【正文】 像解碼的優(yōu)化 ..................................................... 67 獲取壓縮后每 一 幀大小 .................................................... 67 WEB服務器搭建 .......................................................... 68 PC上顯示模塊設計 . ....................................................... 72 保存視頻文件的設計 ......................................................n FTP服務器的設計 . ....................................................... 16 系統(tǒng)運行性能 .......................................................... 77 1 一、 緒論 研究意義 嵌入式是當今最為熱門的概念之一，其應用領域也非常之廣泛，無論是在工業(yè)控制、交通管理、 信息家電、安防，還是個人手持設備，都有著非常廣泛的應用。而且，隨著智能化、信息化和網絡 化發(fā)展， “后 PC時代 ”（ 指的就是各種嵌入式計算機 )已經來臨，這預示著嵌入式系統(tǒng)技術將會獲得 更為廣闊的發(fā)展空間。例如，在通信領域，數(shù)字技術正在全面取代模擬技術；在廣播電視領域，美 國己經開始實施模擬電視數(shù)字化，我國在 2021年之前，也將會全面實現(xiàn)數(shù)字電視；在個人領域，各 種嵌入式產品也將為個人提供移動數(shù)據(jù)處理和網絡通信等功能。而這些都離不開嵌入式系統(tǒng)技術的 應用。 視頻監(jiān)控技術是一門集計算機技術、網絡技術和數(shù)字視頻技術于一體的綜合技術。計算機技術 和多媒體技術的迅速發(fā)展，以及自動控制和多媒體技術也融入到視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控技術也得到 了迅速發(fā)展。過去的視頻監(jiān)控系統(tǒng)多數(shù)以模擬圖象信息為主，由于對圖象 的處理和傳送均采用模擬 技術，不僅圖象質量低，而且系統(tǒng)資源浪費嚴重，不易組成復雜的網絡結構，監(jiān)控功能可擴展性差。 對本課題的研究，即對結合了嵌入式、網絡、圖像處理與數(shù)字視頻技術于一體的嵌入式網絡視 頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究，意義明顯，不但有助于我們解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的缺點，提高監(jiān)控系統(tǒng)功能，而 且更是有實際意義，例如，國際反恐形勢、 2021奧運、國內城鎮(zhèn)化與城市建設、部分應用領域安全 事故頻發(fā)等，這些方面都需要有新一代的監(jiān)控系統(tǒng)保證。而且相對于其他 IT業(yè)務，視頻監(jiān)控業(yè)務顯 得比較年輕正處于蓬勃發(fā)展期，仍有很大的發(fā)展空 間，因此我認為視頻監(jiān)控市場將會是一個很有發(fā) 展?jié)摿Φ氖袌觥? IP是 Inter Protocol (因特網協(xié)議 ） 的縮寫，它是通過計算機網絡進行交流的最常用的協(xié)議 之一。IP監(jiān)控解決方案就是通過有線或者無線 IP網絡把視頻信息以數(shù)字化的形式來進行傳輸。只要 是網絡可以到達的地方就一定可以實現(xiàn)視頻監(jiān)控和記錄，并且這種監(jiān)控還可以與很多其它類型的系 統(tǒng)進行完美的結合。 據(jù)工業(yè)分析師 . Freeman和 Co.， Inc.， 的分析，僅美國安裝的模擬攝像機就有 2， 000萬臺。 而在這 2， 000萬臺中，超過 1， 500萬臺是 2021年出售的。在模擬攝像機銷量如日中天的背景下， 是逐漸浮出水面并且飛速發(fā)展的新一代產品 … 網絡攝像機?？此陌l(fā)展勢頭，人們不難預見到它的 光輝前景；隨著數(shù)字化的理念的逐漸深入人心，在不遠的將來，它一定會取代模擬產品。 網絡攝像機是直接連入 IP網絡的新一代產品，使用戶可以實現(xiàn)遠程網絡上視頻觀看、存儲以及 對采集到的圖像信息做出分析以采取相應的措施。網絡攝像機在 2021年將占到市場的一半份額， 2021 2 年，全球網絡視頻市場將有望達到 7億 9千萬美元。 無論是單獨由網絡攝像機組成的解決方案，還是由模擬攝像機加視頻服務器組成的解決方案， 或者是兩者混合組成的解決方案， IP監(jiān)控都已被證明是一種極具吸引力的解決方案。在越來越多的 原有行業(yè)應用中，這種革命性的技術正在逐步取代傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，在提高安全性的同時也進一步 的降低了成本；而在許多新的應用領域，它還是第一次用到，也因此開創(chuàng)和激發(fā)了許多新的市場。 正是由于它系統(tǒng)的可擴展性， IP監(jiān)控逐漸鞏固了其在現(xiàn)有監(jiān)視和遠程監(jiān)控行業(yè)應用的地位，也 加速了在其他新興行業(yè)的應用，具體包括： 教育：遠程監(jiān)控學校的操場、走廊、大廳 以及教室，也包括對一些建筑物的監(jiān)控； 交通：遠程監(jiān)控火車站、鐵路軌道、高速公路以及機場的安全； 銀行：應用于銀行各分支機構或者是街頭的 ATM取款機，替代繁冗的傳統(tǒng)安全監(jiān)視手段； 政府：安保和監(jiān)視應用，通常集成到已有的系統(tǒng)中； 商場：對各大型超市的分支機構進行安全監(jiān)視和遠程管理，方便快速高效的管理； 工業(yè)：對生產線、后勤部門、庫房存儲系統(tǒng)進行監(jiān)控，提高了廠區(qū)的安全性。 目前，國內外對基于嵌入式網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究，一般集中于嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計、 嵌入式操作系統(tǒng) 的研究、視頻圖像的網絡傳輸以及視頻圖像處理等幾個方面。 在嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計方面一般是考慮系統(tǒng)的整體結構和功能，例如小型網絡攝像機，系 統(tǒng)由圖像傳感器、嵌入式處理器、圖像處理器、網絡接口組成，通過壓縮優(yōu)化算法和背景差分算法 可以使攝像機實現(xiàn)實時的圖像壓縮、傳輸，并能跟蹤目標，該系統(tǒng)的主要特點是實時性的提高；在 嵌入式操作系統(tǒng)方面，一般集中于嵌入式操作系統(tǒng)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究，例如在嵌入式 Linux下對視頻采集設備驅動程序的研究等；在對視頻圖像網絡傳輸?shù)难芯恐?，例如?IP組播方式 下的網絡視頻傳輸 方案，可以大大的節(jié)約網絡帶寬，提高視頻的播放效率或者采用流媒體的格式傳 送視頻圖像數(shù)據(jù)，可以更好的實現(xiàn)視頻的傳輸及播放等；在視頻監(jiān)控領域關于視頻圖像處理的研究 一般是通過一定的圖形分析算法，實現(xiàn)目標識別，目標跟蹤，以及報警等功能。例如利用背景差分 算法在圖像處理中，控制運動模塊使攝像機可以跟蹤信息庫中的目標網等。 隨著壓縮編碼技術、計算機網絡技術和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，以嵌入式視頻服務器為核心的視頻 監(jiān)控系統(tǒng)開始在市場上嶄露頭角，該系統(tǒng)不需要處理模擬視頻信號的 PC， 而是把攝像機輸出的模擬 視頻信號通過內置的嵌入 式視頻編碼器直接轉換成數(shù)字信號，通過計算機網絡傳輸出去，嵌入式視 頻服務器具備視頻編碼處理、網絡通信、自動控制等強大功能，直接支持網絡視頻傳輸和網絡管理， 使得監(jiān)控范圍達到前所未有的廣度。 目前，國內在這方面的研究剛剛起步，隨著數(shù)字技術的發(fā)展、圖像數(shù)字壓縮編碼技術及標準的 改進、芯片成本的不斷下降、從事研究的單位越來越多。 3 現(xiàn)階段，嵌入式網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案主要有以下幾種： 1) 視頻采集芯片 +DSP處理器。該方案中由視頻采集芯片完成圖像的預處理，由 DSP完成圖像 的編碼：基于 MPEG MJPEG標準的壓縮，經以太網網絡傳輸。方案的主要缺點是控制 不夠靈活，不適合作系統(tǒng)控制，因為 DSP通常沒有強大的操作系統(tǒng)。 2) DSP處理器 +嵌入式處理器。該方案采用由 DSP完成基于 MPEG MJPEG標準的 圖像壓縮，在嵌入式處理器上運行嵌入式 OS(如嵌入式 Linux)進行系統(tǒng)控制和網絡傳輸。方案的主 要缺點是：由于有兩個主要的芯片，設計、調試、使用較難，系統(tǒng)成本偏高。 3) 圖像采集芯片 +嵌入式處理器。該方案中，在嵌入式處理器上運行嵌入式 0S(如嵌入式 Linux) 進行系統(tǒng)控制和網絡傳輸。方案的主要缺點是：缺乏強大的圖像處理能力，很難滿足高實時性要求。 4) 其他方案。 DSP中央處理器完成圖像圖像壓縮編碼、編碼數(shù)據(jù)網絡傳輸和本地存儲，采用 CPLD完成圖像采集的控制邏輯的脫機遠程視頻監(jiān)控方案。 系統(tǒng)的主體設計思想是將視頻前端和嵌入式 Web服務器整合在一起，攝像頭傳送來的視頻信號 經過壓縮后，通過內部總線傳送到內置的 Web服務器。該服務器直接接上 Intemet， 網絡上用戶可 以直接用瀏覽器 IE觀看服務器上的監(jiān)控圖像。而且，用戶還可以控制云臺從而對鏡頭的動作 或對系 統(tǒng)進行配置操作。 這種方案是當前應用較為廣泛的方法，使用了近來發(fā)展迅速的嵌入式技術、網絡化技術以及圖 像處理的技術，具有較高的技術水平。由于把視頻采集壓縮和 Web功能集成到一個設備內直接連入 網絡，達到即插即看，省掉很多復雜的電路，安裝也很方便 (僅需設置 IP地址 )，用戶無需使用專用 軟件，在具有網絡接口的地方都可以直接使用。這種視頻監(jiān)控系統(tǒng)除應用于遠程網絡實驗系統(tǒng)中， 也可以應用在其它如交通監(jiān)管，醫(yī)院病床監(jiān)護等各種設備之間距離較大的情況。 客戶機 /服務器結構 (即 c/s結構 )，包括一個客戶端程序和一個 服務器程序 (運行在被控制的計算 機端 )。這種結構可直接由客戶機向服務器發(fā)出具體的請求命令，或由服務器返回信息到客戶機，而 不必通過 Web服務器，從而實現(xiàn)端到端控制，能夠滿足一定的實時性控制要求，是當前流行的一種 網絡控制結構，論文中也采用了曰 S結構。這樣我們就可以通過瀏覽器訪問網關服務器，來得到攝 像機以及其它設備的信息。 采用 C/S結構方案的優(yōu)點在于每一個網絡攝像機都有一個獨立的嵌入式 Web服務器，因此每一 個網絡攝像機都具有獨立的 IP地址，可以被上層系統(tǒng)通過網絡任意訪問。而且每個攝像機都是獨立 工作，獨立傳輸，它們之間不存在任何的隸屬關系，各個單元都能獨立完成各自的任務而不受其它 單元的干預，同時，各個單元之間也能較好的保證在線擴展、在線維護和容錯，可靠性高，符合網 絡測控的要求。系統(tǒng)總體結構如圖 111所示。 4 服務端我們需要移植 Linux到目標平臺上，這里我們采用的目標平始是 EduKitIV教學平臺。移 植操作系統(tǒng)包括 Bootloader的移植，內核移植，文件系統(tǒng)。這里采用的攝像頭是中星微 ZC0303， 采用的 USB接口， USB驅動 Linux內核已支持，另外中星微的驅動我們不難移植。視頻壓縮也不難 做到。另外在 Linux下有很多優(yōu)秀的 Web服務器，如 Boa， 我們僅需移植到 EduKitIV平臺上。當 然這里需要目標平臺能夠上網， EduKitIV采用的是 100M/10M自適應的 DM9000， 其驅動在 Linux 內核已有支持。 PC端，我們所只需其能上網，并且?guī)в袨g覽器即可。 二、嵌入式系統(tǒng)介紹 對于何為嵌入式系統(tǒng)， IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會 )的定義是這樣的：用于控制、監(jiān)控或 者輔助于裝置、機器和工廠車間運行操作的設施 (Devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants)。 這是從應用上加以定義的，而目前國內普遍被認同 的定義是：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁減適合應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成 本、體積、以及功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌 入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設備的 控制、監(jiān)視或管理等功 能。對于這個定義，可以從如下幾個方面來解讀： 1) 嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的 (特別是面向行業(yè)的應用 )，必須與具體的行 業(yè)應用背景相結合，必須具有很強的專用性，而且必須可以根據(jù)實際需要合理裁減、利用。 圖 111總體結構圖 5 2) 嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、微電子技術以及各個行業(yè)的具體應用相結合的產物。 3) 嵌入式系統(tǒng)要求對軟硬件可以裁減，以適合各種需求。特別是對于軟件系統(tǒng)，其核心是往往 是一個幾 KB到幾十 KB的微內核，可以對其進行功能擴展和裁減。 其實，嵌入式系統(tǒng)是一個外延極其廣泛的名詞，但凡與產品相結合的，具有嵌入式特點的系統(tǒng) 都可以看作嵌入式系統(tǒng)，如一個手持 MP3，一個微型工業(yè)控制計算機都可以稱作嵌入式系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)和一般的 PC機上的應用系統(tǒng)不同，它有自己的特點： 1) 嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用的。嵌入式 CPU與通用型的最大不同就是嵌入式 CPU大多 工作在為特定用戶設計的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把在通用 型計算機系統(tǒng)中許多由板卡完成的功能集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計趨于小型化， 移動能力大大增強。 2) 嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè)的具體應用相結合后 的產物。這一點就決定了它必然是一個技術密集、不斷創(chuàng)新的知識密集型系統(tǒng)。 3) 嵌入式系統(tǒng)的硬、軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，針對具體需求，對系統(tǒng) 進行合理配置，達到理想性能。 4) 為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片中，而不是 存貯于磁盤等載體中。由于大部分嵌入式系統(tǒng)必須具有較高的實時性，因此對程序的質量，特別是 6 圖 21嵌入式系統(tǒng)結構圖 入硬系嵌式件紗 一般而言，一個完整的嵌入式系統(tǒng)由四部分組成 :嵌入式微處理器、嵌入式外圍設備、嵌入