基于嵌入式的网络视频监控系统研究

摘要近年来，视频监控系统已经在生产管理、安全防盗和远程教学等领域得到了广泛的应用。

随着网络技术，图像压缩技术和嵌入式技术的快速发展，视频监控系统正在向着网络化，数字化和小型化的方向发展，目前基于嵌入式的网络视频监控系统已经成为监控系统研究的热点。

考虑到稳定性、可靠性和扩展性的要求，特别是实用性的要求，本文设计了一种新型的基于嵌入式Linux的网络视频监控系统的实现方案。

该方案是以嵌入式Linux系统和嵌入式控制器S3C2410为核心平台，通过嵌入式平台建立Web 服务器Boa和视频服务器。

利用TCP/IP协议技术实现了网络通信，把USB数字摄像头采集到的图像进行JPEG压缩，然后通过网络传输到远程计算机的客户端。

客户端方采用Java Applet技术实现图像的接收并完成显示功能。

客户端的用户可以通过具有Java插件的浏览器实现监控的目的。

实验证明了该方案取得了较好的实验效果。

针对该方案所涉及到的关键技术进行了深入的分析和研究，取得了以下主要研究成果。

在嵌入式Linux系统移植方面，深入的分析了嵌入式Linux系统的运行机理，并比较了Linux2.4和Linux2.6内核的区别，选用最新的Linux2.6.11 内核作为移植的目标。

完成了Linux系统在ARM平台Nand Flash的启动代码设计，接着主要针对ARM平台完成BootLoder的移植，Linux内核的配置，Ya®s文件系统的移植，根文件系统的设计与实现。

在视频采集方面，深入分析了USB驱动和v4l视频设备驱动原理，并向Linux 内核加载了USB驱动。

比较了视频采集的两种方式的优缺点，舍弃了原始的Read 直接从内核缓冲区来读取数据的方式，而采用Mmap共享内存的方式将设备映像到内存，使得进程从共享内存中获取视频数据，提高了通信的速度和效率。

在网络监控方面，比较当前流行的几种Web服务器，选择移植了面向嵌入式领域的Boa服务器，并采用C语言设计实现了用户验证的CGI程序。

网络通信服务器的设计是采用面向连接的可靠的TCP通信方式，客户端的设计是利用Java Applet完成的，使用新的Swing类集合完成窗口界面的设计，并设计实现了JApplet完成与服务器的通信，达到远程网络监控的目的。

关键词：嵌入式Linux；web服务器；视频监控；TCP/IP；Java Applet第一章绪论1.1 课题的背景和意义视频监控系统以其能够实时、形象、真实地反映被监视控制对象的特性广泛应用于生产管理、银行监控和交通安防等重要领域。

特别当今社会生活水平的不断提高以及计算机的普及，家庭小型监控系统的需求量也越来越大。

传统的模拟信号监控系统存在着诸多局限性：模拟图像信息容易受损，图像质量不高；布线工程大，传输距离受限；数据存储量大，查询不便。

虽然数字监控系统克服了上述缺点，但本身也存在一些问题：稳定性可靠性不高，视频前端采集复杂，图像压缩传输不便等。

随着网络技术、图像压缩技术和数字信息技术的不断发展，监控系统也在快速变化和发展中。

目前这几种技术结合嵌入式技术催生了全新的基于嵌入式技术的网络视频监控系统。

该监控系统是把摄像机输出的模拟视频信号通过嵌入式视频编码器直接转换成IP数字信号。

嵌入式视频编码器具备视频编码处理、网络通信、自动控制等强大功能，直接支持网络视频传输和网络管理，使得监控范围达到前所未有的广度。

基于嵌入式技术的网络视频监控系统克服了传统的模拟信号监控系统和数字监控系统的缺点，这种系统的硬件是一个同嵌入式处理器和操作系统捆绑较为紧密、功能专一、专门设计的独立的设备，不像插卡系统那样受通用计算机系统中其它软件硬件的影响，因此性能上更稳定，且便于安装、维护，易于实现系统的模块化设计，便于管理、维护。

该监控系统是目前研究的主要方向。

本课题是基于这种背景下建立的，其目的是设计实现一套基于嵌入式Linux 的网络视频监控系统，针对网络视频监控系统的各项关键技术展开研究，包括嵌入式Linux技术、网络视频的压缩传输和用于客户端的Java Applet技术等。

该系统充分利用了网络资源，不需要为监控系统增加额外设备，轻而易举地实现远程视频监控功能，具有良好的扩展性和灵活性，成本低，且便于安装、维护和管理。

该系统不仅适用于智能小区、银行、校园和重点实验室的监控，还可用于医疗设备的维护管理、工业生产过程的实时监控、环境与安保集中监控以及水利系统的监控和电力系统的监控等。

其设计成本也将随着技术的发展和网络的普及而大大降低，具有较强的实际应用价值和借鉴意义。

1.2 国内外发展现状和发展趋势国外监控系统起步较早，它几乎是随着黑白电视机的诞生就出现。

近年来，随着半导体工艺、视频压缩技术、网络传输技术的突飞猛进，监控系统得到了飞速的发展，出现了一大批生产监控系统的专业公司以及附带提供监控产品的公司。

如美国的Digital semiconductor公司、MediaCybernetics公司、加拿大Picpo 公司、Coreco公司和德国Mir公司等等。

其产品多为单路的图像采集卡或压缩卡。

其中的Digital semicon-ductor的21230编解码系统由于其较高的性价比和灵活性（支持H.261和MPEG-1），己被广泛用于监控领域。

一些厂家己开始研制多路监控系统，典型的代表是韩国L.G公司的LDVR2000/3000系列监控系统。

该系统有4-6个通道，压缩格式为M-JPEG，由于采用主机软件压缩，所以效率不高。

另外如美国Sensormatic公司型号为INTELLEP的监控系统，它有16个通道，由于采用模拟视频合成，存储仍采用录像带的方式，因而在系统性能以及灵活性上受到限制。

国内在监控领域起步较晚，九十年代前期采用国外的进口矩阵控制主机，为了适应当时计算机普及化的需求，监控公司纷纷开发利用计算机对矩阵主机进行系统控制的软件，实现电脑对监控系统图像切换、音频切换、报警处理、图像抓拍等多媒体控制。

此时的计算机多媒体监控实际上仅仅作为监控系统的一个辅助控制键盘使用，可以说是中国数字化监控开始的雏形。

九十年代中、后期是图像处理技术、计算机技术、网络技术飞速发展的时期。

中国国内公司在完成矩阵主机、解码器、多媒体控制系统、云台等外部设备产业化生产后，发现台湾地区和国外监控公司开始将他们基于传统电子制造业的监控生产线转移到中国进行生产，这促进了监控系统的在中国的普及应用。

2000年以后，随着图像压缩技术的进步，特别是MPEG-I、MPEG-II图像压缩芯片的大量推广应用，2000年至今，数字监控产品进入了一个快速发展时期。

伴随着中国国内监控系统数字化、网络化需求日益增大，使许多传统的IT企业、网络企业、家电企业纷纷看好这一市场，投入资金、人力、开发数字监控产品，数字监控市场在中国呈现空前繁荣的景象。

如北京的微视公司。

其主要视频监控产品如MV9920实时压缩卡、MV99-G海量硬盘录像智能监控系统、SmartVideo 解码系统、以及代销的美国A V-8专业视频压缩卡，但其性能与国外的大公司相比还有相当的差距。

视频监控系统的发展经历了三个不同阶段[1][2][3][4]：模拟视频监控，数字化图像监控，基于嵌入式视频服务器的网络化数字视频监控。

模拟监控系统发展较早，目前常称为第一代监控系统，系统特点：视频、音频信号的采集、传输、存储均为模拟形式，质量最高经过几十年的发展，技术成熟，系统功能强大、完善。

存在的问题是：只适用于较小的地理范围与信息系统无法交换数据监控仅限于监控中心，应用的灵活性较差不易扩展。

随着计算机存储和计算能力的不断增强，图像监控迎来了一场技术革命。

慢慢从过去的模拟处理方式转向数字处理方式，开始使用PC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，在显示器上显示，大大提高了图像的画质，但是控制与切换仍采用传统的方式，只是计算机串口与之相连，完成控制工作。

尽管它有良好的人机界面和较好的稳定性，但它不能称为真正的数字图像监控系统。

其根本原因在于系统设计的出发点不是基于计算机，而是基于传统模式。

只是在原有的基础上加以改进，大部分时间里，计算机只是充当一个外部监视器的角色。

通信协议的多样化与专用化很难统一，导致己有的计算机资源远远满足不了多种设备的要求。

随着信息处理技术的不断发展，基于嵌入式视频服务器的网络化数字视频监控近几年异军突起。

全数字化网络监控系统以网络为平台，采用全新的设计理念，集成当今最先进的网络技术、计算机技术以及数字处理技术。

全数字化网络监控系统以IP地址来识别所有的监控设备，采用TCP/IP协议来进行图像、声音和数据采集传输能够实现：更广阔地理远距的布局；无限的可扩展能力；庞大的网络监控。

前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化也是监控系统发展的必然趋势。

网络数字视频监控系统与上述第一、二代系统相比具有明显的优势：利用现有的网络资源，轻而易举地实现远程视频监控；系统扩展能力强，只要有网络的地方增加监控点设备就可扩展新的监控点；维护费用低，网络维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维护系统系统功能强大、利用灵活、全数字化录像方便于保存和检索；网络中的任意一台计算机，只要安装了客户端的软件，给予相应的权限就可成为监控工作站。

1.3 嵌入式系统概述1.3.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统[5]。

它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

嵌入式系统具有软件代码少、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务处理的情况。

与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高；功能强大、性能价格比高、实时性强，支持多任务；占用空间小，效率高；面向特定应用，可根据需要灵活定制。

1.3.2 嵌入式系统特点嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物，与通用的计算机系统相比有如下特点[6][7][8]：(1)技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

通用计算机行业中，占整个计算机行业百分之90的个人电脑产业，绝大部分采用的是Intel 的x86体系结构，而芯片厂商则集中在Intel，AMD，Cyrix等几家公司，操作系统方面更是被微软占居垄断地位。