嵌入式MPEG-2遠程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

1　系統(tǒng)介紹

    Vstar MPEG－2系列遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于TCP／IP網(wǎng)絡(luò)的嵌入式遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)，采用嵌入式設(shè)計方案，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，采用MPEG－2視頻壓縮技術(shù)，圖像高清晰，畫質(zhì)可達DVD效果，能夠?qū)崿F(xiàn)單畫面輪流監(jiān)看和1～16個畫面同屏監(jiān)看，支持遠程和本地云臺控制，支持多任務(wù)工作方式，而且圖像存儲、監(jiān)看、遠程控制可同步進行，監(jiān)控距離隨網(wǎng)絡(luò)延伸而不斷加長。該系統(tǒng)分為遠程現(xiàn)場、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控服務(wù)三部分，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    遠程現(xiàn)場部分和監(jiān)控服務(wù)部分都安裝了MPEG－2圖像處理設(shè)備和有線網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備，軟件采用客戶／服務(wù)器（client／server）結(jié)構(gòu)，在遠程現(xiàn)場的有線網(wǎng)絡(luò)接口上運行的是服務(wù)器端軟件，監(jiān)控中心運行客戶端軟件。遠程現(xiàn)場的軟件在系統(tǒng)啟動后要向監(jiān)控中心注冊，作為一個監(jiān)控系統(tǒng)，必須有監(jiān)控點的名稱、監(jiān)控點的特性描述的內(nèi)容。監(jiān)控中心在認證該監(jiān)控點之前，為了避免與已經(jīng)存在的監(jiān)控點名稱相同造成混淆，必須先檢測網(wǎng)上是否已經(jīng)存在名稱相同的監(jiān)控點，如果有，則會提醒用戶更換名稱。在通過權(quán)限認證后，客戶端可以通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器端建立TCP／IP連接，兩端的通信包括圖像數(shù)據(jù)和控制指令通信，客戶端可以在權(quán)限允許范圍內(nèi)根據(jù)需要通過監(jiān)控中心來調(diào)節(jié)服務(wù)器端的參數(shù)設(shè)置和工作方式，服務(wù)器端則向客戶端發(fā)送經(jīng)過編碼處理后的MPEG－2視頻碼流。

    客戶端軟件運行在監(jiān)控中心的PC上，提供相應(yīng)的用戶控制接口。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器端建立不同類型的連接，從而獲取不同的服務(wù)。服務(wù)器端軟件運行在遠程現(xiàn)場PC104上，它的功能比較豐富，包括硬件的驅(qū)動控制、通信線路管理、圖像數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)控制、攝像頭和云臺調(diào)節(jié)等等。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計　　　　

    硬件核心部分是MPEG－2視頻處理設(shè)備的設(shè)計，圖2中簡單介紹了MPEG－2硬件視頻壓縮處理的結(jié)構(gòu)。MPEG－2視頻采集壓縮模塊以富士通MB86390芯片為核心，完成對標準視頻信號（PAL或NTSC信號）的A／D轉(zhuǎn)換、MPEG－2壓縮以及與PC104主機之間的通信功能。圖2中視頻解碼A／D從攝像頭輸入的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字視頻信號，然后進行編碼預處理，編碼預處理是將接收的視頻信號處理為規(guī)定的格式，即，把視頻解碼輸出的CCIR601格式的信號轉(zhuǎn)化為編碼器可以處理的CIF或QCIF格式，然后再進行MPEG－2壓縮編碼。圖中的SRAM用來作為編碼所需的幀存和存儲編碼完成后的碼流數(shù)據(jù)。PC104上的軟件則通過總線接口單元來控制編碼器的參數(shù)設(shè)置，及讀取編碼壓縮后的碼流數(shù)據(jù)。該模塊包括以下功能單元：以SAA6252為核心的視頻A／D單元，以MB86390為核心的MPEG－2視頻壓縮單元，以AT89C51與EPM7128（EPLD）為核心構(gòu)成的控制邏輯和總線接口單元?？偩€接口單元是在EPLD中實現(xiàn)的，它是本模塊與主機（PC104）進行交互的通道，可以和主機進行視頻碼流和控制數(shù)據(jù)的交換?？刂七壿嬍且曨l采集壓縮模塊的核心，它控制并協(xié)調(diào)各模塊的工作，提供控制信號，通過EPLD編程實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊所需要的選通、緩沖、讀／寫使能，以及數(shù)據(jù)總線和地址總線的切換等等。

    鏡頭云臺控制是通過PC104主機的RS232口進行的，允許用戶根據(jù)自己的要求調(diào)節(jié)系統(tǒng)。用戶可以通過調(diào)節(jié)鏡頭的景深（zoom）、焦距（focus）以及光圈（iris）來調(diào)整圖像質(zhì)量，還可以通過云臺的上下左右調(diào)節(jié)來獲取不同角度的圖像。由監(jiān)控中心的Client端軟件通過SOCKET網(wǎng)絡(luò)接口，把調(diào)整信息發(fā)送給Server端，Server接收到控制指令后，進行指令識別，然后向?qū)?yīng)的RS232口發(fā)送指令去控制云臺，完成調(diào)整任務(wù)。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計　　　　

    傳統(tǒng)的應(yīng)用程序都是單線程的，即，在程序運行期間，由單個線程獨占CPU的控制。在這種情況下，程序在執(zhí)行一些比較費時的任務(wù)時，就無法及時響應(yīng)用戶的操作，影響了應(yīng)用程序的實時性能。在監(jiān)控系統(tǒng)，特別是遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用程序往往不但要及時把監(jiān)控對象的最新信息反饋給監(jiān)視客戶（通過圖形顯示），還要處理本地機與遠程機之間的通信以及對控制對象的實時控制等任務(wù)，這時，僅僅由單個線程來完成所有任務(wù)，顯然無法滿足監(jiān)控系統(tǒng)的實時性要求。為此，可引進多線程機制，主線程專門負責消息的響應(yīng)，使程序能夠響應(yīng)命令和其他事件。輔助線程可以用于完成其他比較費時的工作，如通信、圖形顯示和后臺打印等，這樣就不至于影響主線程的運行?？傊?，把多線程機制引進通信，有利于提高應(yīng)用程序的實時性，充分利用系統(tǒng)資源。對于大型的工程應(yīng)用來說，不同的線程完成不同的任務(wù)，也有利于提高程序的模塊化，便于維護和擴展?！　　　?

    軟件采用了Client／Server結(jié)構(gòu)，兩端通過網(wǎng)絡(luò)建立TCP／IP連接，按照自定義的數(shù)據(jù)通信協(xié)議交換數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)控制的功能。監(jiān)控中心的客戶端向服務(wù)器端申請建立連接，服務(wù)器監(jiān)聽到連接請求之后，和客戶端建立SOCKET連接，客戶端向服務(wù)器發(fā)送控制信號，服務(wù)器端向客戶端發(fā)送視頻碼流?！　　?BR>
   　服務(wù)器端軟件運行在PC104上，編碼部分由于采用了硬件壓縮，不占用PC104的系統(tǒng)資源，所以，合理設(shè)計PC104上運行的服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)，對于提高整個系統(tǒng)的工作效率有著重要的意義，系統(tǒng)性能也與之密切相關(guān)。軟件設(shè)計的主要思想如下：讀取線程，發(fā)送線程和控制線程之間的同步，防止有限資源的浪費。

    在分析控制指令、碼流讀入、發(fā)送傳輸?shù)奶幚磉^程中，可能會存在時間冗余。以讀取碼流為例，系統(tǒng)從EPLD的FIFO中讀取視頻數(shù)據(jù)，如果CPU讀取的速度比編碼器的速度快，可能會處于等待的編碼器硬件響應(yīng)狀態(tài)。此時雖然CPU被占用，但實際上系統(tǒng)沒有執(zhí)行有效的任務(wù)，造成計算機系統(tǒng)資源的浪費，而嵌入式系統(tǒng)的資源本來就非常緊張。為了充分利用CPU計算能力，提高系統(tǒng)的整體性能，在該系統(tǒng)中采用多線程技術(shù)實現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度?，F(xiàn)以遠程現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理過程為例分析如下：　　　　

　　（1）讀取線程：負責控制硬件，從編碼器中讀取圖像數(shù)據(jù)到主機內(nèi)存；

　?。?）發(fā)送線程：負責視頻碼流的傳輸；