基于嵌入式Linux視頻的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種采用Browser/Server結(jié)構(gòu)、在視頻服務(wù)器上內(nèi)置一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器、基于嵌入式Linux視頻的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。重點(diǎn)闡述了其服務(wù)器端的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：嵌入式Linux Web服務(wù)器MPEG-4網(wǎng)絡(luò)通信

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，公安、安防行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)必然是全面數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。傳統(tǒng)的模擬閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)有很多局限性：傳輸距離有限、無(wú)法聯(lián)網(wǎng)，而且模擬視頻信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)會(huì)耗費(fèi)大量的存儲(chǔ)介質(zhì)(如錄像帶)，查詢?nèi)∽C時(shí)十分煩瑣?；趥€(gè)人計(jì)算機(jī)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端功能較強(qiáng)，但穩(wěn)定性不好，視頻前端(如電壓耦合元件等視頻信號(hào)的采集、壓縮、通訊)較為復(fù)雜，可靠性不高?；谇度胧絃inux視頻的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)不需要用于處理模擬視頻信號(hào)的個(gè)人計(jì)算機(jī)，而是把視頻服務(wù)器內(nèi)置一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。由于把視頻壓縮和Web功能集中到一個(gè)體積很小的設(shè)備內(nèi)，可以直接連入局域網(wǎng)，即插即看，省掉復(fù)雜的電纜，安裝方便(僅需設(shè)置一個(gè)IP地址)，用戶也無(wú)需安裝任何硬件設(shè)備，僅用瀏覽器即可觀看。

基于嵌入式Linux的視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)將嵌入式Linux系統(tǒng)連接上Web，即視頻服務(wù)器內(nèi)置一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，攝像機(jī)傳送來(lái)的視頻信號(hào)數(shù)字化后由高效壓縮芯片壓縮，通過(guò)內(nèi)部總線傳送到內(nèi)置的Web服務(wù)器上。

1 系統(tǒng)總體框架
嵌入式Linux視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是電工電子裝置、計(jì)算機(jī)軟硬件以及網(wǎng)絡(luò)、通信等多方面的有機(jī)組合體，它以智能化、網(wǎng)絡(luò)化、交互性為特征，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。如果利用OSI七層模型的內(nèi)容和形式，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集控制模塊硬件和應(yīng)用軟件以及應(yīng)用環(huán)境等有機(jī)組合，可以形成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)總體框架，其系統(tǒng)總體框架示意圖如圖l所示。

攝像機(jī)傳送來(lái)的視頻信號(hào)數(shù)字化后，經(jīng)過(guò)壓縮，通過(guò)RS-232/RS485將數(shù)據(jù)送到內(nèi)置的Web服務(wù)器，嵌入式LJnux系統(tǒng)的10/100M以太網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)送到客戶端。整個(gè)系統(tǒng)的核心是嵌入式Linux系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)后，嵌入式Linux系統(tǒng)啟動(dòng)Web Server服務(wù)程序，接收授權(quán)客戶端瀏覽器的請(qǐng)求，Web Server將根據(jù)通信協(xié)議完成相應(yīng)的監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
2.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以公開(kāi)的嵌入式Linux源代碼為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)的嵌入式目標(biāo)板編寫(xiě)相應(yīng)的Bootloader程序，然后裁剪出合適的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。目標(biāo)平臺(tái)CPU采用Motorola公司生產(chǎn)的ColdFire嵌入式處理器MFC5272。MFC5272采用ColdFire V2可變長(zhǎng)RISC處理器核心和DigltalIDNA技術(shù)，在66MHz時(shí)鐘下能夠達(dá)到63Dlnrystone2.1MIPS的優(yōu)良處理能力。內(nèi)部SIM(System IntegratedModule)單元集成了豐富的通用模塊，只需很少的外圍芯片就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)RS-232串行口和一個(gè)USB Slave接口。MFC5272還內(nèi)嵌一個(gè)FEC(快速以太網(wǎng)控制器)，片外擴(kuò)展一片LXT97l，方便地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)100/10 BaseT的以太網(wǎng)接口。能夠與常用的外圍設(shè)備(如SDRAM、ISDN收發(fā)器)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，從而簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。

2．2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用的是瀏覽器，服務(wù)器(B／S)網(wǎng)絡(luò)模型，即由客戶端通過(guò)Web向服務(wù)器提出請(qǐng)求，服務(wù)器對(duì)請(qǐng)求做出確認(rèn)響應(yīng)并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)(如向客戶端發(fā)送組播地址、圖像格式、壓縮格式等)，建立連接后就可以在客戶端監(jiān)控被控點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。服務(wù)器(Web Servei)端即現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)包括采集模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、控制模塊等，如圖2所示。

2.2.1 視頻采集模塊設(shè)計(jì)
由于攝像機(jī)得到的是模擬的視頻信號(hào)，不能直接為計(jì)算機(jī)使用，因此要使視頻在網(wǎng)上傳輸，必須首先對(duì)其數(shù)字化。本系統(tǒng)選用的視頻采集卡為Conexant公司的Bt848卡，該卡不需要任何本地緩存來(lái)存儲(chǔ)視頻像素?cái)?shù)據(jù)，還能夠充分利用基于PCI總線系統(tǒng)的高帶寬和固有的多媒體功能，并且能夠與其他多媒體設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作。在整個(gè)系統(tǒng)中由于視頻采集的速度通常高于應(yīng)用軟件取得數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理的速度，因此為了保證視頻數(shù)據(jù)的連續(xù)性，采用了三緩存結(jié)構(gòu)，緩存A是Bt848視頻采集的目標(biāo)地址，在RISC指令的直接控制下，采集的數(shù)據(jù)都先存放在這個(gè)緩存中；B和C組成乒乓式結(jié)構(gòu)循環(huán)往復(fù)使用，當(dāng)某一幀數(shù)據(jù)采集完畢后，產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中將緩存A的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存B(或C)中，然后采集下一幀，當(dāng)下一幀數(shù)據(jù)采集完后．再將緩存A中的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存C(或B)中，當(dāng)應(yīng)用程序需要數(shù)據(jù)時(shí)就從緩存B或C中讀取最新的一幀圖像。緩存B和C交替使用，能夠保證應(yīng)用程序從緩存讀數(shù)據(jù)的操作和驅(qū)動(dòng)程序向緩存寫(xiě)數(shù)據(jù)的操作不會(huì)發(fā)生沖突，避免了數(shù)據(jù)的損壞和遲延。

2.2.2 視頻壓縮編碼的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)選用了基于對(duì)象的MPEG-4視頻編碼技術(shù)，首先對(duì)輸入的任意形狀的VOP序列，用基于塊的混合編碼技術(shù)編碼。處理順序是先幀內(nèi)VOP，后幀間VOP和雙向預(yù)測(cè)VOP。在對(duì)VOP的形狀信息編碼之后，取得任意形狀VOP的采樣，每個(gè)VOP用宏塊柵格劃分成不相交的宏塊，每個(gè)宏塊含有四個(gè)8×8的像素塊，以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償及紋理編碼。已編碼的VOP幀保存在VOP幀存儲(chǔ)器中。運(yùn)動(dòng)向量在當(dāng)前VOP幀和已編碼VOP幀之間計(jì)算。對(duì)將被編碼的塊或宏塊，計(jì)算其運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)誤差。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)后的I-VOP及誤差用8×8塊DCT編碼，并進(jìn)行DCP系數(shù)的量化，然后是行程編碼和熵編碼。最后．形狀、運(yùn)動(dòng)和紋理信息復(fù)合成VOL位流輸出。這種編碼方法可以允許用戶修改、增加或重定位一個(gè)視頻場(chǎng)景中的對(duì)象，甚至可以轉(zhuǎn)換場(chǎng)景中對(duì)象的行為。對(duì)于不同的帶寬和計(jì)算復(fù)雜性需求，不必針對(duì)每種情況分別編碼，可以使用同一個(gè)視頻位流，而采用不同的參數(shù)以選擇不同的層以獲得靈活性。在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞、丟包等現(xiàn)象時(shí)仍能提供連貫性較好的視頻圖像。視頻壓縮編碼進(jìn)程將編碼后的的視頻存放到已編碼視頻緩沖隊(duì)列中，同時(shí)激活或等待直播進(jìn)程和存儲(chǔ)管理進(jìn)程的相應(yīng)處理。

2．2．3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)通信模塊是系統(tǒng)的主體部分，它包含三個(gè)數(shù)據(jù)通道：監(jiān)聽(tīng)通道、控制通道和視頻數(shù)據(jù)通道。監(jiān)聽(tīng)通道用來(lái)傳輸控制前端設(shè)備的命令數(shù)據(jù)；視頻數(shù)據(jù)通道用來(lái)傳輸各個(gè)組的視頻數(shù)據(jù)。三個(gè)通道采用不同的通信端口，所以各個(gè)通道傳輸數(shù)據(jù)彼此獨(dú)立。網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編程接口(Windows Socket，簡(jiǎn)稱Winsoek)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。按照系統(tǒng)瀏覽器，服務(wù)器的阿絡(luò)傳輸模型。在服務(wù)器端建立了以SOCKET為類型的監(jiān)聽(tīng)套接字、控制套接字；在客戶端建立了SOCKET類型的請(qǐng)求套接字、控制套接字，這些都是采用’ICP協(xié)議封裝傳輸數(shù)據(jù)的。

另外，在服務(wù)器和客戶機(jī)兩端都用到了一個(gè)組播類(CMuhieast)，它是專門為視頻傳輸而封裝的類。由CObject派生而來(lái)，其中定義了以SOCKET類型的收發(fā)視頻數(shù)據(jù)的套接宇和組套接字，從而實(shí)現(xiàn)了用組播通信方式來(lái)傳輸U(kuò)DP協(xié)議封裝的視頻數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)中IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信流程如圖3所示
 

下面給出在服務(wù)器端建立監(jiān)聽(tīng)套接字和控制套接字的程序。

……
int ret=O：
BOOL bFlag=TRUE：//設(shè)置套接字為可重用端口地址
ret=setsoekopt(IInfo.listenSocket,SOL_SOCKET，SO_REUSE
ADDR，(char)*＆bFlag，sizeof(bFlag))；
SOCKADDR_IN sockAddr；
char*addr=severaddr.GetBuffer(0)； //定義監(jiān)聽(tīng)套接字
//的地址
sockAddr.sin_family=AF_INET；
sockAddr.sin_addr.S_un.S_addr
=inet_addr(addr)；
sockAddr.sin_port=htons(PORT)：
if(bind(IInfo.1istenSoeket,(LPSOCKADDR)

2．2．4 控制模塊設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)
控制模塊實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)前端設(shè)備如鏡頭、云臺(tái)和畫(huà)面切換的控制。服務(wù)器在接收到由客戶中心監(jiān)控終端發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信息幀后，對(duì)其進(jìn)行判斷解析，并送入各個(gè)相應(yīng)的控制部件接口，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
將視頻監(jiān)控系統(tǒng)的web服務(wù)器連接到局域網(wǎng)，然后接入Intemet，給web服務(wù)器分配一個(gè)IP地址。在用戶終端，由于使用普通的瀏覽器只能顯示單畫(huà)面，很不方便，使用微軟公司的VC6.0配合微軟的瀏覽器控件，只需幾分鐘就可完成一個(gè)多畫(huà)面的瀏覽器軟件。在瀏覽器的地址欄中直接輸入視頻服務(wù)器的地址，即可在瀏覽器頁(yè)面中播放遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)穩(wěn)定、流暢的圖像，取得了良好的監(jiān)控效果。

基于嵌入式Linux視頻的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的Web服務(wù)器直接連入網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有線纜長(zhǎng)度和信號(hào)衰減的限制，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)是沒(méi)有距離概念的，徹底拋棄了地域的概念，擴(kuò)展了布控區(qū)域。又由于視頻壓縮和Web功能集中到一個(gè)體積很小的設(shè)備內(nèi)，直接連入局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)，即插即看，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性大大提高，無(wú)需專人管理，非常適合于無(wú)人值守的環(huán)境。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求會(huì)越來(lái)越高。相信該系統(tǒng)在電子商務(wù)、視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、水利和電力監(jiān)控等方面有廣闊的應(yīng)用前景。