基于PXA255和JPEG壓縮算法的嵌入式視頻監(jiān)視系統(tǒng)
1 嵌入式系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
1.1 視頻數(shù)據(jù)采集終端
現(xiàn)場視頻信號的獲取采用基于PXA255的嵌入式CPU構(gòu)建的開發(fā)平臺Sitsang開發(fā)板?;赑XA255的Sitsang嵌入式開發(fā)板是一個功能強大的嵌入式開發(fā)平臺,其CPU工作主頻為 MHz,具有64M閃盤的存儲容量,內(nèi)部RAM達到了32M,并且具有豐富的外設(shè)資源。其中Sitsang板上自帶的USB接口(USB1.0)能夠與USB攝像頭進行連接,從而滿足本設(shè)計中視頻信號的采集要求。本設(shè)計采用MDC-30L作為視頻采集設(shè)備,直接通過USB接口與Sitsang板進行連接。
1.2 無線局域網(wǎng)
采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式,不僅能夠省去布線等施工操作,并且配置簡單,便于進行設(shè)備的檢修和維護。無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用TEW-310APB無線網(wǎng)橋,它具有下列多種優(yōu)點,便于進行圖像傳輸:采用直接序列擴頻 (DSSS)技術(shù);提供高的數(shù)據(jù)速率帶寬達 22Mbps;提供 64/128/256位有線等效保密 (WEP)編碼;瀏覽器WEB配置和基于 Windows的配置軟件;通過無線用戶的MAC地址進行訪問控制;分開的 2dBi雙極天線,更換其中任何一個天線為高增益天線即可以擴大信號覆蓋范圍。DHCP服務(wù)支持高達100個客戶端 ;10/100Mbps自適應(yīng)快速以太網(wǎng)端口。
1.3 監(jiān)視服務(wù)器
服務(wù)器中完成了多路視頻信號的采集和轉(zhuǎn)發(fā)工作,通過不同的端口與需要進行視頻監(jiān)控的客戶機進行通訊,并傳輸壓縮好的視頻數(shù)據(jù)。因此,可以選擇一般服務(wù)器計算機就能滿足要求。
1.4 移動監(jiān)視終端
移動監(jiān)控終端我們同樣采用Sitsang開發(fā)板來進行設(shè)計。服務(wù)器收到相關(guān)數(shù)據(jù)后可以根據(jù)要求把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給移動終端,移動終端通過無線網(wǎng)橋接收數(shù)據(jù)后在液晶屏上進行相應(yīng)的顯示,這樣方便監(jiān)控人員隨時隨地了解現(xiàn)場發(fā)生的情況。
系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框圖如圖1所示:
圖1 硬件構(gòu)成
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
2.1 Linux 下開發(fā)平臺的建立
Sitsang嵌入式開發(fā)平臺適合多種嵌入式操作系統(tǒng),本文在Sitsang開發(fā)板上構(gòu)建了基于ARM的嵌入式Linux操作系統(tǒng),簡稱Arm_Linux操作系統(tǒng),并且對Linux進行了有效的裁剪,使其適應(yīng)本設(shè)計的要求。
要在Linux系統(tǒng)中開發(fā)應(yīng)用程序,必須完成開發(fā)環(huán)境的建立。首先是建立交叉編譯環(huán)境,使程序能夠在PC機上進行編譯、連接,然后下載到目標板(Sitsang板)上運行;其次選擇QT作為Linux環(huán)境下可視化界面的開發(fā)工具,Qt是Linux下免費的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境,它具有優(yōu)良的跨平臺性能,支持絕大多數(shù)系統(tǒng)常用的API函數(shù);最后要進行內(nèi)核的裁剪。
2.2 Linux 內(nèi)核的裁剪和建立
原始的linux內(nèi)核提供了較完備的系統(tǒng)資源,為開發(fā)目標的實現(xiàn)提供了多種可行性方案的硬件支持,但是考慮到更充分的利用硬件資源和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,就要根據(jù)所需要的資源對內(nèi)核進行相應(yīng)的配置,增加需要的設(shè)備資源,不需要的資源可不必加載其驅(qū)動程序。
根據(jù)我們對這套系統(tǒng)的要求,確定了以下所用硬件:USB Host controller、USB Client、Touch Screen、LCD、FF UART、BT UART、LAN、VIDEO等設(shè)備資源以及與它們相關(guān)的一些接口總線設(shè)備。對于IrDA,USB鼠標鍵盤等設(shè)備我們沒有用到,從內(nèi)核中進行刪除。
2.3 軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)
軟件分成幾個模塊來進行設(shè)計:
2.3.1 視頻采集處理模塊
這是整個系統(tǒng)軟件的“底層”工作部分。它直接通過攝像頭完成現(xiàn)場視頻圖像的實時采集,并進行相關(guān)的初步處理,為網(wǎng)絡(luò)發(fā)送作好準備。
2.3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊
此模塊接收視頻采集模塊和狀態(tài)參數(shù)采集模塊提供的相關(guān)數(shù)據(jù),傳遞給監(jiān)控服務(wù)器以備下一步處理;同時,它還可以轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)給某個特定的移動監(jiān)控終端,以便實現(xiàn)移動監(jiān)控。
2.3.2 視頻顯示及報警模塊
此模塊在監(jiān)控服務(wù)器和移動監(jiān)控終端上都存在,功能也基本相同。它可以實時的顯示接收到的視頻圖像,并在發(fā)現(xiàn)圖像異常時及時給出報警信號,提醒監(jiān)控人員進行處理。
2.3.4 文件服務(wù)模塊
此模塊主要是在發(fā)生報警后及時記錄相關(guān)信息,并在硬盤上存貯相關(guān)數(shù)據(jù),以備將來查閱。
整體軟件設(shè)計框圖如下圖2所示:[!--empirenews.page--]
圖2 系統(tǒng)軟件框圖
在視頻采集與處理模塊中,首先要按照要求在linux2.4.19內(nèi)核中加入V4L (video for linux) 的支持項,然后在usb總線驅(qū)動中就會出現(xiàn)一些camera的選項,里面就有ov511(支持網(wǎng)眼3000)和stv680(支持MDC-30L數(shù)碼相機)的驅(qū)動支持。
V4L定義了在linux下進行圖像采集的接口函數(shù)。主要有設(shè)備的open、close、read、write、ioctrl、mmap等對設(shè)備的操作方法,并通過結(jié)構(gòu)體video_device_ stv680_template在內(nèi)核中進行登記,方便在用戶狀態(tài)下進行設(shè)備的各種操作??梢砸蕴摂M內(nèi)存映射方式獲取圖像數(shù)據(jù),主要是調(diào)用mmap內(nèi)存映射函數(shù)stv680_mmap,其定義如下:
static int stv680_mmap (struct video_device *dev, const char *adr, unsigned long size)
在該函數(shù)中,利用系統(tǒng)調(diào)用remap_page_range,將物理地址pos對應(yīng)的虛擬頁面地址page映射到用戶空間中去,從而實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)從驅(qū)動到應(yīng)用程序的轉(zhuǎn)移。對硬件底層的操作,集中在stv680_ioctl函數(shù)中,通過系統(tǒng)調(diào)用ioctrl對設(shè)備進行控制,其中包括:VIDIOCGCAP、VIDIOCSYNC等控制方式,對攝像頭進行配置、同步等操作。這些控制方式都符合V4L的控制規(guī)范,可以將一般的圖像采集程序不經(jīng)過改動移植到這個驅(qū)動上來。
對采集上來的每一幀圖像數(shù)據(jù)我們采用JPEG壓縮。在實際應(yīng)用中,JPEG壓縮使用Arm_linux下的libjpeg庫模塊,該模塊采用以離散余弦變換(Discrete Cosine Transform,DCT)為基礎(chǔ)的有損壓縮算法,在壓縮比為25:1的情況下,壓縮后還原得到的圖像與原始圖像相比較,非圖像專家難于找出它們之間的區(qū)別。經(jīng)過交叉編譯后,將編譯生成的庫文件libjpeg.so拷貝到了sitsang板的文件系統(tǒng)中,從而使sitsang板支持jpeg壓縮格式的圖形。代碼實現(xiàn)部分的主要流程如下:
設(shè)置壓縮信息結(jié)構(gòu)體struct jpeg_compress_struct cjpeg,其中保存著圖像原始信息和壓縮信息。其中圖像大小320x240,深度為3,顏色類型為RGB.
設(shè)置圖像壓縮品質(zhì):jpeg_set_defaults(&cjpeg) jpeg_set_quality(&cjpeg, quality, TRUE);
設(shè)置圖像壓縮方法:cjpeg.dct_method = JDCT_FASTEST(使用快速離散dct變換)
開始壓縮:
jpeg_start_compress(&cjpeg, TRUE);
……
jpeg_write_scanlines(&cjpeg, row_ptr, 1);
……
完成壓縮:jpeg_finish_compress(&cjpeg); jpeg_destroy_compress(&cjpeg)
在圖像的處理上,本文設(shè)計了簡單并且行之有效的圖像比較判斷程序,來判斷圖像是否發(fā)生變化,并且只有當圖像發(fā)生變換以后,系統(tǒng)才會自動將現(xiàn)場情況上報給監(jiān)控主機。比較函數(shù)cmp_blks設(shè)定一個圖像發(fā)生變化的極限c_limit,然后將一幀圖像分割成12*12個圖像塊(block),對每一個block,將像素之差與c_limit進行比較,如果大于c_limit,則認為該塊圖像發(fā)生了變化,否則沒有變化。在野外無人值守的監(jiān)控環(huán)境中,根據(jù)實驗和經(jīng)驗進行設(shè)定c_limit的值,能夠合理的利用網(wǎng)絡(luò)帶寬進行傳輸并減少系統(tǒng)負擔。經(jīng)過概算法確定的視頻變化塊信息可以用于以后圖像跟蹤的擴展功能。
3 系統(tǒng)的測試與結(jié)論
通過現(xiàn)場安裝測試,每個監(jiān)視終端可以同時支持4臺視頻采集終端的連接與數(shù)據(jù)傳輸,服務(wù)器可以同時支持多達100臺視頻采集終端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),長時間運行效果很好。經(jīng)過圖像預(yù)處理、判斷和壓縮后,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小,節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬,適合無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。