【正文】 芯片，并采用影像光源自動(dòng)增益補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，自動(dòng)亮度、白平衡控制技術(shù)，對(duì)比度、邊緣增強(qiáng)以及伽馬矯正等先進(jìn)的影像控制的開發(fā)技術(shù)，色彩表現(xiàn)力極佳，分辨率高達(dá)130萬(wàn)像素，動(dòng)態(tài)視頻分辨率最高為640*480像素，輸出幀速度最高為30幀/s，輸出的圖像為數(shù)字格式不用轉(zhuǎn)換了，完全可以滿足后面系統(tǒng)圖像識(shí)別報(bào)警處理以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要，而且采用該芯片的攝像頭在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有比例超過70%，方便購(gòu)買和以后維護(hù)使用[15]。由于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、電、磁干擾較嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長(zhǎng)一段時(shí)間無法進(jìn)入實(shí)用。 CCD(Charge Coupled Device)，即“電荷禍合器件”，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)即“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”。代表產(chǎn)品S3C2440的芯片引腳圖如圖32所示。通過上面比較，結(jié)合項(xiàng)目需要，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能，需要在嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)視頻采集、編碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?，因此在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用ARM9作為微處理器，而三星的ARM產(chǎn)品價(jià)格便宜，性能穩(wěn)定，開發(fā)資料豐富等優(yōu)勢(shì)，因此選用的是三星的ARM9 S3C2440X作為微處理器。由于ARM9內(nèi)核采用的是哈佛架構(gòu)，擁有獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)總線，而ARM7為傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)；ARM9的5級(jí)流水線設(shè)計(jì)把存儲(chǔ)器訪問和寄存器寫回放在不同的流水上面。例如，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)軟件優(yōu)化上的考慮。MMU則是用來支持存儲(chǔ)器管理的硬件單元，滿足現(xiàn)代平臺(tái)操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的需要，它主要包括兩個(gè)功能：一是支持虛擬/物理地址映射，二是提供不同存儲(chǔ)器地址空間的保護(hù)機(jī)制。在常用的芯片生產(chǎn)工藝下，ARM7一般運(yùn)行在100MHz左右，而ARM9則至少在200MHz以上。每一級(jí)流水都對(duì)應(yīng)CPU的一個(gè)時(shí)鐘周期，如果一級(jí)流水中的邏輯過于復(fù)雜，使得執(zhí)行時(shí)間居高不下，必然導(dǎo)致所需的時(shí)鐘周期變長(zhǎng)，造成CPU的主頻不能提升。ARM9相對(duì)于ARM7來說有了更多的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在如下：(1) ARM9主頻更高。目前在市場(chǎng)上常用的ARM處理器有ARM7系列、ARMS系列。其代表處理器ARM9實(shí)物圖如圖32所示。 采用Linux進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)具有以下優(yōu)點(diǎn)：源代碼開放，軟件資源豐富；成本低，優(yōu)秀的開發(fā)工具；廣泛的硬件支持，良好的可移植性；強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能；系統(tǒng)安全可靠[12]。Linux以其獨(dú)特的特性，在數(shù)字視頻監(jiān)測(cè)領(lǐng)域己經(jīng)有了一段時(shí)間的應(yīng)用，其可針對(duì)不同硬件設(shè)備與數(shù)字影像監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求而量身訂制，可有效減少對(duì)硬件資源的需求。這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)模塊化、高性能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，專為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)，提供一個(gè)完全多任務(wù)環(huán)境，在定制的或是商業(yè)化的硬件上可達(dá)到高性能和高可靠性。Vxworks被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航空航天等高精尖技術(shù)領(lǐng)域以及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，具有高性能的內(nèi)核和友好的用戶開發(fā)環(huán)境，開發(fā)便利。(2) VxworksVxworks是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場(chǎng)占有率最高的系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200 KB內(nèi)存空間。 2. 常見嵌入式操作系統(tǒng) (1) Windows CEWinCE是由微軟公司推出的，為有限資源平臺(tái)設(shè)計(jì)的多任務(wù)、多優(yōu)先級(jí)、有完整優(yōu)先權(quán)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，現(xiàn)己發(fā)展到WinMobile。 (4) 嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)：其最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了軟硬件的無縫結(jié)合，直接在處理器內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔，對(duì)于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。 (2) 嵌入式微處理器(MPU)：由通用計(jì)算機(jī)CPU演變而來，其主要特征是具有32位或64位，而其性能可堪比PC機(jī)CPU，具有功耗低、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其主要類型有ARM/Strong ARM系列、PowerPC,MIPS系列。嵌入式應(yīng)用軟件種類繁多，不甚枚舉，下面介紹常見的嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)[11] 。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖31所示。 (5) 嵌入式系統(tǒng)本身并不具備在其上進(jìn)行開發(fā)的能力，都是通過交叉編譯開發(fā)完成的，即采用宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的開發(fā)模式，在PC上開發(fā)完，編譯成功后下載到目標(biāo)機(jī)運(yùn)行的模式[10]。 (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(chǔ)器芯片中，而不是存貯于磁盤等載體中。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、不斷創(chuàng)新的知識(shí)密集型系統(tǒng)。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(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，能夠把在通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中許多由板卡完成的功能集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強(qiáng)?，F(xiàn)在講的嵌入式系統(tǒng)主要指近年來比較熱的具有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中也將沿用這一觀點(diǎn)[9]。特別是對(duì)于軟件系統(tǒng)，其核心是往往是一個(gè)幾KB到幾十KB的微內(nèi)核，可以對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展和裁減。 (2) 嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。圖22 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件模型圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)定義 對(duì)于何為嵌入式系統(tǒng)，IEEE(國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì))的定義是這樣的：用于控制、監(jiān)測(cè)或者輔助于裝置、機(jī)器和工廠車間運(yùn)行操作的設(shè)施(Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants )。 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件整體方案設(shè)計(jì)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件總體主要有嵌入式微處理器，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，SDRAM，網(wǎng)卡，監(jiān)控終端以及USB接口攝像頭，其整體硬件方案圖如圖21所示：圖21 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體圖 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件整體方案設(shè)計(jì)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體軟件方案是在Linux操作系統(tǒng)之上的是應(yīng)用程序模塊組成，主要包括：視頻服務(wù)器管理模塊，圖像采集模塊，編碼模塊，控制模塊，網(wǎng)絡(luò)傳送模塊，視頻存儲(chǔ)模塊[8]。根據(jù)上面的方案比較，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來說，方案1由于沒有強(qiáng)大的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，因此不太適合做網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；方案2是不錯(cuò)的選擇，但是該方案采用了兩個(gè)處理器，不但提高了成本，在設(shè)計(jì)、調(diào)試上更是帶來困難，需要較長(zhǎng)的開發(fā)周期；方案3主要問題是缺乏強(qiáng)大的圖像處理能力，不能滿足高實(shí)時(shí)性要求。視頻采集芯片+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。DSP+ARM 運(yùn)算速度快，圖像處理能力強(qiáng)，有完備的操作系統(tǒng)功能。目前常見的方案優(yōu)缺點(diǎn)如表21所示：表21 常見監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案優(yōu)缺點(diǎn)方案 優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)視頻采集芯片+DSP運(yùn)算速度快，圖像處理能力強(qiáng)。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(chǔ)，采用CPLD完成圖像采集的控制邏輯的脫機(jī)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測(cè)方案[6]。方案的主要缺點(diǎn)是:缺乏強(qiáng)大的圖像處理能力，很難滿足高實(shí)時(shí)性要求。 (3) 圖像采集芯片+嵌入式處理器。該方案采用由DSP完成基于MPEG4, ，在嵌入式處理器上運(yùn)行嵌入式OS(如嵌入式Linux OS)進(jìn)行系統(tǒng)控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸。方案的主要缺點(diǎn)是控制不夠靈活，不適合作系統(tǒng)控制，因?yàn)镈SP通常沒有強(qiáng)大的操作系統(tǒng)。 現(xiàn)階段，嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)測(cè)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。 在嵌入式視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面一般是考慮系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和功能，例如小型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，系統(tǒng)由圖像傳感器、嵌入式處理器、圖像處理器、網(wǎng)絡(luò)接口組成，通過壓縮優(yōu)化算法和背景差分算法