《武汉工程大学学报》 2012年10期
66-68
出版日期：2012-11-06
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
嵌入式无线视频监控系统的设计与实现
0引言视频信息具有直观、可靠的特点，视频监控系统目前在智能交通、家庭安防、可视会议等领域有着越来越广泛的应用.在视频监控系统中，实时采集和视频传输是一项关键的技术.传统的视频监控系统主要以采集卡和有线传输为主，此方案体积大，移动性差.随着嵌入式技术，视频处理技术和无线网络传输技术的发展，基于嵌入式平台和无线网络传输的新型视频监控系统已经在多个领域有着广泛的应用.本文介绍了一种基于S3C2440微处理器、在嵌入式Linux操作系统上实现的实时视频采集和无线传输的监控系统.该系统以体积小巧、可移动性高等特点，克服了传统视频监控系统的不足.本系统为今后嵌入式Linux在智能监控系统中提供了一个可行的方案.具有一定的实际应用价值.1系统硬件总体设计本系统主要由前端采集模块、图像处理模块、无线传输模块3部分组成.前端采集模块由开发板提供的130万像素的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物场效应管）图像传感器OV9650及其接口电路组成.该传感器具有高灵敏度、低功耗等优点，低电压供电，适用于嵌入式便携产品的应用，且支持标准的SCCB（Serial Camera Control Bus）接口，微处理器通过SCCB接口可以方便的进行图像质量控制.主控模块主要由广嵌的GEC2440开发板构成，其核心处理器S3C2440是Samsung公司ARM9系列的ARM920T嵌入式处理器.主频400 MHz，对Linux操作系统能很好的支持，有强大的计算处理能力，该芯片集成了通用的串口控制器、USB（通用串行总线）控制器、A/D（模数转换）转换器和GPIO（通用输入输出）等功能，能很好的实现视频图像的编解码.无线传输模块采用腾达W311U+无线网卡，该网卡采用雷凌公司的RT3070芯片，无线传输速率150 Mbps，配备4.2dBi全向天线，采用信号增强放大先进技术，有效的提升网卡的无线接收能力，且支持Linux操作系统，驱动移植方便，缩短了开发周期，能很好满足视频监控的需求.2系统软件设计与实现2.1系统软件构成本系统软件由设备驱动模块、图像采集模块、H.264图像压缩模块、无线视频传输模块组成.设备驱动模块实现摄像头、WIFI无线网卡在Linux操作系统下正常工作\[1\]，并为应用程序提供接口.图像采集模块实现获取摄像头的图像并进行暂存.H.264图像压缩模块实现原始图像的编码处理.无线视频传输模块实现视频图像的网络传输.2.2嵌入式工作平台的搭建嵌入式工作平台的搭建主要是对Linux操作系统进行必要的修改和裁剪，使其能在选定的硬件平台上稳定高效的工作.ARMLinux移植到本系统慨括起来主要有以下步骤\[23\].（1）建立ARMLinux交叉编译环境.（2）Bootloader的移植.移植、配置和编译uboot,将可执行文件烧写到开发板NAND Flash中.（3）Linux内核的移植.（4）嵌入式文件系统的移植.2.3图像采集模块图像采集模块主要负责视频数据的采集，并将采集到的数据存放在缓存区中，供其它模块使用.视频采集在Linux下是基于V4L(Video4Linux)提供的函数接口来实现的\[4\].V4L是Linux内核中关于视频设备的API接口，它为视频设备的应用程序编程提供了一套接口规范.开发完摄像头的驱动程序后，就可以通过V4L提供的系统API来控制摄像头实现视频采集.Linux下通过V4L提供的编程接口，编写视频采集程序的流程如图1所示.图1视频采集流程
Fig.1Video capturing flow chart第10期郑更生，等：嵌入式无线视频监控系统的设计与实现
武汉工程大学学报第34卷
2.4新一代视频压缩编码标准视频编码模块设计新一代视频压缩编码标准\[5\]是IYUT视频编码专家组和ISO/IEC动态图像专家组联合组成的视频组提出的高度压缩数字视频编码器标准.它编码效率高、能以较低的数据速率传送基于IP（网际协议）的视频流，在视频质量、压缩效率和数据包恢复丢失等方面有较大的优势，能很好适应IP和无线网络，是目前监控系统最为理想的信源压缩编码标准.T264是中国视频编码自由组织联合开发的开源的264编解码器，吸收了X264、XVID等开源编码库的优点.系统采用最新版本avcsrc0.14.下载此源码，进行编译会生成一些*.obj文件，应用程序可以直接使用这些目标文件提供的功能函数对YUV格式视频进行编码.流程图如图2所示.图2新一代视频压缩编码标准视频编码流程
Fig.2Video decoding of H.264 flow chart2.5无线视频传输模块设计视频采集编码完成后，需要通过无线网络传输，目前网络传输协议主要有TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）两种，而流媒体的实时传输对带宽和延时比较敏感，它要求一定的服务质量且可以容忍一定程度的丢包.TCP每次都有通过3次握手建立连接，在等待乱序及重传丢失数据时产生了较大时延，不适合实时数据传输.UDP协议时面向无链接、不可靠的传输协议，具有消耗资源小、传输速度快等特点，在视频传输过程中偶尔丢包不会对监控画面产生较大影响.但UDP无法提供差错控制，也不适合.在这种情况下，运行于UDP之上的RTP\[6\]（实时传输协议）则有很大优势.RTP提供了为数据包编号，加载时间信息等功能，能有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，RTCP周期性的向会话的所以者进行通信，来监视服务质量.视频数据首先封装在RTP信息包中，每个信息包又封装在UDP消息段中，最后封装在IP数据包中进行传输.基于RTP/UDP/IP协议的传输视频流封装格式如图3所示.IP报头UDP报头RTP报头视频数据图3视频封装格式
Fig.3Format of video package服务器端利用UDP的网络socket编程实现视频的传输.实现流程如图4所示.图4视频发送流程
Fig.4Video transmission flow chart2.6结果及分析测试环境：GEC2440开发板，采用Linux 2.6.12操作系统.摄像头：130万像素CMOS图像传感器OV9650.网络环境：无线局域网.远程监控端：Windows个人电脑.图5为监控客户端实时运行情况，监控图像清晰流畅，无明显失真.监控终端视频延迟2秒左右，无明显延迟，达到了实时监控的效果.图5远程监控端视频
Fig.5Video taken by the monitoring client3结语以上介绍的基于ARM的嵌入式终端通过WIFI技术实现无线实时视频监控系统的设计与实现.包括视频采集、H.264编码和无线传输三个核心模块.经测试，系统运行稳定，监控视频在局域网环境下无明显失真和延迟.基本可以满足普通视频监控要求.本文特色：将嵌入式视频监控和无线传输技术结合，体积小，成本低，并结合了较新的H.264编码标准, 在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像，另采用RTP/RTCP协议传输视频流，以有效的反馈和较小的开销达到较高的传输效率.有广泛的市场前景和应用价值.