基于WinCE的ARM視頻監(jiān)控系統(tǒng)

摘要 設(shè)計(jì)一種嵌入式系統(tǒng)，以WinCE操作系統(tǒng)和ARM硬件平臺(tái)為核心實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過無線網(wǎng)絡(luò)把視頻圖像傳輸?shù)街鳈C(jī)端，以實(shí)現(xiàn)分析、存儲(chǔ)扣顯示等功能。
關(guān)鍵詞 WinCE S3C2410 RTP 視頻監(jiān)控 無線傳輸

    數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)為中心、視頻處理技術(shù)為基礎(chǔ)，是符合圖像數(shù)據(jù)壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)。綜合利用圖像傳感器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制和人工智能等技術(shù)的一種新型監(jiān)控系統(tǒng)。由于數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)對視頻圖像進(jìn)行了數(shù)字化，所以與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比，數(shù)字監(jiān)控具有許多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字化的視頻系統(tǒng)可以充分利用計(jì)算機(jī)的快速處理能力，對其進(jìn)行壓縮、分析、存儲(chǔ)和顯示。數(shù)字化視頻處理技術(shù)提高了圖像的質(zhì)量與監(jiān)控效率，使系統(tǒng)易于管理和維護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)是模塊化結(jié)構(gòu)，體積小，易于安裝、使用和維護(hù)。正是由于數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)具有傳統(tǒng)模擬監(jiān)控技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且符合當(dāng)前信息社會(huì)中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢，所以數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)正在逐步取代模擬監(jiān)控技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。嵌入式系統(tǒng)以體積小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、性價(jià)比高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。筆者設(shè)計(jì)的一種嵌入式系統(tǒng)，以WinCE操作系統(tǒng)和ARM硬件平臺(tái)為核心實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過無線網(wǎng)絡(luò)把視頻圖像傳輸?shù)街鳈C(jī)端，以實(shí)現(xiàn)分析、存儲(chǔ)和顯示等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要由操作系統(tǒng)定制、視頻圖像采集、視頻圖像無線傳輸三部分組成。系統(tǒng)的核心芯片選用基于ARM920T內(nèi)核的S3C2410嵌入式微處理器，軟件環(huán)境選用Microsoft Windows CE操作系統(tǒng)。系統(tǒng)首先通過USB攝像頭采集現(xiàn)場實(shí)時(shí)視頻信息，并對其進(jìn)行壓縮。然后，使用兩塊無線網(wǎng)卡在ARM開發(fā)板與上位機(jī)之間構(gòu)建一個(gè)無線局域網(wǎng)絡(luò)，從而將壓縮的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)端，終端用戶即可在主機(jī)端通過流媒體播放程序查看遠(yuǎn)程視頻影像。
    視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

2 操作系統(tǒng)的定制
    系統(tǒng)硬件平臺(tái)的核心芯片選用了S3C2410處理器，最高頻率可達(dá)203 MHz。S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用O．18μm制造工藝的32位微控制器。該處理器具有較高的集成度，簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。開發(fā)扳上還擴(kuò)展了4MB的NOR Flash、64 MB的NAND Flash和64 MB的DRAM。
    系統(tǒng)選用了Microsoft Willdows CE(簡稱“WinCE”)操作系統(tǒng)。WinCE是一個(gè)緊湊的、高效且可擴(kuò)展的32位操作系統(tǒng)，適用于各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。它擁有多線程、多任務(wù)和確定性的實(shí)時(shí)、完全搶占式優(yōu)先級的操作系統(tǒng)環(huán)境，專門面向只有有限資源的硬件系統(tǒng)；同時(shí)，它的模塊化設(shè)計(jì)方式使得系統(tǒng)開發(fā)人員和應(yīng)用開發(fā)人員能夠?yàn)槎喾N多樣的產(chǎn)品來定制它，可以選擇、組合和配置WinCE的模塊和組件來創(chuàng)建用戶版的操作系統(tǒng)。
    在WinCE產(chǎn)品開發(fā)中，主要有內(nèi)核定制和應(yīng)用程序開發(fā)兩項(xiàng)非常重要的工作。微軟在兩方面都提供了良好的開發(fā)工具，即內(nèi)核定制工具Platform Builder(簡稱“PB”)和應(yīng)用程序開發(fā)工具Embedded Visual C++(簡稱“EVC”)。
    在系統(tǒng)定制過程中，各部分的關(guān)系如圖2所示。

3 視頻圖像采集
3．1 攝像頭驅(qū)動(dòng)
    圖像采集模塊的硬件資源選用了當(dāng)前市面上應(yīng)用最廣泛的USB接口的中星微攝像頭。該款攝像頭造價(jià)低廉，成像效果好，用于本系統(tǒng)中體現(xiàn)出了較高的性價(jià)比。系統(tǒng)在進(jìn)行視頻采集前，首先要檢測設(shè)定視頻源。系統(tǒng)啟動(dòng)后，WinCE操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測攝像頭是否連接好。本系統(tǒng)在定制WinCE操作系統(tǒng)時(shí)，通過修改操作系統(tǒng)配置和注冊表?？梢允瓜到y(tǒng)自動(dòng)加載攝像頭在WinCE下的驅(qū)動(dòng)程序ZC030x．dll。
    系統(tǒng)自動(dòng)加載驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，首先要將驅(qū)動(dòng)程序復(fù)制到＼WINDOWS文件夾下，然后向注冊表中寫入攝像頭的驅(qū)動(dòng)信息：

    其中，prefix為設(shè)備文件名，D11為驅(qū)動(dòng)的文件名，Order為設(shè)備文件名索引。硬件配置完成后啟動(dòng)操作系統(tǒng)，就可以自動(dòng)加載驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行應(yīng)用程序進(jìn)行圖像采集了。
3．2 圖像采集程序
    中星微攝像頭采用了中星微301PLUS快速主控芯片。該芯片是一款高性能圖像壓縮芯片，輸出MIPEG視頻流數(shù)據(jù)。MIPEG(Motion JPEG)主要是基于靜態(tài)視頻壓縮發(fā)展起來的技術(shù)，特點(diǎn)是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨(dú)對某一幀進(jìn)行壓縮，通?？蛇_(dá)到6：1的壓縮率。它的誤差穩(wěn)定性非常好，可以獲取清晰度很高的視頻圖像，而且還可以靈活設(shè)置各路視頻清晰度，壓縮幀數(shù)。
    本系統(tǒng)直接從攝像頭驅(qū)動(dòng)中獲取MJPEG視頻流數(shù)據(jù)，圖像采集流程如圖3所示。
    圖像采集模塊用到的主要函數(shù)有：
    capInitCamera()用來初始化視頻設(shè)備，并獲取當(dāng)前可用的視頻設(shè)備數(shù)目。
    capSetVideoFormat()設(shè)置視頻格式和分辨率。本系統(tǒng)使用的視頻格式為RGB24，分辨率為320×240像素。
    capGrabFrsme()從驅(qū)動(dòng)中抓取1幀圖像，并存儲(chǔ)在緩存lpFrameBuffer中。
    capGetLastJpeg() 將抓取的MJPEG格式的圖像轉(zhuǎn)換成JPEG格式，送到無線發(fā)送模塊。
    capCloseCamera() 關(guān)閉視頻設(shè)備。
    視頻采集部分還有查詢視頻采集格式、設(shè)置明暗度、設(shè)置對比度等相關(guān)函數(shù)，不再詳述。

4 視頻傳輸部分
4．1 配置無線網(wǎng)卡
    圖像傳輸模塊主要是通過USB接口的無線網(wǎng)卡來實(shí)現(xiàn)的。該無線網(wǎng)卡可與S3C2410集成的USB主機(jī)接口直接相連，工作在2.4 GHz的ISM頻段，采用直接序列擴(kuò)頻通信方式，遵從802．11g協(xié)議，傳輸速度可達(dá)54Mbps，室內(nèi)有效距離為100 m，能夠滿足局域網(wǎng)內(nèi)視頻傳輸?shù)囊?。本系統(tǒng)通過開發(fā)板和主機(jī)之間的無線網(wǎng)卡構(gòu)建無線局域網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的無縫連接，用戶通過此無線網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)文件傳輸、視頻通信等應(yīng)用。
    開發(fā)板端的無線網(wǎng)卡也需要加載驅(qū)動(dòng)才能運(yùn)行。本系統(tǒng)在定制WinCE操作系統(tǒng)時(shí)，首先將無線網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序復(fù)制到＼WINDOWS文件夾下，然后向注冊表中寫入無線網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)信息。WinCE操作系統(tǒng)啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)檢測無線網(wǎng)卡是否連接好，并加載驅(qū)動(dòng)程序，此時(shí)，就可以通過應(yīng)用程序調(diào)用此無線網(wǎng)卡了。在無線傳輸時(shí)，注意要把開發(fā)板和主機(jī)設(shè)置在同一IP網(wǎng)段。
4．2 傳輸視頻數(shù)據(jù)
    實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP(Real time Transport Protocol)是一種實(shí)時(shí)流式傳輸協(xié)議，能夠保證媒體信號(hào)帶寬與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況相匹配，在一對一(umcast，單播)或者一對多(multicast，多播)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。RTP通常使用UDP來進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。整個(gè)RTP協(xié)議由兩個(gè)密切相關(guān)的部分組成：RTP數(shù)據(jù)協(xié)議和RTCP控制協(xié)議。
    針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收發(fā)要求，采用了開源代碼JRT-PLIB提供的RTP協(xié)議棧。JRTPLIB是一個(gè)面向?qū)ο蟮腞TP庫，完全遵循RFC1889設(shè)計(jì)。開發(fā)人員只要初步了解RTP協(xié)議就可以開發(fā)出高質(zhì)量的音／視頻傳輸程序。把它移植到EVC上，稍作修改就可以應(yīng)用在WinCE操作系統(tǒng)的ARM開發(fā)板上了。
4．2．1 建立RTP的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收
    JRTPLIB提供的RTPSession類可以實(shí)現(xiàn)RTP的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。RTP數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的初始化步驟基本相同。首先設(shè)置時(shí)間戳、最大的RTP包尺寸、數(shù)據(jù)超時(shí)等會(huì)話參數(shù)，然后設(shè)置基端口(注意這個(gè)端口必須是偶數(shù)，默認(rèn)值為5000)。在設(shè)置好這些參數(shù)之后，就可以使用RTPSession的Create方法建立RTP數(shù)據(jù)接收和發(fā)送了。
    數(shù)據(jù)發(fā)送端使用RTPIPv4Address(intIP，PORT_DATA)建立一個(gè)新的地址，再使用AddDestination將這個(gè)地址增加到發(fā)送的地址列表中。然后，調(diào)用SendPacket函數(shù)發(fā)送RTP數(shù)據(jù)。
    rtpSessiorl. SendPacket(sendBuf，length，26，true，0UL)；
    在數(shù)據(jù)接收端建立RTP會(huì)話并且增加了目標(biāo)地址后，就可以從目標(biāo)地址接收數(shù)據(jù)了。此時(shí)將調(diào)用OnRtpPacket函數(shù)接收RTP數(shù)據(jù)，在這個(gè)函數(shù)里取得裝載數(shù)據(jù)并使用。在OnRTPPacket函數(shù)中，調(diào)用函數(shù)zc030x_OutPicture(＆m_pDlg->frame)，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。最后，調(diào)用函數(shù)StretchDIBits()，在當(dāng)前窗口中顯示視頻圖像。
void RTPAppSession：：OnRTPPacket (RTPPacket *
pack，const RTPTime ＆ receivetime，const RTPAddress
*senderaddress)
4.2.2 RTP的控制協(xié)議——RTCP
    RTCP(Real-time Transport Control Protocol)和RTP一起提供流量控制和擁塞控制服務(wù)。在RTP會(huì)話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包。RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計(jì)資料，因此，服務(wù)器可以利用這砦信息動(dòng)態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率達(dá)到最佳效果。
    JRTPLIB是一個(gè)高度封裝的RTP庫，調(diào)用PollData()或者SendPacket()方法后，JRTPLIB能夠自動(dòng)對到達(dá)的RTCP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行處理，并在需要時(shí)發(fā)送RTCP數(shù)據(jù)報(bào)，從而確保整個(gè)RTP會(huì)話過程的正確性。在RTP數(shù)據(jù)收發(fā)中，也可以通過調(diào)用RTPSession類提供的方法選擇當(dāng)前RTP會(huì)話需要發(fā)送的控制信息，并對控制信息進(jìn)行設(shè)置。

結(jié)語
    本系統(tǒng)基于S3C2410平臺(tái)和WinCE操作系統(tǒng)，通過USB攝像頭采集現(xiàn)場實(shí)時(shí)視頻信息，并對其進(jìn)行壓縮。然后，用兩塊無線網(wǎng)卡在開發(fā)板與上位機(jī)之間構(gòu)建無線局域網(wǎng)絡(luò)，使用實(shí)時(shí)流式傳輸方式實(shí)現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸。整個(gè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、安裝簡便、成本低廉等特點(diǎn)，可以應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)控、工業(yè)控制、視頻會(huì)議、可視電活等諸多領(lǐng)域。