【正文】 概念之一，其應(yīng)用領(lǐng)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(shè)備，都有著非常廣泛的應(yīng)用。 視頻監(jiān)控技術(shù)是一門集計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字視頻技術(shù)于一體的綜合技術(shù)。而且相對于其他 IT業(yè)務(wù)，視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)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? 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。 網(wǎng)絡(luò)攝像機是直接連入 IP網(wǎng)絡(luò)的新一代產(chǎn)品，使用戶可以實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的措施。 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(yīng)用的地位，也 加速了在其他新興行業(yè)的應(yīng)用，具體包括： 教育：遠程監(jiān)控學(xué)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(yīng)用于銀行各分支機構(gòu)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(yīng)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(gòu)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(chǎn)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。 隨著壓縮編碼技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，以嵌入式視頻服務(wù)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(nèi)置的嵌入 式視頻編碼器直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸出去，嵌入式視 頻服務(wù)器具備視頻編碼處理、網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制等強大功能，直接支持網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理， 使得監(jiān)控范圍達到前所未有的廣度。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)。 3) 圖像采集芯片 +嵌入式處理器。 DSP中央處理器完成圖像圖像壓縮編碼、編碼數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)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。 這種方案是當前應(yīng)用較為廣泛的方法，使用了近來發(fā)展迅速的嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)以及圖 像處理的技術(shù)，具有較高的技術(shù)水平。這種結(jié)構(gòu)可直接由客戶機向服務(wù)器發(fā)出具體的請求命令，或由服務(wù)器返回信息到客戶機，而 不必通過 Web服務(wù)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(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，論文中也采用了曰 S結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 111所示。視頻壓縮也不難 做到。 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(shè)施 (Devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants)。 圖 111總體結(jié)構(gòu)圖 5 2) 嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、微電子技術(shù)以及各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。 嵌入式系統(tǒng)和一般的 PC機上的應(yīng)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(yīng)用的。 3) 嵌入式系統(tǒng)的硬、軟件都必須高效率地設(shè)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。 可靠性，有著較高的要求。 嵌人式應(yīng)用軟件 嵌入式中間件 嵌入式操作系統(tǒng)7 三、視頻編解碼和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇 盡管 IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近年來在網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)速度方面有許多發(fā)展和改善，但相對于傳輸 數(shù)據(jù)量龐大的視頻信息而言，網(wǎng)絡(luò)速度依然是視頻傳輸中的瓶頸所在。在網(wǎng)絡(luò)各層次中，物理層和數(shù)據(jù)鏈路 層是不能通過應(yīng)用程序編程實現(xiàn)的，編程設(shè)計時不考慮這兩層。 在目前的 IS0網(wǎng)絡(luò)模型中，在 IP之上使用了兩種傳 輸協(xié)議：一種是傳輸控制協(xié)議 TCP 協(xié)議；另一種是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 UDP協(xié)議。 TCP是面向連接的可靠的網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議，面向連接服務(wù)是電話系統(tǒng)服務(wù)模式的抽象，即每一次完整的數(shù)據(jù)傳輸都要經(jīng)過建立連 接、使用連接、終 止連接的三次握手過程；并且當檢測到數(shù)據(jù)包丟失或者錯誤時，就會要求 發(fā)送端重新發(fā)送，這樣以來就不可避免引發(fā)了傳輸延時和網(wǎng)絡(luò)帶寬的問題。無連接服務(wù)不能保證數(shù)據(jù)報的先后順 序，不進行分組出錯的恢復(fù)和重傳、流 控制，不保證傳輸?shù)目煽啃裕芴峁╅_銷最小的、 快速的端到端通信服務(wù)。 從以上分析可知， UDP的傳輸延時低于 TCP， 能與視頻流很好的匹配， UDP相對于 TCP 來說更適合視頻的數(shù)據(jù)傳輸。 RTP 協(xié)議 （ Realtime Transport Protocol) RTP協(xié)議它只是一種應(yīng)用型的傳輸層協(xié)議，它基于組播或是單播網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，提供端到端 的實時數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，本身并不提供任何傳輸?shù)目煽啃员ＷC和流量的擁塞控制機制。 1) RTP的數(shù)據(jù)包格式 RTP數(shù)據(jù)報的包頭格式如圖 33所示： 圖 33 RTP包頭格式 RTP數(shù)據(jù)協(xié)議負責(zé)對流媒體數(shù)據(jù)進行封包并實現(xiàn)媒體流的實時傳輸，每一個 RTP數(shù)據(jù) 報都由頭部 (Header)和負載 (Payload)兩個部分組成，其中頭部前 12個字節(jié)的含義是固定的， 而負載則可以是不定長連續(xù)音頻或視頻數(shù)據(jù)。接收方 利用時間戳可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的同步，包括同一數(shù)據(jù)流的流內(nèi)同步和不同數(shù)據(jù)流的流間同步， 完成對數(shù)據(jù)包的重組，并按照正常的速率回放數(shù)據(jù)。在 RTP會話期間，各參與者周期性地傳送 RTCP包，包中含有己發(fā)送 的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料，因此，服務(wù)器可以利用這些信息動態(tài)地 改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。結(jié)構(gòu) 元素的意義由 RTCP報文的類型決定，因為通常 RTCP包非常小，一般把多個 RTCP包合并 為一個 RTCP包，然后利用一個底層協(xié)議所定義的報文格式 (例如 UDP格式 )進行發(fā)送。（ 4)BYB:表示結(jié)束。 (2) RR(ReeeiverReport)： 接收方報告。用 反饋信息的方法來提供分配數(shù)據(jù)的傳送質(zhì)量，這種反饋可以用來進行流量的擁塞控制，也可 以用來監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)和用來診斷網(wǎng)絡(luò)中的問題。前兩種功能要求所有參加者發(fā)送 RTCP 包，因此，為了 RTP擴展到大規(guī)模數(shù)量，速率必須受到控制。參與會話的每個成員周期性地發(fā)送 RTCP包，各站點 可據(jù)此估計或計算出參與通信的人數(shù)，以便及時調(diào)節(jié)實時控制的信息量，使得控制信息量和 媒體業(yè)務(wù)量達到平衡。 根據(jù)協(xié)議規(guī)定 ， RTP 和 RTCP選用不同的網(wǎng)絡(luò)端口號， RTP選擇一個偶數(shù)的端口號，而 RTCP則選用下一個奇數(shù) 的端口號。 RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等 統(tǒng)計資料。 監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔⒂锌刂浦噶睢⒁曨l數(shù)據(jù)。 2) 視頻數(shù)據(jù)是一種實時多媒體數(shù)據(jù)，需要點對對點的實時傳輸。 1) 單播 (Unicast)： 主機之間采用 “一對一 ”的通訊模式，網(wǎng)絡(luò)中的交換機和路由器對 數(shù)據(jù)只進行轉(zhuǎn)發(fā)不進行復(fù)制。其中心思想為通過一個特殊 IP地址 (D類地 址 )向一組主機發(fā)送 UDP數(shù)據(jù)報，這個特殊地址就代表一個 “組 ” ，所有加入了這個組的主 機可以接受到此組內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中的交換機和路由器只向有需求者復(fù)制并轉(zhuǎn)發(fā)其所需 數(shù)據(jù)。在組播網(wǎng)絡(luò)中，即使用戶 數(shù)量成倍增長，主干帶寬亦不會隨之增加。 根據(jù)前面的介紹， RTP/RTCP協(xié)議也支持組播通信方式，因此在我們的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中， 選擇組播作為視頻數(shù)據(jù)的傳輸方式。 視頻信號的壓縮理論主要依靠兩點：視頻信號本身具有時間、空間和統(tǒng)計相關(guān)性；人眼視覺 系統(tǒng)對視頻的主觀感知允許一定的失真。顯然，這樣大的數(shù)據(jù)量 不僅超出了計算機的存儲和處理能力，更是當前通信信道的傳輸速率所不及的，這樣高速率 的圖像信息是不可能直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)模膊豢赡苤苯哟鎯Φ酱鎯γ襟w上去。再者還有一些信息是人眼無法識別的，生理視覺上可以 完全忽略的部分，可以完全去除，這樣也就實現(xiàn)視頻圖像的壓縮。 1) 靜態(tài)圖像壓縮技術(shù) JPEG、 MJPEG、 JPEG2021等 JPEG是聯(lián)合圖像專家組 (Joint Photogaphie Experts Group)的縮寫。 但相應(yīng)地， MJPEG對帶寬的要求也很高，同時也需要大量的存儲空間。 其中， MPEG4是當前運動圖像視頻壓縮領(lǐng)域的主流編碼算法。 由于該研究的目的是需要傳輸高質(zhì)量的圖像畫面，且對帶寬要求不高，另外對于硬件的 框架的設(shè)計，我們選擇 ARM9作為微處理器，不適宜做復(fù)雜的運算，經(jīng)過測試，在用 ARM 做 MPEG4時 320*240至多只能做到 15幀 /秒，而對于用 ，復(fù)雜度會加倍。 利用 JPEG標準推薦的量化表，壓縮比 25:1時候，數(shù)據(jù)在復(fù)原后人眼還是幾乎不能看 見區(qū)別的。方案 2是不錯的選擇， DSP專門處理圖像 處理， ARM處理控制指令，設(shè)計得當會取得不錯的效果，但是該方案采用了兩個處理器， 不但提高了成本，在設(shè)計、調(diào)試上更是帶來困難，需要較長的開發(fā)周期 。 因此我們采用的方案只用 ARM作為核心處 理器的方案 3。因此，在硬件選擇上需要經(jīng)過不斷比較才能確定選型。 表 41常見監(jiān)控系統(tǒng)方案優(yōu)缺點 方案 優(yōu)點 缺點 +DSP 運算速度快，圖像處理 能力強 沒有操系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，功能擴展 比較難 +ARM 運算速度快、圖像處理 能力強，且有完備的操 具有兩塊芯片，設(shè)計、調(diào)度、實現(xiàn)較 難、系統(tǒng)成本高 作系統(tǒng)功能 +ARM 具有完整操作系統(tǒng)功 能，擁有完備的網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議棧和文件系統(tǒng)，功耗 低，開發(fā)容易，成本較 低 缺少強大的運算能力，很難滿足高實 時性的場合 16 根據(jù)前面的方案比較分析，我們選擇 ARM作為系統(tǒng)核心處理器， ARM架構(gòu)是第一款 RISC微處 理器，是一種可擴展、可移植、可集成的處理器。 ARM9相對于 ARM7來說有了更多的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在如下： ARM9主頻更高 ARM9采用 5級流水線而 ARM7為 3級流水線。 ARM9帶有 MMU、 CACHE 等 MMU則是用來支持存儲器管理的硬件單元，滿足現(xiàn)代平臺操作系統(tǒng)內(nèi)存理的需要，它 主要包括兩個功能 :一是支持虛擬 /物理地址映射，二是提供不同存儲器地址空間的保護機制 。 Cache以及 MMU等硬件單元的引入，給系統(tǒng)程序員的編程模型帶來了許多全新的變化。運行同一段程序， ARM9的處理器可以比 ARM7節(jié)省大約 30% 左右的時鐘周期。任何 Flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進行，所以大多數(shù)情況下，在進行寫入操 作之前必須先執(zhí)行擦除。因此，以備 NOR Flash 的容量較小 ， NAND Flash的容量較大，適合于數(shù)據(jù)存儲。 當前攝像頭主要可以分為兩大類： CCD類和 CMOS類，兩種傳感器都可以將光轉(zhuǎn)化為 電荷，進而處理成電信號。由18 于 CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件，電路之間距離很近，相互之間 的光、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像影響很大，使 CMOS光電傳感器很長時間無法進入實用。 不同的硬盤接口決定著硬盤與計算機之間的連接速度，再整個系統(tǒng)中，硬盤接口的優(yōu)劣直接 影響著程序運行快慢和系統(tǒng)性能的好壞。SATA是種新生的硬盤接口類型，而且不 是很普及，在其他系統(tǒng)中不容易集成。由圖可見其主要分為以下幾 個主要部分 : ?核心處理器： MCU時鐘頻率需要高于 40〇 MHz， 它作為系統(tǒng)的中央處理器完成主 要的邏輯運算，并提供了基本的外圍接口電路和外圍設(shè)備控制器。 ? USB Host接口：用于和 USB接口的攝像頭實現(xiàn)連接。 ? 7個地址空間的起始地址是固定的； ? 1個地址空間的起始地址和空間大小是可變的； ? 所有存儲器空間的訪問周期都可以通過編程配置； ? 提供外部擴展總線的等待周期； ? SDRAM支持自動刷新和掉電模式。 Bank6和 Bank7的詳細的地址和空間大小的關(guān)系可以參考表 521。3tsd00_0000 Qse00_0000 End address OxcSLffff 0xc7Lffff QscfLffff QsdfLffff OsffLffff 1) BANK0總線寬度 表 524 SDRAM空間地址配置 22 2) SDRAM空間地址引腳連接 Ol^ (Operating Mode 1) OMO (Operating Mode 0) Booting ROM Data width 0 0 Nand Flash Mode 0 1 16bit 1 0 32bit 1 1 Test Mode 表 523存儲器 （ SROM/SDRAM)地址引腳連接 MEMORY ADDR. PIN S3C2410X ADDR. 5bit DATA BUS S3C2410X ADDR. 16bit DATA BUS S3C2410X ADDR. 32bit DATA BUS AO A0 A1 A2 A1 A1 A2 A3 … 表 524 SDRAM空間地址配置 23 從 tacc— 1核對 nWAIT， 在采樣 nWAIT為高電 nWE信號和 nOE信