【正文】 實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心，其應(yīng)用范圍極為廣泛。面向 21 世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的一種或多種網(wǎng)絡(luò)通信接口，如 IEEE1394,USB, CAN, IrDA 或 Bluetooth, GPRS 等無線網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)也需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件，在這樣的趨勢(shì)下，嵌入式Inter (Embedded Inter )技術(shù)應(yīng)運(yùn)而 生。嵌入式系統(tǒng)小到一個(gè)芯片，大到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 PC 板，種類繁多，形式各異。事實(shí)上，嵌入式設(shè)備在數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)。 嵌入式 Inter 是指設(shè)備通過嵌入式模塊而非 PC 接入 Inter，以 Inter為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息交互的技術(shù)。嵌入 式 Inter 帶來的不僅是傳輸方式的改變，更重要的是拓寬了傳統(tǒng)設(shè)備信息交流的范圍。 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā) 展基本上是從早期的模擬閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)向數(shù)模結(jié)合的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)在的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)演變的過程。模擬監(jiān)控系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)有 : (1)通常只適合于小范圍的區(qū)域監(jiān)控。 (3)無法形成有效的報(bào)警聯(lián)動(dòng)，由于各部分獨(dú)立運(yùn)作，相互之間的控制協(xié)議很難互通，聯(lián)動(dòng)只能在有限的范圍內(nèi)進(jìn)行。前者技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟、性能穩(wěn)定，并在實(shí)際工程應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用 。本文的工作就是開發(fā)一套基于 ARM 處理器和 USB 攝 .像頭的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。 第二章嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)涉及通信技術(shù)和視頻壓縮技術(shù)等多方面要點(diǎn)，良好的總體方案設(shè)計(jì)是系統(tǒng)開發(fā)成功的關(guān)鍵，本章提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案，分別從硬件方案和軟件方案兩個(gè)方面介紹。被控對(duì)象則是 USB 攝像頭、 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)連接模塊，聲音接收器和其他監(jiān)測(cè)傳感器等， 它們接收嵌入式微處理器系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。一般的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)都支持上述 微處理器。 RISC 思想的提出從簡(jiǎn)化指令集的角度降低了微處理器的開發(fā)難度和成本，同時(shí)提高微處理器的并行度。大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成 。后來引入的 Thumb 指令集則大大提高了代碼密度。減少門的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，當(dāng)某個(gè)功能電路不需要時(shí)，禁止門翻轉(zhuǎn) 。 ARM 還其他采用了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積。硬件平臺(tái)上的重要部件有晶振 (時(shí)鐘 )電路，復(fù)位電路，鍵盤、 LED 等人機(jī)交互接口， JTAG 接口電路，存儲(chǔ)系統(tǒng)采用了 64MB的 nand Flash 和 32MB 的 SDRAM。 5 圖 2. 2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)平臺(tái)，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模塊如圖 所示，整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)功能分為 4 個(gè)獨(dú)立的模塊，各功能模塊功能說明如下 : 圖 2. 3 應(yīng)用軟件功能模塊 (1)視頻音頻采集模塊。 (3)圖像壓縮模塊。 6 監(jiān)控系統(tǒng)直接將數(shù)字視頻信號(hào)采集編碼，無需計(jì)算機(jī)的協(xié)助即可獨(dú)立進(jìn)行工作，并通過 GPRS 無線接入模塊 與 Inter 進(jìn)行連接。 (2)視頻采集采用具有 USB 接口的通用外置攝像頭進(jìn)行，使視頻采 集的通用性更好，軟硬件設(shè)計(jì)容易，成本更低 。 (6)聯(lián)網(wǎng)方便，安裝簡(jiǎn)易，充分利用 GPRS 永遠(yuǎn)在線等優(yōu)點(diǎn)。所有這些好處，再加上價(jià)格優(yōu)勢(shì)，使得 Linux 成為嵌入式操作系統(tǒng)的一個(gè)出色的解決方案。系統(tǒng)可裁剪以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)的需求。但是缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，核心源代碼不公開，可移植性差，難以實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)要以最小的軟硬件系統(tǒng)，最低的成本去完成目標(biāo)功能這一特點(diǎn)。 由于 Linux 使用 GPL(GNU General Public License)，所以任何對(duì)將 Linux 定制于 PDA 或者其他移動(dòng)設(shè)備的人都可以從 Inter 上免費(fèi)下載其內(nèi)核和應(yīng)用程序，并開始移植或開發(fā)。 (2)免費(fèi)，可以極大幅度地降低產(chǎn)品成本，在價(jià)格上面擁有優(yōu)勢(shì)，只要不違反 GPL 協(xié)議，就可以自由發(fā)布和使用軟件。 (6)豐富的開發(fā)工具和大量的文檔。Linux 是一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)，雖然實(shí)現(xiàn)了軟實(shí)時(shí)性，在很多的情況下還是無法滿足滿足實(shí)時(shí)的需求。 表 3. 1 嵌入式 Linux 與商業(yè) RTOS 比較 交叉開發(fā)環(huán)境的建立 Linux 軟件開發(fā)以 native 方式進(jìn)行的，即本機(jī)開發(fā)、調(diào)試，本機(jī)運(yùn)行的方式。 3. 2. 1 GNU開發(fā)工具集 交叉編譯環(huán)境的建立 最重要的就是要有一個(gè)交叉編譯器。 (2)配置并編譯 binutils，得到下一步要用到的匯編器和連接器 。 也可從網(wǎng)上直接下載相關(guān)的工具 鏈 (toolchain ) o armlinuxtoolchain 包括一系列的開發(fā)調(diào)試工具 17]。 (2)輔助工具。 (1)安裝 RedHat 。 (3)安裝 ARMLinux 操作系統(tǒng)，即把 ARMLi~壓縮包解壓到相應(yīng)目錄下，采用下列命令安裝 到根目錄下。運(yùn)行 minis 進(jìn)行配置，選擇 Serial port setup 項(xiàng)，設(shè)置如下參數(shù) : Serial Device: /dev/ttySO Bps/ParBits: 115200 8N 1 Hardware Flow Control: no Software Flow Control: no 10 基于嵌入式 Linux的上層軟件開發(fā)模式 3. 3. 1 應(yīng)用程序的開發(fā) 本系統(tǒng)在軟件模塊開發(fā)時(shí)采用了以下兩種嵌入式 Linux 應(yīng)用程序開發(fā)模式 : (Intel CPU)上調(diào)試通過后，再移植到 PXA255 評(píng)估板上。對(duì)于這種問題，就需要編制這些要用到卻又未定義的函數(shù)。要求宿主機(jī)安裝了 NFS (2)在宿主機(jī) 上編寫應(yīng)用程序，并進(jìn)行交叉編譯，生成可執(zhí)行的文件。 應(yīng)用程序的調(diào)試 直接在目標(biāo)板上調(diào)試應(yīng)用程序采用以下三種方法 : (1)打印串口。例如，使用 syslog 將應(yīng)用程序運(yùn)行過程中的中間信息全部 v 錄在 //var/log/syslog 下。端口號(hào)可任意選取，一般大于 20200 然后在宿主機(jī)側(cè)鍵入下列命令 : cd /home/test armlinuxgdb 則進(jìn)入 gdb 提示符 : (gdb) target remote :7070 該命令與板子建立 TCP 連接以進(jìn)行調(diào)試，下一步進(jìn)行調(diào)試時(shí)不要運(yùn)行 run，而應(yīng)該用 continue，即 c。 第四章視頻數(shù)據(jù)采集與處理 視頻數(shù)據(jù)的采集是監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的第一步，也是圖像識(shí)別和視頻壓縮的基礎(chǔ)。所以系統(tǒng)中的視頻采集分為兩步實(shí)現(xiàn) :一是為 USB 接口的數(shù)碼 攝像頭在內(nèi)核中寫入驅(qū)動(dòng)，二是編寫上層應(yīng)用程序獲取視頻數(shù)據(jù)。 圖 4. 1 Linux USB 驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu) HCD是 USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中直接與硬件交互的軟件模塊 。 對(duì)于 USB 攝像頭來說，其核心是感光芯片和數(shù)據(jù)處理 DSP 芯片。 在 Linux 下，對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的編譯添加一般有兩種方式 [14]。模塊方式調(diào)試效率很高，它使用 insmod工具將編譯的模塊直接插入內(nèi)核，如果出現(xiàn)故障，可以使用 ~od 從內(nèi)核中卸載模塊。 圖 4. 2 USB 模塊的視頻數(shù)據(jù)傳輸 4. 1. 2 基于 V4L 模塊的程序開發(fā) Linux 下的 Video for Linux，簡(jiǎn)稱 V4L 為市場(chǎng)現(xiàn)在常見的電視采集卡和并口及 USB 口的攝像頭提供統(tǒng)一的編程接口【 }s}。 Linux 下與 V4L 相關(guān)的設(shè)備文件與其用途如表 所示。 利用 V4L 對(duì) USB 攝像頭的編程需要 Li~下兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，分別是 ioctl()調(diào)用和 mmap()調(diào)用。與 :ead 和 write。 mmap 調(diào)用的格式是 : void* mmap(void* start,size t length,int prot,int flags,int fd,off t offset)。offset為目標(biāo)文件中被映射部分起始點(diǎn)距文件開頭的偏移量 。/*設(shè)備的基本信息 */ struct video_picture picture。/*存放返回地址 */ char device[256]。 pthreadwe tthread。 主要用到的采集操作函數(shù)定義如下 : int v41_ open(char *name } video device *vd)。 /*取得輸入到攝像頭的影像信息 */ int v41_ set}alette(v4ldevice *vd, int palette)/*設(shè)置采集圖片格式 */ int v41_grab_ init(v41_ device *vd, int width, int height)。 /*內(nèi)存映射 */ int v41get mbuf(v41_ device *vd)。 if (v41_,getpicture(vd)) return 一 1。(vdcapability))0) return 一 1。 v41_getpicture()與此類似。 這里首先用 要 v41_getes mbuf()函數(shù)得到映射緩沖區(qū)的信息，如緩沖區(qū)的大小 mbuf. size，然后，利用前面介紹的 ~ap()函數(shù)將攝像頭文件和內(nèi)存緩沖區(qū)建立連接。其中圖像識(shí)別單元，聲音報(bào)警單元是下面將要介紹的。 (2)異常報(bào)警準(zhǔn)確性高。幀間相減技術(shù)較為簡(jiǎn)單，它的原理是系統(tǒng)首先獲得外部靜態(tài)環(huán)境的原始圖像，當(dāng)監(jiān)控啟動(dòng)后，在一定間隔內(nèi)采集一幅圖像與原始圖像進(jìn)行像素值比較，設(shè)定一閡值，當(dāng)超過它時(shí)表明有物體進(jìn)入觀察區(qū)域，通過調(diào)整閉值的大小來改變報(bào)警的級(jí)別。它們之間相關(guān)定義下式所示 : 其中 m=O}M1,n=O}N1。 根據(jù)人體生理特征和運(yùn)動(dòng)特征，各特征點(diǎn)間存在著一定的距離比例關(guān)系和方位關(guān)系。 背景更新通常采用某一時(shí)段多幀圖像加權(quán)和，其主要目的是減少噪聲的影響，但這樣得到的背景與實(shí)時(shí)背景有一定差異當(dāng)背景圖像發(fā)生緩慢或者劇烈變化時(shí)，對(duì)于確定形成原因是由背景劇烈變化引起的還是有人進(jìn)入引起的，還是有一定的誤差。這里采用圖 中的兩個(gè) Sobel算子模板分別計(jì)算每一個(gè)像素點(diǎn)的梯度值。假設(shè)采 640 X 480 大小的圖像，則其在內(nèi)存映射區(qū)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式為 Y ( 640 X 480 ) U(320 X 240) V(320 X240)。 經(jīng)過提取之后得到的目標(biāo)圖像會(huì)產(chǎn)生很多噪聲點(diǎn)，影響下一步的判斷，因此有必要將這些噪聲點(diǎn)去除。 這樣得到的結(jié)果是去除背景的人的邊緣二值圖像。 4. 2. 3 語音采集與報(bào)警的實(shí)現(xiàn) 在面向多媒體的嵌入式處理器中，大多帶有音頻總線控制器，例如 PXA255。 圖 4. 7 I2S 總線上的設(shè)備 I2S 接口的解碼芯片選擇 Philips 公司的 UDA1341TS 編解碼芯片。播放音頻數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)一次設(shè)置完成 DMA 控制器的源數(shù)據(jù)地址、目的地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息， DMA 控制器會(huì)自動(dòng)發(fā)送源緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)填充 FIFO，直到發(fā)送完成設(shè)定的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度才向系統(tǒng)申請(qǐng)中斷。音頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)首先實(shí)現(xiàn)的是 open 方法，主要的任務(wù)是負(fù)責(zé) DMA 緩沖區(qū)的初始化。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下 : typedef struct{ int size。//信號(hào)量 int master。//當(dāng)前用于 read/write 的緩沖區(qū) 22 u int buf idx。//DMA 通道 (12 為音頻通道 ) } audio stream_t。所以，當(dāng)報(bào)警被觸發(fā)時(shí)，調(diào)用命令 cp /dev/sound/dsp,可實(shí)現(xiàn)聲音的回放。視頻編解碼技術(shù)理論依據(jù)為信息理論的數(shù)學(xué)原理。這些標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了很大的視頻速率范圍和應(yīng)用領(lǐng)域，支持不同速率、不同的圖像質(zhì)量要求等條件的視頻業(yè)務(wù)。視頻業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量大、對(duì)誤比特率要求高，無線信道 又具有易錯(cuò)、時(shí)變和帶寬有限的特點(diǎn)，因此信道的誤比特率要比有線壞境大得多，且隨著基站和終端位置、方向的改變而變化很大。 (2)對(duì)信道抗誤碼能力高。由于無線視頻系統(tǒng)往往是便攜式的嵌入式系統(tǒng)，一般由電池供電，其供能系統(tǒng)的容量受到較大限制，因而減少功率消耗是能限系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。而同一對(duì)象連續(xù)的 VOP 稱為視頻對(duì)象 (Video Obj ect ) a 為了高效的降低圖像信號(hào)的視頻冗余度， MPPG4 使用了基于塊的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)。 為了提高傳輸效率， MPEG4 采用了“子圖形”預(yù)測(cè)和編碼技術(shù)，它把靜止的背景作為“子圖形”首先發(fā)往接收端，作為第一幀同時(shí)存儲(chǔ)于編解碼器內(nèi) [[24]。 64Kbps 之間。對(duì)于傳輸信道來說，分層編碼可應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)狀況，在速率起伏很大的 IP ( Inter Protocol )網(wǎng)絡(luò)及具有不同傳輸特性的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上有重要的義。碼率控制策略的好壞是直接影響活動(dòng)圖像編碼器的輸出碼率穩(wěn)定性和圖像質(zhì)量的重要因素。這對(duì)于多媒體信息在信道下的傳輸有著重要的意義。 4. 3. 2. 4 Xv i D 編碼器 在幾種開放源代碼的 MPEG4 編碼軟件中，選擇 xvidcore 作為本系統(tǒng)中視頻圖像壓縮模塊中的核心算法。這個(gè)結(jié)果不為開源開發(fā)小組的人所接受，他們?cè)?DivX 的基礎(chǔ)上開發(fā)出了 XviD a XviD 經(jīng)過一年的發(fā)展，性能得到極大的提高，被認(rèn)為目前世界上