【文章內(nèi)容簡介】 同時，多媒體應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展也使得多媒體信息已成為人類獲取信息的主要載體，使得人們越來越多地在日常生活 、學習和工作中使用多媒體手段來解決問題。尤其是視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在銀行、港口監(jiān)控、城市交通管理、酒店安全保衛(wèi)等各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，由于以往各種系統(tǒng)的種種局限性，集成化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)仍然有著廣闊的市場前景 [1]。正是基于這樣的需求背景，確定了本論文的研究內(nèi)容 基于 Linux 系統(tǒng)在遠程視頻監(jiān)控方面的應(yīng)用。 研究背景、目標和意義 課題研究的背景 視頻監(jiān)控系統(tǒng)是需要信息廣泛交流的企業(yè)生產(chǎn)與管理的必備系統(tǒng)。比如，對于銀行系統(tǒng)而言，通過監(jiān)控系統(tǒng)，可以對一些突發(fā)事件進行回放，很容易找到事件 的相關(guān)責任人；在制造企業(yè)中，可以通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)無人生產(chǎn)等。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用己經(jīng)越來越廣泛。目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要在以下領(lǐng)域中使用 [2]： (l)對機要部門的監(jiān)視、控制和報警，如檔案室、文件室、金庫、博物館等； (2)工廠、市場等的監(jiān)視，如工廠生產(chǎn)過程、市場、展覽廳、貨場等的監(jiān)視； (3)對交通運輸?shù)谋O(jiān)視，如公共交通、鐵路車站、鐵路調(diào)度等的監(jiān)視； (4)用于安全報警，如防盜、防火等的報警； (5)家庭用戶，隨著人民生活水平的提高以及計算機的家庭普及率提高，家庭小型監(jiān)控系統(tǒng)的需求量也變得越 來越大。 在計算機未被廣泛應(yīng)用以及數(shù)字視頻等理論研究尚未成熟以前，傳統(tǒng)模擬監(jiān)控系統(tǒng)占據(jù)了監(jiān)控領(lǐng)域的主要位置。傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控，通常是利用錄像機將鏡頭的畫面錄下來以備查，而錄像機錄下來的圖像，一是清晰度不夠，二是查詢麻煩， 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁 共 61 頁 而且錄像帶的保存也是問題，盡管有著種種不足，但因為前幾年的技術(shù)限制，這種模式的監(jiān)控系統(tǒng)還是被普遍使用。 隨著網(wǎng)絡(luò)、通信和數(shù)字信息技術(shù)的不斷進步，監(jiān)控系統(tǒng)的組成模式也在快速變化和發(fā)展中，當前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合催生了全新的基于嵌入式web 的監(jiān)控系統(tǒng)。它向人們展示的是現(xiàn)代高科技的結(jié)晶，是 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的完美結(jié)合?；谇度胧?web 監(jiān)控系統(tǒng)由于把視頻處理和 web 功能集成到一個體積很小的設(shè)備內(nèi)，可以直接連入以太網(wǎng)，達到即插即看，省掉很多復(fù)雜的電纜，安裝方便，用戶無需專用軟件。這些優(yōu)點將使得基于嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲得更廣泛的應(yīng)用 [3]。 視頻監(jiān)控發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 近三十年來，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展十分迅速，總體來看分為以下三代 [4] ： 第一代是模擬監(jiān)控時代。模擬監(jiān)控技術(shù)發(fā)展較早，在 20 世紀 90 年代 以前，系統(tǒng)以模擬設(shè)備為主。模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般由監(jiān)控前端、傳輸設(shè)備、控制設(shè)備以及顯示 設(shè)備幾個部分組成。監(jiān)控前端一般為模擬攝像機、聲光電報警設(shè)備和雨刷等。傳輸設(shè)備一般為傳輸視頻的同軸電纜，遠距離傳輸可采用模擬光纖或者利用光端機進行傳輸?？刂圃O(shè)備主要是視頻切換矩陣，采用鍵盤進行切換和控制，將需要監(jiān)控的圖像在指定的顯示設(shè)備進行顯示。顯示設(shè)備主要包括圖像的監(jiān)視器、報警指示設(shè)備等。這類系統(tǒng)主要應(yīng)用于小范圍內(nèi)的監(jiān)控，如大樓監(jiān)控等。監(jiān)控圖像一般只能在控制中心查看。有線模擬視頻監(jiān)控無法聯(lián)網(wǎng)，只能以點對點的方式監(jiān)視現(xiàn)場，并且布線工程量極大。 第二代是半數(shù)字時代。 20 世紀 90 年代 視頻監(jiān)控進入數(shù)字化階段，隨著計 算機和多媒體處理技術(shù)的發(fā)展，人們利用多媒體控制主機或硬盤錄像主機 (DvR)進行數(shù)字化處理與存貯，將原來的磁帶存儲方式轉(zhuǎn)變成數(shù)字存儲錄像，進行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換并錄像和顯示，集合了錄像機、畫面分割器等功能，跨出數(shù)字監(jiān)控的第一步，基于 PC 的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)由此產(chǎn)生。由于傳輸依舊采用傳統(tǒng)的模擬視頻電纜，所以就叫做第二代半模擬半數(shù)字本地視頻監(jiān)控系統(tǒng)。而該系統(tǒng)視頻前端 (如CCD 等視頻信號的采集、壓縮 )較為復(fù)雜，穩(wěn)定性、可靠性不高，功耗高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高昂。 PC 機需專人管理，操作較為繁瑣。圖像傳輸僅局限在局域網(wǎng)內(nèi) 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 共 61 頁 傳輸，傳輸距 離明顯受限，并且模擬視頻信號的衰減嚴重，傳輸距離不能超過1000m，否則必須采用光纖傳輸，圖像質(zhì)量受環(huán)境干擾也較大 [5]。 第三代是全數(shù)字時代 [6]。從 20xx 年開始，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的提高和成本的降低、硬盤容量的加大和中心存儲成本的降低，以及各種實用視頻處理技術(shù)的出現(xiàn)，視頻監(jiān)控步入了全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)時代。近兩年隨著遠程監(jiān)控系統(tǒng)被越來越多的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來越高 :操作簡單、實時可靠、多功能、數(shù)字化、經(jīng)濟實用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計正越來越多地受到人們的矚目 ,基于嵌入式技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控 系統(tǒng)應(yīng)運而生。 目前市場上的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要有三種：一種是基于 PC 機的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場放置插有視頻卡的 PC 機，視頻的壓縮與解壓縮由視頻卡來負責完成。其優(yōu)點在于能實現(xiàn)在網(wǎng)上互聯(lián)互通及授權(quán)客戶直接訪問，便于構(gòu)建系統(tǒng)及方便聯(lián)網(wǎng)，缺點是實用性較差，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，費用高，而且現(xiàn)場不能脫離 PC機；另一種是通過在現(xiàn)場設(shè)置視頻網(wǎng)絡(luò)編碼器，將模擬視頻編碼后上網(wǎng)傳輸，并在監(jiān)控端設(shè)置的對應(yīng)解碼器上將網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)字視頻信號解碼后進行監(jiān)控。其優(yōu)點在于現(xiàn)場不需要 PC 機支持，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高；隨著技術(shù)的進步，市場上出現(xiàn)了一種新型 的網(wǎng)絡(luò)化遠程視頻監(jiān)控，即基于嵌入式視頻服務(wù)器技術(shù)的遠程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控。現(xiàn)場采用的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控產(chǎn)品主要包括 :網(wǎng)絡(luò)攝像機、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)視頻接入器等。網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器解決了視頻流在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸問題，從圖像采集開始進行數(shù)字化處理、傳輸，這樣使得傳輸線路的選擇更加多樣性，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方，就提供了圖像傳輸?shù)目赡?，現(xiàn)場無需 PC 機支持?？刹捎昧髅襟w技術(shù)實現(xiàn)視頻在網(wǎng)上的多路復(fù)用傳輸。經(jīng)過授權(quán)的監(jiān)控者均可隨時隨地對其進行訪問和管理，充分利用了網(wǎng)絡(luò)資源，是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢的代表。 嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)況如下 [7]:在國外，視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)主要為個人用戶提供安全系統(tǒng)方案，基本定位在個人和住宅應(yīng)用方面。國外研究的起步較早，并處于領(lǐng)先水平，己有成熟的嵌入式 WEB 攝像機產(chǎn)品。比如索尼公司的 SVCVLION，松下公司的 KXHCM130，三星公司的 SNC100P，瑞典的 AXIx系列等，這些產(chǎn)品性能普遍較好，但是價格也很昂貴，國內(nèi)用戶大多無法承受。國內(nèi)在這方面的研究起步較晚，但是很多公司都投入了很大的科研資金，經(jīng)過這 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁 共 61 頁 么多年的發(fā)展，國內(nèi)的視頻監(jiān)控已經(jīng)踏上了一個臺階，盡管和國外相比還是有一定的差距，但是基本的要求以及功能實現(xiàn)可 以與國外的相媲美了。國內(nèi)的視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)主要集中在行業(yè)應(yīng)用，如公安、交通、金融、樓宇等領(lǐng)域，行業(yè)應(yīng)用已成為國內(nèi)視頻監(jiān)控市場的主要增長點。 目前，國內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)進入了一個高速的、全面發(fā)展的新時期，行業(yè)競爭日益激烈。尤其在當今的社會，平安城市建設(shè)已經(jīng)成為社會治安防控體系的重頭戲之一，也是構(gòu)建“和諧社會”的重要舉措。隨著“ 3111”工程的深入開展，全國各地都在進行平安城市建設(shè)，有條件的地方和城市都在投資興建城市社會治安視頻監(jiān)控系統(tǒng)，北京、上海、深圳、廣州、昆明等城市都已經(jīng)安裝監(jiān)控攝像頭20 萬只以上 [8]。廣闊的市場前景伴隨著各項新技術(shù)的日益發(fā)展與成熟，這使得嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)具有重大的現(xiàn)實意義。 研究意義 現(xiàn)在我們國家把信息安全放到越來越重視的位置，與此同時，信息安全建設(shè)對監(jiān)控系統(tǒng)市場也提出了巨大需求，而且對產(chǎn)品的技術(shù)要求也越來越高。在許多安防場合，諸如電力、銀行、交通、鐵路、軍事設(shè)施等安全性較高的企業(yè)生產(chǎn)與管理中，遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，可方便地監(jiān)測和控制突發(fā)事件的發(fā)生。當前的國內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中存在以下幾點問題： a．大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)仍在采用第二代甚至第一代監(jiān)控系 統(tǒng)，系統(tǒng)硬件軟件維護升級維護困難，成本也高； b．監(jiān)控范圍小，不適應(yīng)于遠程管理尤其不適宜于在環(huán)境惡劣的情況下工作； c．視頻圖像質(zhì)量較差，影響監(jiān)控效果，用戶界面也不友好，使用不方便。 基于 ARM 和 Linux 的遠程監(jiān)控系統(tǒng)正好克服了這些局限性 [9]： I．數(shù)字視頻采用硬件編解碼，大大提高了圖像壓縮質(zhì)量和穩(wěn)定性。 II．數(shù)字視頻通過計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸，距離基本不受限制，便于集中監(jiān)控和控 制。 III．數(shù)字化存儲成為可能，經(jīng)過壓縮的視頻數(shù)據(jù)可存儲在磁盤上，方便查詢。 研究目標及內(nèi)容 本文研究的目標是：研究并開發(fā)一種基于 ARM 和 Linux 的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù) 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 共 61 頁 字視頻監(jiān)控系統(tǒng)所包含的核心技術(shù)可以歸納為以下三個方面：數(shù)字視頻編解碼技術(shù)，高效大容量存儲技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)．因此研究方向主要集中在以下幾個方面： ?MPEG4 視頻壓縮編碼技術(shù)的研究。 MPEG4 標準采用基于對象的編碼理念，將一幅場景分成若干在時間和空間上相互聯(lián)系的視頻音頻對象。分別編碼后，再經(jīng)過復(fù)用傳輸?shù)浇邮斩?，然后再對不同的對象解碼，最后組合成所需的視頻和音頻。這樣方便對不同的對象采用不同的編碼方 法和表示方法。 ?高效率實時網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸技術(shù)。由于目前的網(wǎng)絡(luò)不能為視頻傳輸提供穩(wěn)定的帶寬保障，所以 MPEG4 視頻的實時傳輸面臨很多困難，總結(jié)起來主要有：帶寬限制，延遲和傳輸數(shù)據(jù)包的丟失及差錯。 ?網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)需要解決在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)環(huán)境下的視頻編碼數(shù)據(jù)包的可靠傳輸問題，數(shù)據(jù)包定序，低延遲傳輸，音視頻同步，低碼率傳輸，實時解碼軟件技術(shù)等問題。同時，在多用戶的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，還需要考慮應(yīng)用組播協(xié)議，保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母咝省? 本文主要研究內(nèi)容 本課題的思路是結(jié)合視頻監(jiān)控的發(fā)展趨勢，開發(fā)一套基 于嵌入式 ARM 的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在嵌入式設(shè)備終端上主要完成 CMOS 攝像頭驅(qū)動設(shè)計、視頻圖像采集、圖像壓縮、圖像數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送、嵌入式 Web 服務(wù)器的設(shè)計，并通過客戶端實時監(jiān)控。本文主要內(nèi)容 : (l)嵌入式 Linux 平臺的構(gòu)建 (2)CMOS 攝像頭驅(qū)動的開發(fā) (3)基于 Video4Linux 的視頻采集程序的開發(fā) (4)基于 TCP/IP 協(xié)議的 Socket 編程，實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送 (5)嵌入式 Web 服務(wù)器的設(shè)計 本章小結(jié) 本章詳細地對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的歷史背景到發(fā)展趨勢，以及當前國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的深入剖析 ，從而提出自己對于嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求，并結(jié)合本課題的要求，搭建起一個可行的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。最后總結(jié)了本課題將要研究的重點內(nèi)容以及需要實現(xiàn)的結(jié)果。 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁 共 61 頁 2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計 嵌入式系統(tǒng)概況 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件均可剪裁，滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng) [10]。嵌入式系統(tǒng)是硬件和軟件的有機結(jié)合體，并以硬件的形式表現(xiàn)出來。嵌入式系統(tǒng)以其體積小、實時性高、穩(wěn)定性好、接口豐富等優(yōu)點，成為工業(yè)控制領(lǐng)域和消費類電子的新熱點。嵌入 式系統(tǒng)是一種特殊的計算機系統(tǒng)，具有與通用計算機不同的特點 [11]： i、嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的：嵌入式 CPU 與通用型的最大不同就是嵌入式 CPU 大多應(yīng)用在為特定用戶設(shè)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，能夠把通用 CPU 中許多由板卡成的功能集成在芯片內(nèi)部。 ii、嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，力爭在同樣芯片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力。 iii、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。 iv、嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。 嵌入式系統(tǒng)硬件的發(fā)展也提出了對嵌入式操作系統(tǒng)的需求。隨著計算機技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到科學研究、工業(yè)控制以及各種消費類電子產(chǎn)品當中。大量功能強大的 RISC 嵌入式處理器的出現(xiàn)，多媒體視頻標準的推出都使得嵌入式系統(tǒng)向集成化，網(wǎng)絡(luò)化，多媒體化發(fā)展。視頻監(jiān)控領(lǐng)域就是其發(fā)展的一個重要方向。 視頻監(jiān) 控系統(tǒng)硬件選型設(shè)計 ARM 概述 ARM(Advanced RISC Machines)，既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術(shù)的名字。 1991 年 ARM 公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用 ARM 技術(shù)知識產(chǎn)權(quán) (IP)核的微處理器，即我們通常所說的 ARM 微處理器，己遍及工業(yè)控制、消 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7 頁 共 61 頁 費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于 ARM 技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了 RISC 微處理器 75%以上的市場份額， ARM 技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的 各個方面。采用 RISC 架構(gòu)的 ARM 微處理器一般具