基于OMAP5912遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

引言

　　目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化已成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。本設(shè)計采用OMAP5912 處理器[1]設(shè)計和實現(xiàn)了基于B/S模式的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，不僅解決了傳統(tǒng)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的弊端，而且彌補了單核處理器在視頻編碼方面的不足。

　　OMAP5912是由ARM926EJ-S MPU內(nèi)核和TMS320C55x DSP內(nèi)核組成的雙核處理器, ARM926 可滿足控制和接口方面的處理需要，而且支持廣泛的操作系統(tǒng)，而C55x 系列DSP可提供對低功耗應(yīng)用的實時多媒體處理的支持。因此，將OMAP5912用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)中時，可以利用ARM核實現(xiàn)人機接口、控制和通訊，利用DSP核實現(xiàn)視頻編碼，從而可以組成一個高速、清晰、低功耗、具有良好人機交互的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以O(shè)MAP5912電路板和攝像頭為硬件，以Montavist Linux操作系統(tǒng)，攝像頭驅(qū)動程序、H.264編碼器、網(wǎng)絡(luò)通信程序為軟件，以帶IE瀏覽器的PC機為監(jiān)控端。在服務(wù)器端OMAP5912的ARM核通過驅(qū)動程序啟動攝像頭進行視頻采集，利用DSP/BIOS Bridge將獲得的視頻傳送給DSP核，DSP核利用優(yōu)化后的H.264編碼器對視頻編碼，然后將編碼后的視頻回送給ARM核，ARM核通過網(wǎng)絡(luò)通信程序與監(jiān)控端進行數(shù)據(jù)交換。用戶監(jiān)控端對視頻解碼并播放視頻，同時可以通過IE瀏覽器對攝像頭進行控制及參數(shù)設(shè)置。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計即為OMAP5912電路板的設(shè)計，設(shè)計中，電源管理芯片采用TPS65010；DDR采用K4X56163PE芯片；NOR FLASH采用兩MT28F128J3FS-12芯片；音頻CODEC芯片采用TLV320AIC23；以太網(wǎng)接口芯片采用LAN91C96；另外還設(shè)計有USB接口、UART接口、音頻輸入輸出接口、JATG/Multi-ICE仿真調(diào)試接口及四個擴展接口。OMAP5912 電路板原理框圖如圖2所示。

圖2  OMAP5912電路板原理框圖

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是采集視頻并進行遠程傳輸，軟件部分設(shè)計主要包括軟件平臺的構(gòu)建、攝像頭驅(qū)動程序的實現(xiàn)、視頻采集和視頻編碼的實現(xiàn)、嵌入式WEB服務(wù)器的構(gòu)建、視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)。

　　1）開發(fā)平臺的建立

　　在應(yīng)用程序開發(fā)前，首先需要在OMAP5912電路板中建立起軟件平臺，主要步驟如下：

　　（1）在PC機中安裝MontaVista Linux嵌入式操作系統(tǒng)。
　?。?）移植u_boot到目標板中
　?。?）Linux內(nèi)核配置并增加如下兩個模塊：
　　①Multimedia devices→<*>Video For Linux→[*]V4L information in proc filesystem；
　　②USB Support→USB Multimedia devices→<*>USB OV511 Camera support；
　　修改一些參數(shù)，其中最重要的是修改Makefile文件：
　　ARCH:= OMAP
　　CROSS_COMPILE=arm_v4t_le-
　　最后執(zhí)行如下命令生成內(nèi)核鏡像文件：
　　#make dep #創(chuàng)建內(nèi)核依賴關(guān)系
　　#make clean #清除中間文件
　　#make uImage  #創(chuàng)建內(nèi)核鏡像文件（4）使用tftp方式下載內(nèi)核鏡像文件[!--empirenews.page--]

?。?）掛載根文件系統(tǒng)
　　在應(yīng)用程序的開發(fā)過程中，一般通過網(wǎng)絡(luò)以N FS方式來掛載在L inux主機上的文件系統(tǒng), 這樣就不必要每次有改動都要重新燒寫文件系統(tǒng)的鏡像文件。它的實現(xiàn)基于對主機進行相應(yīng)的配置并啟動N FS 服務(wù), 向Linux 主機的/etc/exports文件添加下列一行：
　　/home/luowei/montavista/filesys *(rw,no_root_squash,no_all_squash,sync)
　　并運行下列命令使得設(shè)置生效：
　　#exportfs –a
　　#service nfs restart
　　說明：/home/luowei/montavista/filesys為本人宿主機上的根文件系統(tǒng)，可以根據(jù)實際情況修改。
　?。?）系統(tǒng)測試
　　在/home/luowei/montavista/filesys/home建立一個hello.c文件，并使用如下命令編譯成目標板可執(zhí)行文件hello：
　　/opt/montavista/previewkit/arm/v4t_le/bin/arm_v4t_le-gcc –o hello hello.c
　　進入目標板上相同目錄并執(zhí)行./hello，若能正確運行，表明系統(tǒng)搭建成功。
　　2）視頻采集和編碼
　?。?）攝像頭驅(qū)動程序設(shè)計
　　驅(qū)動程序的作用在于把設(shè)備映射為一個特殊的設(shè)備文件, 用戶程序可以像對其它文件一樣對此設(shè)備文件進行操作[2]。系統(tǒng)的攝像頭驅(qū)動程序包括攝像頭打開模塊Camera_Open()、攝像頭控制模塊（包括中斷請求，攝像頭初始化、啟動、攝像頭寄存器設(shè)置、DMA請求及啟動）和攝像頭關(guān)閉模塊Camera_Release()。然后將驅(qū)動程序定義在struct file_operations中，供內(nèi)核Video4Linux的API函數(shù)調(diào)用?？紤]到Linux自帶OV511的驅(qū)動程序，設(shè)計采用OV511芯片的網(wǎng)眼攝像頭OV3000。
　?。?）視頻采集
　　設(shè)計使用Video4Linux模塊[5]提供的API函數(shù)進行視頻采集，主要函數(shù)包括：
　?、賒ev?=?open(Camera_Open?,O_?RDWR);打開視頻捕獲設(shè)備。
　?、趇octl?(dev?,?VIDIOCGCAP?,?&vid_
　　caps)?獲取該視頻設(shè)備的相關(guān)性能。
　　③ioctl?(dev?,?VIDIOCGCHAN?,?&vid_
　　chnl);獲取攝像頭通道的相關(guān)參數(shù)。
　　④ioctl?(dev?,?VIDIOCGFBUF?,?&vid_
　　buf)?;獲取幀緩沖的屬性。
　?、輎octl?(dev?,?VIDIOCGPICT?,?&vid_pi);獲取圖片采集的設(shè)置。
　　⑥ioctl?(dev?,?VIDIOCSPICT?,?&vid_pic);設(shè)置圖片采集的相關(guān)參數(shù),包括顏色深度、調(diào)色板類型、亮度、對比度等。
　　⑦ioctl?(dev?,?VIDIOCSWIN?,?&vid_win);設(shè)置圖像采集的視區(qū)參數(shù)。
　?、鄁write?(m_buf?,1?,230400?,p)?;采集的數(shù)據(jù)存入。
　　⑨ioctl?(?dev?,?VIDIOCMCAPTURE?,?
　　&vid_mmap);開始俘獲一幀。
　　設(shè)計中使用內(nèi)存映射mmap()[3]方式截取視頻幀，即先使用ioctl()函數(shù)獲得攝像頭存儲緩沖區(qū)的幀信息，之后修改video_mmap中的設(shè)置，接著使用mmap()把攝像頭對應(yīng)設(shè)備文件映射到內(nèi)存區(qū)，完成視頻采集。
?。?）視頻編碼
　　設(shè)計采用OMAP5912的DSP核進行視頻編碼，能充分發(fā)揮OMAP5912的雙核優(yōu)勢。在編碼器的選擇上，考慮到H.264和以前的視頻編碼標準（如H.263和MPEG-4）相比，在壓縮性能上有較大的提高，本設(shè)計選擇適合嵌入式系統(tǒng)的x264-20060612版本H.264編碼器。考慮到監(jiān)控視頻場景的特點，選擇如下編碼方案：
　?、貶.264的baseline，不采用B幀編碼和CABAC；
　　②搜索范圍選取16；
　?、哿炕瘏?shù)選取32；
　?、?/2像素插值；
　　⑤只使用1個參考幀；
　?、蘧幋aP幀宏塊的時只采用16×16，16×8，8×16，8×8，Intra16×16五種模式。
　　H.264編碼器經(jīng)過一系列優(yōu)化后即可用于本系統(tǒng)，其工作流程如圖3所示。

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　3）視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸
　　考慮到B/S模式拓展性好、維護和升級容易、安全度較高等優(yōu)點，系統(tǒng)采用B/S模式。用戶只需要在遠程客戶機的網(wǎng)頁地址欄內(nèi)輸入服務(wù)器的IP地址，通過瀏覽器就能實時查看現(xiàn)場視頻畫面。
　　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信程序的設(shè)計包括服務(wù)端和監(jiān)控端的設(shè)計，其中監(jiān)控端采用通用的IE瀏覽器即可，主要是服務(wù)器部分的設(shè)計，包括構(gòu)建WEB服務(wù)器[4]（主要涉及BOA Web Server的移植及配置， CGI腳本的創(chuàng)建）、C語言實現(xiàn)CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）、實現(xiàn)嵌入式數(shù)據(jù)庫和制作簡單網(wǎng)頁等。其中，CGI為WEB服務(wù)器和應(yīng)用程序的接口，如通過CGI程序?qū)h程設(shè)備的進行參數(shù)設(shè)置；采用嵌入式數(shù)據(jù)庫MSQL用于存取系統(tǒng)的重要信息，如用戶的帳號、密碼，攝像頭參數(shù)等。采用B/S模式后，服務(wù)器和監(jiān)控端的通信程序結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 服務(wù)器和監(jiān)控端的通信程序結(jié)構(gòu)圖

嵌入式WEB服務(wù)器部分程序如下。
　　//創(chuàng)建TCP套接字連接TCP網(wǎng)絡(luò)
　　if((sock_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
　　{
　　perror("sock_fd error");
　　exit(1);
　　}
　　setsockopt(sock_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&on,sizeof(on));
　　//為套接字分配HTTP協(xié)議地址
　　my_addr.sin_family=AF_INET;
　　ddr.sin_port=htons(80);
　　my_addr.sin_addr.s_addr=htons(INADDR_ANY);
　　if(bind(sock_fd,(struct sockaddr*)&my_addr,sizeof(their_addr))==-1)
　　{
　　perror("bind errorn");
　　exit(1);
　　}
　　……
　　if(!fork())
　　{
　　recv(new_fd,http_rec,2048,0);//接收用戶端控制命令
　　//捕捉圖像
　　image=videograb(320,240,brightness,contrast,colour,hue);
　　……
　　}
　　系統(tǒng)充分發(fā)揮了OMAP5912的雙核優(yōu)勢，實現(xiàn)了視頻實時采集、存儲、編碼及網(wǎng)絡(luò)傳輸。視頻監(jiān)控用戶界面效果圖如圖5所示。

結(jié)語

　　設(shè)計和實現(xiàn)了基于OMAP5912的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)充分發(fā)揮了OMAP5912的雙核優(yōu)勢，實現(xiàn)了服務(wù)器端進行視頻的實時采集、存儲、編碼及網(wǎng)絡(luò)傳輸，而監(jiān)控端的PC機可以通過IE瀏覽器查看監(jiān)測點的視頻，也可以設(shè)置視頻的分辨率、亮度、對比度等參數(shù)。經(jīng)實際運行表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，視頻流暢，能夠滿足遠程視頻監(jiān)控的要求。