嵌入式在小型網(wǎng)絡視頻服務器中的應用

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，它是一種防范能力較強的綜合系統(tǒng)，以其直觀、方便、信息內容豐富而廣泛應用于許多場合。近年來，隨著計算機技術、圖像處理技術以及網(wǎng)絡傳輸技術的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術也有長足的發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代的嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

在數(shù)字視頻和計算機網(wǎng)絡等新技術的推動下。網(wǎng)絡數(shù)字視頻監(jiān)控技術日趨成熟，并已經(jīng)逐步深入到社會生活的各個領域，一躍成為現(xiàn)代多媒體技術及網(wǎng)絡技術的一個重要研究方向。從第一代基于模擬攝像機的模擬監(jiān)控系統(tǒng)，到第二代基于數(shù)字攝像機的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，再到第三代基于網(wǎng)絡攝像機的網(wǎng)絡數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。[1]

1．1模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)

模擬監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展較早，目前常稱為第一代監(jiān)控系統(tǒng)。模擬視頻系統(tǒng)存在的問題：(1)只適用于較小的地理范圍。(2)與信息系統(tǒng)無法交換數(shù)據(jù)。(3)監(jiān)控僅限于監(jiān)控中心．應用的靈活性較差。(4)不易擴展。

1．2基于微機平臺的數(shù)字視頻監(jiān)控(DVR)

DVR是近幾年迅速發(fā)展的第二代監(jiān)控系統(tǒng)．采用微機和Windows平臺，在計算機中安裝視頻壓縮卡和相應的DVR軟件，不同型號視頻卡可連接1／2／4路視頻，支持實時視頻和音頻，是第一代模擬監(jiān)控系統(tǒng)升級實現(xiàn)數(shù)字化的可選方案，適合傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的改造，不適合新建的監(jiān)控系統(tǒng)、又要求實現(xiàn)遠程視頻傳輸(超過1—2公里)的系統(tǒng)。DVR系統(tǒng)從監(jiān)控點到監(jiān)控中心為模擬方式傳輸．與第一代系統(tǒng)相似存在許多缺陷，要實現(xiàn)遠距離視頻傳輸需鋪設(租用)光纜、在光纜兩端安裝視頻光端機設備，系統(tǒng)建設成本高，不易維護、且維護費用較大。

1．3基于嵌入式視頻服務器的網(wǎng)絡化視頻監(jiān)控

隨著Internet和寬帶網(wǎng)絡技術的日益發(fā)展．傳統(tǒng)的以文字和圖片為主的內容服務已不能滿足用戶的需求，具有視頻和音頻的多媒體內容服務即將成為主流，這是互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展的必然趨勢。網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡系統(tǒng)，采用嵌入式的“網(wǎng)絡視頻服務器”，實現(xiàn)從監(jiān)控點前端、監(jiān)控中心、監(jiān)控工作站的數(shù)字化處理，是監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。網(wǎng)絡視頻系統(tǒng)與上述第一、二代系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢：(1)用現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源，不需要為新建監(jiān)控鋪設光纜、增加設備，實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控。(2)系統(tǒng)擴展能力強，只要有網(wǎng)絡的地方增加監(jiān)控點設備就可擴展新的監(jiān)控點，維護費用低，網(wǎng)絡維護由網(wǎng)絡提供商維護，前端設備是即插即用、免維護系統(tǒng)。(3)系統(tǒng)功能強大、利用靈活、全數(shù)字化錄像方便于保存和檢索。(4)在網(wǎng)絡中的每一臺計算機，只要安裝了客戶端的軟件．給予相應的權限就可成為監(jiān)控工作站。嵌入式設備的監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點是，系統(tǒng)是專門設計的獨立設備，不像插卡系統(tǒng)那樣受通用計算機系統(tǒng)中其他軟、硬件的影響，因此性能上更穩(wěn)定，且便于安裝、管理和維護。我們根據(jù)實際的需要，開發(fā)了一套基于嵌入式系統(tǒng)的智能視頻監(jiān)控設備。本文著重介紹其硬件實現(xiàn)。[2][!--empirenews.page--]

2 系統(tǒng)的硬件設計

整個系統(tǒng)由圖像采集模塊、圖像處理模塊、USB HOST接口的存儲模塊、10/100M以太網(wǎng)接口等五部分組成，其主要設計思想是(見圖一)：將CCD攝像頭采集的模擬信號送入圖像采集模塊進行A/D轉換，然后在時序和控制信號的作用下，把圖像數(shù)據(jù)送到AT91RM9200，AT91RM9200對采集來的圖像進行實時處理和分析，判斷圖像中是否有動目標，并提取出動目標，再將當前圖像中動目標的位置信息和最近被記錄下的圖像中動目標的位置信息進行相似度比較，決定是否記錄當前圖像。這樣的方法能有效的避免長時間記錄靜止不變的圖像，減少了存儲介質的浪費，也減輕了資料檢索的工作量。為了方便資料的存儲與提取，給AT91RM9200的USB HOST接口接USB存儲設備來存儲圖像數(shù)據(jù)，最后通過把圖像數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)傳輸?shù)接脩艚K端。

   
圖一 系統(tǒng)框圖

圖像采集模塊

系統(tǒng)使用的圖像采集設備是CCD攝像頭，成像器件：1／4 ＂SHARP CCD，有效像素：PAL:512x582、NTSC:512x492；水平清晰度：420TV LINE；掃描頻率：PAL/NTSC: 50Hz/60Hz。
由于CCD輸出的是模擬信號，要經(jīng)AD轉換才能送給CPU進行處理，ADC芯片采用Philips的SAA7114，SAA7114有六路模擬輸入，內置模擬源選擇器可構成６×ＣＶＢＳ、２×Ｙ／Ｃ?２×ＣＶＢＳ、１×Ｙ／Ｃ和４ ×ＣＶＢＳ；兩路模擬預處理通道，內有抗混迭濾波器；ＣＶＢＳ或Ｙ／Ｃ通道含完全可編程靜態(tài)增益控制或自動增益控制功能，對ＣＶＢＳ、Ｙ／Ｃ通道可進行自動鉗位控制；能自動檢測５０Ｈｚ／６０Ｈｚ場頻，并可自動在ＰＡＬ和ＮＴＳＣ制式進行切換；能將ＰＡＬ、ＮＴＳＣ和ＳＥＣＡＭ信號解碼及模數(shù)變換得到符合ＩＴＵ－６０１／ＩＴＵ－６５６的數(shù)字電視信號。該芯片是目前視頻解碼芯片中接收視頻源的寬容性及視頻解碼圖像質量最好的一種。其通過Ｉ２Ｃ接口，進行初始化設置。SAA7114的 A/D轉換精度是9b，并行輸出8b視頻輸出帶為27 MHz。每一個時鐘周期(1/27MHz)并行輸出1個字節(jié)，除了輸出數(shù)字象素外，SAA7114還輸出時鐘信號以同步?？梢酝ㄟ^設置SAA7114的相關寄存器來控制SAA7114輸出圖像的尺寸。[3]
同步FIFO采用TI公司的SN74ACT7881，大小為1024b×18，同步FIFO與SAA7114的接口速度為27MHz，寬度為8b。FIFO與AT91RM9200的接口速度可以配置為27MHz，寬度為16b。當FIFO中快寫滿數(shù)據(jù)時，給AT91RM9200發(fā)出控制信號以使AT91RM9200產(chǎn)生中斷，取走FIFO中的數(shù)據(jù)。

圖二  圖像采集模塊
                   
3.2圖像處理模塊

AT91RM9200是圖像處理模塊的核心部件，主要完成系統(tǒng)初始化和后續(xù)的圖像處理，系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT91RM9200。該芯片融合了ARM920T ARMThumb 處理器，工作于180 MHz時性能高達200 MIPS，存儲器管理單元，16-K 字節(jié)的數(shù)據(jù)緩存，16-K字節(jié)的指令緩存， 支持SDRAM，靜態(tài)存儲器，Burst Flash，無縫連接的CompactFlash，SmartMedia及NAND Flash。存儲控制器(MC) 管理ASB 總線并最多達4 個主機的訪問控制。它通過一個總線判決器和一個地址譯碼器將4G字節(jié)的地址空間分區(qū)來訪問內置的SRAM與ROM，內置外設及通過外部總線接口(EBI) 的外部存儲器 。它還可通過一個異常中止狀態(tài)與一個失調檢波器來幫助應用程序調試。SAA7114的初始化接口采用AT91RM9200的兩線接口（TWI），圖1是AT91RM9200跟SAA7114的連接圖。[!--empirenews.page--]

圖三  AT91RM9200與SAA7114的連接圖

3.3 數(shù)據(jù)存儲部分設計

由于CCD攝取的圖像數(shù)據(jù)很大，而系統(tǒng)的自帶的存儲器無法滿足大量數(shù)據(jù)的存儲要求，因此我們利用的RM9200自帶的USB2.0主機端口來外接移動移動硬盤來存儲圖像數(shù)據(jù)。

USB主機端口在主機應用中與USB連接。它處理開HCI協(xié)議(開主機控制器接口)及USB v2.0全速與低速協(xié)議。它還給ASB提供簡單的讀/ 寫協(xié)議。USB 主機端口集成一個根集線器，并在下游端口集成收發(fā)器。它提供幾個半雙工高速串行通信端口，速率為12 Mbit/s。最多可連接127 個USB 器件( 打印機、照相機、鼠標、鍵盤、硬盤等)，而USB集線器可使用“ 分層星型”布局與USB 主機連接。USB主機端口控制器與開HCI規(guī)范完全兼容。

3.4 網(wǎng)絡傳輸部分設計
圖像數(shù)據(jù)由CCD攝像頭采集后傳回嵌入系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存在外帶的移動硬盤中，而遠程的客戶端則通過Internet來訪問和讀取系統(tǒng)的圖像信息。系統(tǒng)的以太網(wǎng)部分采用RM9200自帶的的10/100自適應以太網(wǎng)接口。

圖四  為以太網(wǎng)模塊的硬件圖

圖四為以太網(wǎng)模塊的硬件圖，當使用AT91RM9200的以太網(wǎng)接口，在片以太網(wǎng)卡進行數(shù)據(jù)的發(fā)送時，根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802．3／l，完成網(wǎng)絡邏輯層和物理層之間MAC的工作。運用DMA通道進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，不影響AT91RM9200的Processor正常運行。[4]首先正確設置傳送控制寄存器和傳送地址寄存器的傳送數(shù)據(jù)塊字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)塊存儲首地址等參數(shù)，隨后依次從指定數(shù)據(jù)存儲區(qū)地址取32b數(shù)據(jù)，送人內部發(fā)送緩沖器中，由MAC對數(shù)據(jù)進行封裝發(fā)送，同時記錄已傳送字節(jié)數(shù)，直到數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢。當發(fā)送完一組數(shù)據(jù)后，發(fā)出DMA中斷請求，由AT91RM9200進行相應的處理。

4   小結

本文在充分用AT91RM9200本身的資源的基礎上，實現(xiàn)一種小型網(wǎng)絡視頻服務器的硬件架構，不僅能輕而易舉地避免了以往模擬監(jiān)控系統(tǒng)需要專有布線網(wǎng)絡的問題，輕松解決信號長距離傳輸問題,而且由于采用了嵌入式實時操作系統(tǒng),大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力,有良好好的可擴展性和經(jīng)濟實用性.

本文作者創(chuàng)新點：采用了嵌入式實時操作系統(tǒng),大大提高了小型網(wǎng)絡視頻服務器的抗干擾能力,有良好好的可擴展性和經(jīng)濟實用。