基于嵌入式LINUX的视频监控模块设计与实现

摘要 随着计算机网络技术、视频压缩技术以及嵌入式技术在近些年来的迅速发展，网络是视频监控系统进入快速发展期，市场上出现了很多网络视频监控产品，以满足人们对安全的各种要求。采用嵌入式web技术的网络视频监控系统，目前正在成为网络视频监控系统的一个重要发展方向。用户通过浏览器或其他专门的客户端软件，就可以远程访问监控摄像机，实现对现场的远程视频监控。 本论文主要讨论内容是基于ARM9平台的嵌入式Linux网络视频监控系统的设计与实现，首先阐述了嵌入式网络视频监控系统的发展、现状以及整体构建，然后介绍了嵌入式Linux操作系统以及ARM处理器的发展情况，分析了主要外围电路的设计，以及如何在ARM硬件平台上进行嵌入式Linux内核的编译与移植，介绍了Bootloader的启动原理及运行过程，讨论了图像采集、网络通信程序的设计原理与实现。 关键词　ARM，S3C2410，嵌入式，linux，视频监控 目录摘要Abstract1 前言??? 11.1 选题背景??? 11.2 发展现状与前景??? 12 视频监控系统总体设计??? 32.1 系统预期目标??? 32.2 系统的整体设计??? 32.2.1 设计的总体思路??? 32.2.2 视频监控系统结构设计??? 32.2.3 系统设计原则??? 42.3 本章小结??? 43 嵌入式系统硬件设计??? 53.1 嵌入式控制系统设计??? 53.1.1 嵌入式系统的概念??? 53.1.2 嵌入式系统的组成??? 53.1.3 嵌入式系统的特点??? 53.2 嵌入式处理器的选择??? 63.2.1 ARM嵌入式微处理器??? 73.2.2 ARM920T内部功能??? 83.2.3 ARM920T处理器主要特性??? 83.2.4 三星S3C2410处理器介绍??? 103.3 主要电路设计??? 113.3.1 存储器??? 113.3.2 LCD接口??? 153.3.3 网卡控制器??? 163.3.4 串行接口??? 183.3.5 USB接口??? 193.3.6 SD卡接口??? 203.4 本章小结??? 214 嵌入式系统软件平台??? 224.1 Linux操作系统简介??? 224.2 交叉编译环境的建立??? 224.3 嵌入式Linux移植??? 234.3.1 BootLoader??? 234.3.2 Linux内核移植??? 244.3.3 嵌入式文件系统??? 264.4 Linux下的程序调试??? 274.5 本章小结??? 285 USB设备驱动程序设计??? 295.1 设备驱动程序简介??? 295.2 Linux下驱动程序的实现??? 305.3 本章小结??? 356 视频采集的实现??? 366.1 基于V4L的编程??? 366.2 摄像头I/O控制??? 386.3 获取摄像头参数??? 386.4 设置摄像头参数??? 386.5 关闭摄像头??? 396.6 本章小结??? 397 传输实现??? 417.1 TCP/IP协议简介??? 417.2 SOCKET网络编程??? 437.3 图像传输的软件实现??? 437.3.1 服务器程序??? 437.3.2 客户端程序??? 447.4 本章小结??? 458 视频存储实现??? 469 总结与展望??? 47结论??? 48参考文献??? 49附录 S3C2410核心电路图??? 50致谢??? 51 1.1 选题背景 随着图像处理、网络通信和微电子技术的快速发展，视频以其直观、方便和内容丰富等特点，日益受到人们的青睐。视频监控系统在工业生产领域、交通、银行和很多安全部门中发挥着重要作用。得益于计算机网络、通信、视频处理、嵌入式技术等的快速发展，视频监控系统目前已发展到第三代，集前端一体化、图像数字化、监控网络化、系统集成化等特性于一身的嵌入式Web技术的网络视频监控系统。嵌入式网络视频监控系统在前端将采集到的原始图像经过编码压缩、打包等过程变成基于网络协议的数据流，数据流通过网络进行传输，发送到终端用户。终端用户在PC机上可以通过网页进行视频监控，也可以通过专用的客户端软件进行显示和各种处理。 基于嵌入式设备的网络视频监控系统具有很多优点，嵌入式系统针对专门的应用领域，功能专一。硬件系统根据需求设计，所需设备较为简单。系统的控制由后端的软件系统实现，省去了传统模拟监控系统中的大量设备。软件与硬件结合紧密，性能更为稳定。采用模块化设计，便于维护和管理。安装简单，节约布线，运作费用较低。采用中心控制，硬盘记录，通过网络存储集中维护与操作。 本文通过构建一个成本较为低廉的网络视频监控系统，对系统中网络视频采集终端、视频数据传输、客户端监控软件开发的主要技术展开研究。 ? 1.2 ?发展现状与前景 视频监控系统发展到现在已经是第三个阶段，正在向大规模网络监控发展。90年代初以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，成为第一代视频监控系统。模拟视频监控系统一般由图像摄像部分、系统控制部分和显示记录不分组成。一般采用模拟方式传输，传输距离较短，主要应用于小范围内的监控，如楼层监控等。进入90年代中期，随着数字化技术的发展，开始从模拟处理方式转向数字处理方式，人们开始使用PC机来处理图像信号。利用计算机的数据处理能力与显示器的高清晰度，将视频信号通过视频采集卡采集到计算机中，显示在显示器上，大大提高了图像的画质，增强视频监控的功能。到90年代末，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高，以及各种实用视频信息处理技术的出现，进入了全数字化的网络时代，远程视频监控系统[1]。以数字视频的压缩、传输、存储和播放为基础，依靠强大的平台软件实施管理。在第三代视频监控系统中，视频监控软件更为重要，普通用户需要使用视频监控软件进行日常的监控功能应用，系统管理员需要使用视频监控软件对监控系统中所有的硬件软件资源进行全面的管理和维护。 现今市场上有两种数字视频监控系统类型，一种是以数字录像设备为核心的视频监控系统，另一种是以嵌入式视频Web服务器为核心的视频监控系统。在数字监控录像系统中，数字视频压缩编码技术日益成熟，计算机大量普及也为基于PC机的多媒体监控创造了条件。但随着基于PC机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用过程中，也暴露出一些不足，主要是系统工作的不稳定性。基于PC的视频监控录像系统的组成结构为：兼容/工控PC机+视频采集卡+普通/较可靠的操作平台+应用软件[2]。 嵌入式视频Web服务器方式是将嵌入式Web技术应用到监控系统的前端设备，采用嵌入式实时多任务操作系统，并建立嵌入式Web服务器，将前端视频采集的视频图像进行编码压缩，同时利用有线网路或无线网络将数据传输到用户端。用户使用普通浏览器，通过网络远程访问内置Web服务器的监控摄像机，不但可以实现对现场的远程视频监控，而且还可以控制摄像机、云台、镜头的动作并对系统进行配置。由于把视频压缩和网络功能集中到一个体积很小的设备内，通过有线或无线网络接入网络，节省了多种复杂的电缆，因此在组网维护方面非常方便。 视频监控发展的最大特点就是数字化、网络化和智能化。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其他各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制。网络化将意味着系统的结构将由集总式想集散式系统过渡。集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应。组成集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等优点。系统网络化使整个网络系统的硬件和软件资源共享以及任务和负载共享。智能化采用计算机为控制中心，通过系统软件实现控制界面的可视化，控制环境的多媒体化，可以方便的实现对视频切换、音频切换、镜头云台控制、报警输入、联动输出录像的智能化控制，进而达到对事件的分析、统计、处理，实现视频监控的智能化管理。