基于ARM11的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要：設計了一種基于ARM11+Linux 系統(tǒng)組成的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。為提高運算速度，系統(tǒng)采用ARM11 微處理器S3C6410 作為主處理器，采用OV9650 攝像頭作為圖像采集設備，用硬編碼方式對圖像數(shù)據(jù)進行H264編碼。接著通過WI-FI 無線網(wǎng)絡和RTP 流媒體傳輸協(xié)議把已編碼的數(shù)據(jù)傳送到遠端的服務器上顯示。實現(xiàn)了運行穩(wěn)定、速度快、成本低、體積小的無線視頻監(jiān)控平臺，具有很大的實用價值。

1 引言

隨著無線網(wǎng)絡的普及，ARM 處理器運算的能力不斷地增強以及計算機處理圖像的技術不斷地提高，基于ARM 的視頻監(jiān)控正越來越廣泛的應用于學校，社區(qū)，酒店，網(wǎng)吧，醫(yī)療等各種各樣地領域。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)布線復雜，設備龐大，智能化低，以及軟硬件資源得不到充分的發(fā)揮。而ARM 嵌入式系統(tǒng)的小型化、占用空間小、成本低廉、結構緊湊、支持無線網(wǎng)絡等特點，使得利用S3C6410 的ARM11+linux系統(tǒng)構成各種各樣的無線網(wǎng)絡數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)具有廣泛的應用價值。

2 系統(tǒng)整體設計

2.1 硬件總體設計

本系統(tǒng)采用韓國三星公司ARM11 內(nèi)核的S3C6410 作為微處理器，該款處理器體積小，尺寸僅相當于一個48mm*67mm 方塊的大小，同時集成了豐富的接口，32 位數(shù)據(jù)總線和32 位外部地址總線，SROM 控制器、 SRAM 控制器、NAND 閃存控制器、64 個中斷源的中斷控制器、五個三十二位定時器、四個UART、四個DMA 控制器、STN 與TFT LCD 控制器、看門狗、IIS 音頻接口、IIC-Bus 接口、兩個USB host口、一個USB device 口、兩個串行外圍接口電路、三個SD 卡接口、camera_if 接口、TV_out 接口、MFC接口、2 路SPI、Touch Screen 接口，其主頻可達800MHz,擴展總線最大頻率133MHz.在此基本上，還進行了相關的擴展，引出了一個四線RS-232 串口，該串口用于開發(fā)主機與S3C6410 開發(fā)平臺進行通信；配置了1GB 的NANDflash,用于存放嵌入式linux操作系統(tǒng)，應用程序和數(shù)據(jù)，128MB 的DDR 內(nèi)存，用于存放運行程序，攝像頭捕獲的數(shù)據(jù)；擴展了一個WIFI 模塊，用于開發(fā)平臺與服務器傳輸視頻數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)視頻遠程監(jiān)控。

2.2 軟件總體設計

軟件總體結構包括引導加載程序Bootloader、操作系統(tǒng)內(nèi)核，設備驅(qū)動程序和應用層程序，其軟件結構如圖1 所示。

圖1 軟件總體結構框圖

該系統(tǒng)上電后，先運行引導加載程序Bootloader,該程序的作用是初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射表，引導和加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，然后啟動嵌入式操作系統(tǒng)linux,接著加載Nand flash 驅(qū)動程序、LCD 驅(qū)動程序、WIFI 驅(qū)動程序等一些必要的驅(qū)動程序。

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3 視頻數(shù)據(jù)采集和編碼設計

3.1 基于V4L2 視頻數(shù)據(jù)采集設計

在Linux 系統(tǒng)下，對視頻設備的各種操作是通過Video4Linux2 實現(xiàn)的，簡稱V4L2.應用程序通過V4L2 提供的接口函數(shù)實現(xiàn)視頻設備的操作。整個視頻數(shù)據(jù)采集的過程如圖2 所示。

（ 1） 打開視頻設備， int open（ const char *pathname, int flags）。調(diào)用該函數(shù)，若返回值為-1,表示打開失敗，否則，表示所打開設備的文件描述符。

（2）取得設備信息。通過ioctl（cam_fp, VIDIOC_QUERYCAP, &cap）函數(shù)來取得設備文件的屬性參數(shù)并存儲于cap 結構中，其中cam_fp 指的是打開的視頻設備的文件描述符。

（ 3）選擇視頻輸入方式。通過ioctl（cam_fp,VIDIOC_ S_INPUT, &chan）函數(shù)設置視頻設備的輸入方式，其中chan 的數(shù)據(jù)結構類型是v4l2_input,用來指定視頻的輸入方式。

（ 4 ） 設置視頻幀格式。通過ioctl（cam_fp ,VIDIOC_S _FMT, &fmt）函數(shù)設置視頻的幀格式，其中fmt 的數(shù)據(jù)結構類型是v4l2_format,用來指定視頻的寬度、高度、像素大小等。

（5）讀取視頻數(shù)據(jù)。通過read（cam_fp, g_yuv,YUV_ SIZE）函數(shù)，把攝像頭一幀的數(shù)據(jù)存放到g_yuv中，其中YUV_ SIZE 指的是每幀數(shù)據(jù)的大小。

（6）關閉視頻設備。通過close（cam_fp）函數(shù)來實現(xiàn)視頻設備的關閉。

圖2 視頻數(shù)據(jù)采集流程框圖。

3.2 視頻數(shù)據(jù)的H264 編碼

為了提高視頻數(shù)據(jù)編碼速度，本系統(tǒng)采用的是H264 硬編碼方式，硬編碼具有不占用CPU 資源，運算速度快等優(yōu)點，從而滿足視頻數(shù)據(jù)實時性的要求。

具體編碼的過程如圖3 所示。

（1）創(chuàng)建H264 編碼結構。調(diào)用SsbSipH264EncodeInit （width, height, frame_rate, bitrate, gop_num）函數(shù)實現(xiàn)的，其中width 表示圖像的寬度，height 表示圖像的高度，frame_rate 表示幀頻，bitrate 表示比特率或碼率，gop_num 表示兩個相離關鍵幀之間最多包含多少個幀（B 或P 幀）。

（2）初始化H264 編碼結構，調(diào)用SsbSipH264Encode Exe （handle）函數(shù)。

（3）獲取視頻輸入地址，SsbSipH264EncodeGetInBuf （handle, 0）函數(shù)來實現(xiàn)，該函數(shù)返回視頻輸入的首地址，存放在p_inbuf 中。

（4）輸入視頻數(shù)據(jù)，調(diào)用memcpy（p_inbuf, yuv_buf, frame_size）函數(shù)實現(xiàn)，p_inbuf 存放需要編碼的數(shù)據(jù)，yuv_buf 存放原始視頻數(shù)據(jù)，frame_size 表示數(shù)據(jù)的大小。

（5）編碼視頻數(shù)據(jù)，對p_inbuf 內(nèi)容進行H264編碼，調(diào)用SsbSipH264EncodeExe（handle）函數(shù)實現(xiàn)。

（6）輸出已編碼的數(shù)據(jù)，SsbSipH264EncodeGetOutBuf （handle, size），該函數(shù)返回已編碼圖像的首地址，size 表示已編碼圖像的大小。

（7）關閉硬編碼設備，調(diào)用SsbSipH264EncodeDeInit （handle）函數(shù)實現(xiàn)的。

圖3 H264 編碼流程框圖。

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4 視頻數(shù)據(jù)的傳輸和顯示

4.1 視頻數(shù)據(jù)傳輸模塊設計

現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡標準主要有3G（第三代移動通信），WI-FI,Bluetooth,Zigbee（紫蜂）等，具體詳見表1.

表1 常用無線通信網(wǎng)絡標準的基本比較

由于WI-FI 具有傳輸率高，支持的協(xié)議多，安裝及設置簡單，成本低等優(yōu)點，所以本系統(tǒng)采用的無線網(wǎng)絡標準是WI-FI.

4.1.1 WI-FI 無線網(wǎng)絡搭建過程

（1）加載WI-FI 模塊。通過insmod 命令加載，這里需要加載2 個文件helper_sd.bin、sd8686.bin,這2 個文件可以從Marvel 官方網(wǎng)站下載。

（2）搜索WI-FI 網(wǎng)絡。先用ifconfig eth1 up 命令把WI-FI 網(wǎng)絡接口卡打開，然后用iwlist eth1 scanning命令搜索WIFI 網(wǎng)絡。

（3）設置eth1 的ip 地址和子網(wǎng)掩碼。

（4）設置ESSID.通過iwconfig eth1 essid 402命令實現(xiàn)的，ESSID 用來區(qū)分不同的網(wǎng)絡。

（5）設置密碼。通過iwconfig eth1 key s:your_key命令實現(xiàn)的，其中your_key 就是登陸密碼。

4.1.2 基于RTP 協(xié)議的視頻數(shù)據(jù)傳輸

RTP 是實時傳送協(xié)議（ Real-time TransportProtocol）的縮寫，代表一個網(wǎng)絡傳輸?shù)膮f(xié)議，為音頻、視頻上傳中的常用協(xié)議[5].RTCP 和RTP 一起提供流量控制和擁塞控制服務，它們能以有效反饋和最小開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送實時的數(shù)據(jù)，所以采用該協(xié)議傳輸視頻數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)采用開源代碼Jrtplib 提供的RTP 協(xié)議棧，由于Jrtplib 對RFC3550 的實現(xiàn)進行了封裝，使得傳輸視頻數(shù)據(jù)更加簡單。由于本系統(tǒng)的網(wǎng)絡最大有效載荷為1500 字節(jié)，因此設置RTP 包大小的上限為1400 字節(jié)，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)大于1400 字節(jié)，則采用拆包的方法再發(fā)送，具體傳輸過程如圖4 和圖5 所示。

圖4 發(fā)送端流程框圖。

圖5 接收端流程框圖。

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發(fā)送端主要過程如下：

（1）創(chuàng)建RTP 會話并設置目標地址。調(diào)用Create方法得到RTP 會話實例，然后調(diào)用AddDestination 方法設置目標IP 以及目標端口號。

（2）獲得數(shù)據(jù)，調(diào)用Get_Data（）函數(shù)得到。

（3）發(fā)送數(shù)據(jù)，通過SendPacket（）方法實現(xiàn)。

接收端主要過程如下：

（1）創(chuàng)建RTP 會話。調(diào)用Create 方法來創(chuàng)建一個會話實例，并且在創(chuàng)建會話的同時設置端口號，要與發(fā)送端的端口號保持一致。

（2）接受RTP 數(shù)據(jù)。調(diào)用RTPSession 類的PollData（）方法接收數(shù)據(jù)。

（3）保存RTP 數(shù)據(jù)報。通過創(chuàng)建了一個指針數(shù)組，里面存放的是RTP 數(shù)據(jù)報的指針，只要將剛接收到RTP 數(shù)據(jù)報的指針賦給這個指針數(shù)組即可，這樣可以節(jié)省數(shù)據(jù)拷貝的時間。

（4）判斷是否接收完成，如果沒有，則跳轉(zhuǎn)到第b 步，否則接收端程序退出。

4.2 視頻數(shù)據(jù)的解碼和顯示

由于接收到的數(shù)據(jù)是經(jīng)H264 編碼的數(shù)據(jù)，因此，先要對該數(shù)據(jù)進行解碼，然后才能顯示。而在服務器端，對視頻數(shù)據(jù)解碼用到FFmpeg.FFmpeg 是一個開源免費跨平臺的視頻和音頻流方案，屬于自由軟件。

解碼時主要涉及FFmpeg 下的libavcodec 庫、libswscale庫和libavformat 庫，其中第一個庫是一個包含了所有FFmpeg 音視頻編解碼器的庫，第二個庫是格式轉(zhuǎn)化庫，因為解碼后的數(shù)據(jù)是YUV420 格式，而要在計算機上顯示該數(shù)據(jù)，則需要的是RGB 格式的，該庫功能就是把YUV420 格式轉(zhuǎn)化成RGB 格式，第三個庫是一個包含了所有的普通音視格式的解析器和產(chǎn)生器的庫。

4.2.1 初始化解碼線程

（1） 注冊全部的文件格式和編解碼器，調(diào)用av_register_all（）函數(shù)完成注冊。

（2） 設置AVFormatContext 結構體。該結構體是FFmpeg 格式轉(zhuǎn)換過程中實現(xiàn)輸入和輸出功能，保存相關數(shù)據(jù)的主要結構，通過av_open_input_file 函數(shù)設置該結構體。

（3） 檢查視頻流的信息，通過調(diào)用av_find_stream_info（pFormatCtx）函數(shù)，pFormatCtx->streams 就填充了正確的視頻流信息，pFormatCtx 類型是AVFormatContext.

（4） 得到編解碼器上下文，pCodecCtx= pFormatCtx -> streams[videoStream]->codec,pCodecCtx 指針指向了流中所使用的關于編解碼器的所有信息。

（5） 打開解碼器，先通過avcodec_find_decoder 函數(shù)找到相應解碼器，然后調(diào)用avcodec_open 函數(shù)打開解碼器。

（6） 申請內(nèi)存用來存放解碼數(shù)據(jù)， 通過調(diào)用avcodec_alloc_frame 函數(shù)實現(xiàn)，由于解碼的數(shù)據(jù)是YUV420 格式的，因此還需要將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB 格式，因此，再次調(diào)用avcodec_alloc_frame 申請內(nèi)存用來存放RGB 格式數(shù)據(jù)。

（7） 申請內(nèi)存用來存放原始數(shù)據(jù)，因為H264 解碼時，對于P 幀需要參考前面一個關鍵幀或P 幀，而B幀需要參考前后幀，因此需要存放原始數(shù)據(jù)，首先，用avpicture_get_size 來獲得需要的大小，然后調(diào)用av_malloc 函數(shù)申請內(nèi)存空間。

（8） 通過調(diào)用avpicture_fill 函數(shù)將幀和新申請的內(nèi)存結合起來。

（9） 創(chuàng)建格式轉(zhuǎn)換上下文，通過img_convert_ctx=sws _getContext（src_w, src_h,src_pix_fmt, dst_w, dst_h,PIX_FMT_RGB24, SWS_BICUBIC, NULL, NULL,NULL）方法實現(xiàn)。其中，src_w 表示源圖像的寬度，src_h 表示源圖像的高度，src_pix_fmt 表示源圖像的格式，dst_w 表示目標圖像的寬度，dst_h 表示目標圖像的高度，PIX_FMT_RGB24 表示目標圖像的格式。

4.2.2 對數(shù)據(jù)進行H264 解碼

（1） 獲得需要解碼的一幀數(shù)據(jù)，由于前面接收端線程已經(jīng)把接收到的數(shù)據(jù)存放在一個指針數(shù)組中，因此，解碼線程只需要從指針數(shù)據(jù)中獲取數(shù)據(jù)即可。

（2） 解碼數(shù)據(jù)。調(diào)用解碼函數(shù)avcodec_ decode_video（pCodecCtx , pFrame , &finished , encodedData,size）來解碼視頻文件。其中，參數(shù)pCodecCtx是前面得到視頻流編碼上下文的指針；參數(shù)pFrame存儲解碼后的圖片的位置，參數(shù)finished 用來記錄已完成的幀數(shù)；參數(shù)encodedData 是輸入緩沖區(qū)指針，指向要解碼的原始數(shù)據(jù)；參數(shù)size 是輸入緩沖區(qū)的大小。

（3） 將已解碼的視頻數(shù)據(jù)YUV420 格式轉(zhuǎn)換成RGB 格式，通過調(diào)用sws_scale（）函數(shù)實現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換。

4.2.3 視頻數(shù)據(jù)的顯示

本系統(tǒng)使用QT 下的QImage 顯示視頻數(shù)據(jù)，由于QImage 能夠存取單個像素，這樣在顯示前一幀圖像的時候，將該圖像保存下來，當顯示后一幀圖像的時候，如果該像素值與前一幀相同，則不必修改該值，從而節(jié)省了大量的時間，即哪里變修改哪里，顯示過程的具體步驟如下：

（1） 取得已解碼的視頻數(shù)據(jù)，且該數(shù)據(jù)是RGB 格式的。

（2） 循環(huán)取得視頻數(shù)據(jù)的R 分量、G 分量、B 分量。

（3） 判斷該點的像素值是否與前一幀對應位置的像素值相同，若相同，跳轉(zhuǎn)到第2 步，否則，保存該像素值。

（4） 對取得的RGB 各自分量，構造該像素點的顏色值，通過調(diào)用qRGB（R,G,B）構造方法實現(xiàn)。

（5） 設置相應點的像素值，首先生成QImage 類的對象，然后調(diào)用該類的setPixel（x,y,rgb）。其中，x 是圖像的x 坐標值，y 是圖像的y 坐標值，rgb 是該點的顏色值。

（6） 顯示圖像，通過調(diào)用update（）方法，該方法會觸發(fā)繪畫事件，因此，在繪畫事件里，寫入顯示圖像代碼，即可顯示剛生成的QImage 對象，通過調(diào)用drawImage（）方法繪制圖像。

5 結論

本系統(tǒng)在視頻圖像采集時，為了降低數(shù)據(jù)量，采用YUV420 的采樣格式。視頻數(shù)據(jù)編碼采用H264 硬編碼方式，極大地提高了編碼速度。而在無線網(wǎng)絡傳輸時，考慮到丟包問題，將編碼數(shù)據(jù)進行拆包然后發(fā)送，降低了丟包率。經(jīng)測試，本系統(tǒng)采集一幅OV9650攝像頭拍攝的且分辨率為320X240 的圖像，經(jīng)H264硬編碼，編碼后的圖像數(shù)據(jù)大致為5KB 左右，降低了數(shù)據(jù)傳輸量，并且硬編碼每秒可編碼25 幀圖像數(shù)據(jù)，達到實時視頻數(shù)據(jù)編碼的要求。對于WI-FI 無線網(wǎng)絡的傳輸率一般在11-54Mbps 左右，因此，該無線網(wǎng)絡可以滿足實時傳輸視頻的需求。本系統(tǒng)構建了高實時性，低成本，低功耗的數(shù)字化無線視頻監(jiān)控平臺，在該平臺基礎上，可以搭建各種各樣的應用，比如，路況實時監(jiān)控，人臉識別，倉庫報警等應用，該系統(tǒng)具有一定的實用價值。