基于ARM的視頻監控終端的設計與實現

系統的軟件設計

　　視頻監控終端的軟件設計主要完成兩方面的工作：

　　（1）在硬件上搭建一個軟件平臺，搭建嵌入式Linux軟件開發平臺需要完成UBOOT移植、嵌入式Linux操作系統內核移植以及嵌入式Linux操作系統的設備驅動程序的開發等工作。

　　（2）在軟件平臺的基礎上，開發系統的應用程序。借助交叉編譯工具,開發視頻監控終端上運行的采集、壓縮、傳輸程序。

　　構建基于S3C2410的Linux平臺
　　Linux具有許多優點，如開放源碼；功能強大的內核，支持多用戶、多線程、多進程、實時性好、功能強大穩定；大小功能可定制；支持多種體系結構。

　　構建嵌入式Linux開發平臺需要先構建交叉編譯環境，如圖4所示。一套完整的交叉編譯環境包括主機和目標機。在開發中主機是一臺裝有紅帽公司的FedoreCore 2操作系統的PC機，目標機是基于S3C2410的視頻監控終端。選用的交叉編譯器是GCC3.3.4 for ARM版，嵌入式Linux內核源代碼包版本號為2.6.8RC。

　　2.6.8RC版的Linux內核源代碼包中包含了所有的功能模塊。系統中只用到了其中的一部分。因此，編譯內核之前首先要配置內核，裁減掉冗余的功能模塊，經過定制的內核才符合系統設計。具體步驟如下：

　　（1）鍵入命令make menuconfig，對內核進行配置，選擇YAFFS文件系統，支持NFS啟動，系統使用的是USB接口的攝像頭，故要啟用USB設備支持模塊，包括USB設備文件支持模塊、USB主控制器驅動模塊等。此外，USB攝像頭屬于視頻設備，為了使應用程序能夠訪問它，還需要啟用Video4Linux模塊。

　　（2）用make dep命令生成內核程序間依賴關系。

　　（3）make zImage命令生成內核映像文件。

　　（4）make modules和make modules_install命令生成系統可加載模塊。

　　這樣就生成了zImage內核映像文件，把它下載到目標平臺的Flash中。

　　本設計采用USB外置攝像頭，在內核配置時要求以模塊形式加載。首先要完成驅動程序，驅動中需要提供基本的I/O操作接口函數open、read、write、close的實現，對中斷的處理實現，內存映射功能以及對I/O通道的控制接口函數ioctl等，并把他們定義在struct file_operations中。這樣當應用程序對設備文件進行諸如open、close、read、write等，系統調用操作時，嵌入式Linux內核將通過file_operations結構訪問驅動程序提供的函數。接著把USB驅動程序編譯成可以動態加載的模塊，這樣攝像頭就可正常工作了。

　　視頻監控終端軟件的設計
　　視頻監控終端軟件按功能分為三部分：視頻采集、壓縮、傳輸。這個軟件的開發都是基于先前配置好的嵌入式內核。

　　(1）視頻采集部分

　　使用Video4Linux接口函數訪問USB攝像頭設備，捕獲實時的視頻流。首先完成v4l_struct數據結構的定義，如設備基本信息，圖像屬性，各個信號源屬性等；采集模塊一方面通過USB集線器采集USB攝像頭中的圖像，另一方面啟動多個采集線程，分別在不同的端口上監聽，一旦有請求連接，采集線程立即從設備緩沖區中把視頻流數據讀出，放入到視頻處理緩沖區中進行下一步的處理。

　　(2）視頻數據的壓縮部分

　　在視頻監控系統中，大量的數據需要通過網絡傳輸，為了保證傳輸質量和傳輸實時性，就需要在傳輸之前進行編碼壓縮以減少數據量，本文采用MPEG-4編碼標準進行數據壓縮。在網絡上可以下載到開源的xvidcore軟件作為視頻壓縮的核心算法，xvidcore是一個高效的、移植性很強的多媒體編碼軟件，將它在PC機上進行交叉編譯，生成的文件拷貝到目標系統下。

　　(3) 視頻數據傳輸部分

　　傳輸模塊的作用在于把壓縮之后的視頻流傳送到遠程的PC機客戶上，視頻流數據的傳輸是基于TCP/IP協議。視頻傳輸采用了標準的RTP傳輸協議。RTP是目前解決流媒體實時傳輸問題的最好辦法，在Linux平臺上進行實時流媒體編程，需要使用一些開放源代碼的RTP庫，如LIBRTP、JRTPLIB等。定義一種較為簡單的握手協議：PC機端的采集程序不停地發請求數據包到采集終端，采集終端把已經捕獲的圖像打包返回給主機。每個RTP信息包被封裝在UDP消息段中，然后再封裝在IP數據包中發送出去。接收方自動組裝接收到的數據幀，還原成視頻數據。

結束語

　　本文介紹了一種基于ARM的視頻監控系統的設計方案，采用軟壓縮算法，討論了系統的硬件和軟件設計。本系統和市場上其它視頻監控系統相比，開發周期短，價格低廉，適用于對視頻圖像要求不太高的場合。