嵌入式在小型網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器中的應(yīng)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(qiáng)的綜合系統(tǒng)，以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于許多場(chǎng)合。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)也有長(zhǎng)足的發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代的嵌入式網(wǎng)絡(luò)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(shì)

在數(shù)字視頻和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)的推動(dòng)下。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)日趨成熟，并已經(jīng)逐步深入到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，一躍成為現(xiàn)代多媒體技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。從第一代基于模擬攝像機(jī)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)，到第二代基于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，再到第三代基于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了三個(gè)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(yīng)用的靈活性較差。(4)不易擴(kuò)展。

1．2基于微機(jī)平臺(tái)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(jī)和Windows平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)中安裝視頻壓縮卡和相應(yīng)的DVR軟件，不同型號(hào)視頻卡可連接1／2／4路視頻，支持實(shí)時(shí)視頻和音頻，是第一代模擬監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)實(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻傳輸(超過1—2公里)的系統(tǒng)。DVR系統(tǒng)從監(jiān)控點(diǎn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離視頻傳輸需鋪設(shè)(租用)光纜、在光纜兩端安裝視頻光端機(jī)設(shè)備，系統(tǒng)建設(shè)成本高，不易維護(hù)、且維護(hù)費(fèi)用較大。

1．3基于嵌入式視頻服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控

隨著Internet和寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益發(fā)展．傳統(tǒng)的以文字和圖片為主的內(nèi)容服務(wù)已不能滿足用戶的需求，具有視頻和音頻的多媒體內(nèi)容服務(wù)即將成為主流，這是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用嵌入式的“網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器”，實(shí)現(xiàn)從監(jiān)控點(diǎn)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(shì)。網(wǎng)絡(luò)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(shì)：(1)用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，不需要為新建監(jiān)控鋪設(shè)光纜、增加設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。(2)系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方增加監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備就可擴(kuò)展新的監(jiān)控點(diǎn)，維護(hù)費(fèi)用低，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)由網(wǎng)絡(luò)提供商維護(hù)，前端設(shè)備是即插即用、免維護(hù)系統(tǒng)。(3)系統(tǒng)功能強(qiáng)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(luò)中的每一臺(tái)計(jì)算機(jī)，只要安裝了客戶端的軟件．給予相應(yīng)的權(quán)限就可成為監(jiān)控工作站。嵌入式設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)是專門設(shè)計(jì)的獨(dú)立設(shè)備，不像插卡系統(tǒng)那樣受通用計(jì)算機(jī)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(hù)。我們根據(jù)實(shí)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(shè)備。本文著重介紹其硬件實(shí)現(xiàn)。[2][!--empirenews.page--]

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由圖像采集模塊、圖像處理模塊、USB HOST接口的存儲(chǔ)模塊、10/100M以太網(wǎng)接口等五部分組成，其主要設(shè)計(jì)思想是(見圖一)：將CCD攝像頭采集的模擬信號(hào)送入圖像采集模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后在時(shí)序和控制信號(hào)的作用下，把圖像數(shù)據(jù)送到AT91RM9200，AT91RM9200對(duì)采集來的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，判斷圖像中是否有動(dòng)目標(biāo)，并提取出動(dòng)目標(biāo)，再將當(dāng)前圖像中動(dòng)目標(biāo)的位置信息和最近被記錄下的圖像中動(dòng)目標(biāo)的位置信息進(jìn)行相似度比較，決定是否記錄當(dāng)前圖像。這樣的方法能有效的避免長(zhǎng)時(shí)間記錄靜止不變的圖像，減少了存儲(chǔ)介質(zhì)的浪費(fèi)，也減輕了資料檢索的工作量。為了方便資料的存儲(chǔ)與提取，給AT91RM9200的USB HOST接口接USB存儲(chǔ)設(shè)備來存儲(chǔ)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(shè)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(hào)，要經(jīng)AD轉(zhuǎn)換才能送給CPU進(jìn)行處理，ADC芯片采用Philips的SAA7114，SAA7114有六路模擬輸入，內(nèi)置模擬源選擇器可構(gòu)成６×ＣＶＢＳ、２×Ｙ／Ｃ?２×ＣＶＢＳ、１×Ｙ／Ｃ和４ ×ＣＶＢＳ；兩路模擬預(yù)處理通道，內(nèi)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(dòng)增益控制功能，對(duì)ＣＶＢＳ、Ｙ／Ｃ通道可進(jìn)行自動(dòng)鉗位控制；能自動(dòng)檢測(cè)５０Ｈｚ／６０Ｈｚ場(chǎng)頻，并可自動(dòng)在ＰＡＬ和ＮＴＳＣ制式進(jìn)行切換；能將ＰＡＬ、ＮＴＳＣ和ＳＥＣＡＭ信號(hào)解碼及模數(shù)變換得到符合ＩＴＵ－６０１／ＩＴＵ－６５６的數(shù)字電視信號(hào)。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(zhì)量最好的一種。其通過Ｉ２Ｃ接口，進(jìn)行初始化設(shè)置。SAA7114的 A/D轉(zhuǎn)換精度是9b，并行輸出8b視頻輸出帶為27 MHz。每一個(gè)時(shí)鐘周期(1/27MHz)并行輸出1個(gè)字節(jié)，除了輸出數(shù)字象素外，SAA7114還輸出時(shí)鐘信號(hào)以同步。可以通過設(shè)置SAA7114的相關(guān)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(dāng)FIFO中快寫滿數(shù)據(jù)時(shí)，給AT91RM9200發(fā)出控制信號(hào)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(shí)性能高達(dá)200 MIPS，存儲(chǔ)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(chǔ)器，Burst Flash，無縫連接的CompactFlash，SmartMedia及NAND Flash。存儲(chǔ)控制器(MC) 管理ASB 總線并最多達(dá)4 個(gè)主機(jī)的訪問控制。它通過一個(gè)總線判決器和一個(gè)地址譯碼器將4G字節(jié)的地址空間分區(qū)來訪問內(nèi)置的SRAM與ROM，內(nèi)置外設(shè)及通過外部總線接口(EBI) 的外部存儲(chǔ)器 。它還可通過一個(gè)異常中止?fàn)顟B(tài)與一個(gè)失調(diào)檢波器來幫助應(yīng)用程序調(diào)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(chǔ)部分設(shè)計(jì)

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

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

3.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸部分設(shè)計(jì)
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(dòng)硬盤中，而遠(yuǎn)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(yīng)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(dāng)使用AT91RM9200的以太網(wǎng)接口，在片以太網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)，根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802．3／l，完成網(wǎng)絡(luò)邏輯層和物理層之間MAC的工作。運(yùn)用DMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，不影響AT91RM9200的Processor正常運(yùn)行。[4]首先正確設(shè)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(chǔ)首地址等參數(shù)，隨后依次從指定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)地址取32b數(shù)據(jù)，送人內(nèi)部發(fā)送緩沖器中，由MAC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝發(fā)送，同時(shí)記錄已傳送字節(jié)數(shù)，直到數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢。當(dāng)發(fā)送完一組數(shù)據(jù)后，發(fā)出DMA中斷請(qǐng)求，由AT91RM9200進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4   小結(jié)

本文在充分用AT91RM9200本身的資源的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)一種小型網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的硬件架構(gòu)，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(luò)的問題，輕松解決信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸問題,而且由于采用了嵌入式實(shí)時(shí)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(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性.

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),大大提高了小型網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的抗干擾能力,有良好好的可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用。