基于ARM11的高清网络实时监控系统

基于ARM11的高清网络实时监控系统

刘伟杰;李博

【摘要】针对高清远程监控带来传输带宽增加的压力和时延、保存监控视频的周期短的问题,设计一种基于ARM11的高清网络实时监控系统.采用USB摄像头基于V4L2接口采集图像,结合H.265视频编解码技术,以RTP协议打包封装H.265视频码流经网络传输到Web服务器,利用CGI,JavaScript技术实现多种智能终端登录浏览器显示监控画面,在此基础上实现在LCD终端实时显示监控画面.经测试,该监控系统画面清晰无抖动,网络延时在500 ms以内,视频压缩比在130左右,满足高清视频监控数据的存储.

【期刊名称】《现代电子技术》

【年(卷),期】2018(041)012

【总页数】5页(P47-51)

【关键词】ARM11;V4L2接口;网络实时监控;RTP协议;Web服务器;LCD终端【作者】刘伟杰;李博

【作者单位】中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051

【正文语种】中文

【中图分类】TN949.197-3

随着安全性意识逐渐提高，安防监控在公共安全、交通安全和工业生产等各个方面

起到至关重要的作用，传统的本地模拟监控已经无法满足重要领域的大范围、远距离监控的需求，网络视频监控以其不受地区、时间限制，在授权的情况下可以随时按需监控，实现即插即用即看，使用方式相当便捷，已经成为监控发展的新趋势。目前网络监控高清已经成为主流，视频编码方面已经由应用广泛H.264标准发展

到最新H.265标准，H.265标准是继承H.264的架构并且采用了多种编码的新技术，相比H.264编解码技术H.265能够更好地支持高清视频；同样质量的图像，

H265比H.264有20%～40%的码流节省并且压缩视频占用空间是后者的1/3～

1/2，而且增加了更多的并行机制和网络传输机制，为高清视频实时传输和实时浏览提供便捷。

伴随着网络监控系统的到来，对监控系统的要求也不断提高，要求实时可靠、经济实用、方便灵活。而嵌入式系统的特点恰好满足以上要求，嵌入式网络监控系统应运而生。本文在嵌入式系统中移植Web boa服务器，搭建网络监控系统应用平台，应用H.265编码技术和RTP网络协议实现视频的采集、编码、发送和实时显示功能。

1 系统设计与实现

1.1 硬件系统设计

本文采用飞凌公司推出的OK6410开发板作为实时视频监控终端。OK6410开发

板是以三星公司生产的S3C6410微处理器，ARM1176JZF-S为内核，主频533 MHz/667 MHz，具有64/32位的内部总线，由AXI/AHB/APB总线构成，集成

了好多硬件加速器，非常适合音/视频、2D图形、显示运算等运用[1]。S3C6410

具有优化的外部存储器接口，256 MB的NOR FLASH，保证程序快速运行，2

GB的NAND FLASH用于启动代码、内核代码、根文件系统和用户程序。开发板包含多种硬件外设，包括USB摄像头接口、24位真彩色LCD控制器、SD卡插座等。硬件系统设计结构图如图1所示。

图1 硬件系统设计结构图Fig.1 Design structure of hardware system

1.2 软件系统设计

OK6410从S3C6410为主控芯片，基于Linux-2.6.30操作系统，系统软件主要

是U-boot，zImage和根文件系统，配置内核相关驱动和网络协议，移植ARM

端X265和Web boa应用软件。应用软件部分采用多线程编程，包括视频采集线程、LCD终端显示线程、视频压缩存储线程、网络传输线程。应用软件结构框图

如图2所示。

图2 软件系统设计结构图Fig.2 Design structure of software system

1.2.1 图像采集线程

V4L2[2]是Linux内核中关于视频设备的驱动模块，它为针对视频设备的应用程序提供了一系列的API[3]。V4L2的驱动程序调用流程如图3所示。

在Linux中，视频设备是设备文件，可以像访问普通文件对其进行读/写，驱动程

序在/dev/video*目录下，关键代码部分如下[4]。

1）打开摄像头设备，调用函数fd=open（"/dev/vid-eo0"，O_RDWR）第一个

参数是视频设备在/dev/目录下的设备名，视频设备以非阻塞方式打开。

2）检查视频设备支持的标准，调用ioctl（fd，VIDI-OC_QUERYSTD，&std）检测到的视频设备支持属性保存到std结构中[5]。

图3 V4L2的驱动程序调用流程Fig.3 Call flow for drive program of V4L2

3）设置视频采集格式，调用函数 ioctl（fd，VIDI-OC_S_FMT，&fmt）设置视

频采集分辨率、颜色、采集模式等。

4）申请帧缓冲空间，本文申请4个视频帧缓冲空间用于队列循环采集，这些视频数据保存到内核空间，应用程序不能直接访问内核空间数据。本文采用mmap（）方式将内核空间映射到用户空间，内存映射方式方便快捷，省去了大量内存复制，

提高了效率。

5）设备采集图像，调用函数 ioctl（fd，VIDI-OC_STREAMON，&mtd）缓存图像。

6）关闭视频设备close（fd），释放内存。

1.2.2 LCD终端显示线程

LCD图像实时显示主要利用Linux系统提供的Fr-amebuffer（帧缓冲）直接写屏实现[5]。Framebuffer是Linux系统为显示设备提供的一个接口，其是一种独立于硬件的抽象图像设备，用户只需要通过应用程序直接读写Framebuffer的内容直接在显存上绘制图像。图像采集在LCD终端显示流程如图4所示。

1）打开显示设备终端，调用函数 fbfd=open（"/dev/fb0"，O_RDWR），调用ioctl（fbfd，FBIOGET_FSCREEN-INFO，&finfo）操作获得LCD显示设备相关参数，如屏幕分辨率，像素点比特数和偏移。根据屏幕参数设置屏幕换成屏幕缓冲区大小：screen_size=var.xres*var.yres*var.bits_per_pixel/8；调用mmap（）函数将屏幕缓冲区空间印射到用户空间，显示设备初始化完成。

图4 图像采集在LCD终端显示流程Fig.4 Display process of image acquisition on LCD terminal

2）摄像头采集视频，从视频帧缓冲输出队列得到图像数据，摄像头采集模式YUV 格式需要转化为RGB格式，针对处理后的数据的分辨率判断与LCD分辨率是否匹配，进行图像缩放并送入显存显示，再将视频缓冲区送入队列，关键代码如下：

1.2.3 视频压缩存储线程

该系统的视频压缩编码标准选择的是新一代视频压缩编码标准：H.265/HEVC，其是一种高性能的视频压缩编码技术。与其他现有的视频编码标准相比，在相同的带