圖像。解決這個問題的一種方法是將“實時”視頻監控軟件嵌入到網頁中。Microsoft 制定了ActiveX規范，只要符合這個規范的軟件都可以嵌入到網頁中。為了能滿足多人同時“實時”觀看視頻圖像，在本設計中選用標準ActiveX控件—VgPlayerObject來實現這一功能。

　　7 結束語

　　本文提出了一種基于ARM S3C2410X和Linux的嵌入式網絡攝像機設計。采用嵌入式Linux操作系統進行視頻采集、壓縮并通過ActiveX控件顯示動態視頻，通過嵌入式Web Server和CGI技術融合整個系統，形成一套完整的網絡攝像機系統解決方案。由于系統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，因此該系統具有結構簡單、性能穩定、成本低廉等優點，在油田、油氣井現場視頻實時監控、智能小區、移動監控等領域具有廣闊的應用前景。

　　本文作者創新點:成功將CGI技術應用到嵌入式網絡攝像機中，利用簡單的方法實現了用戶和嵌入式系統的交互，本網絡攝像機在智能監控和移動監控中有廣闊的應用前景。

　　參考文獻：

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