基于嵌入式Linux的网络视频监控系统

传统的监控方式，因为布线繁琐、监控距离受到限制等原 因，不能满足可视化远程测控的要求。嵌入式技术及远程测控 技术的发展，使远程测控现场及测试设备的可视化实时监控成 为可能。如可视化远程网络测控实验中，用户能够通过网络视 频系统全程观察实验设备的操作过程及设备工作状态。
本研究针对远程测控的可视化监测要求，设计实现了一种 以嵌入式服务器为基础的网络视频监控系统。该系统以嵌入式 微控制器￥３Ｃ２４１０为核心构建了一个嵌入式平台，利用嵌入式 操作系统Ｌｉｎｕｘ和ＴＣＰ／ＩＰ协议建立嵌入式Ｗｅｂ服务器，以ＵＳＢ 数字摄像头为视频前端，网上用户可以通过ＩＥ浏览器访问服务 器，实时查看测控现场和测试设备的情况。
图２视频采集程序流程图 Ｖｉｄｅｏ Ｆｏｒ Ｌｉｎｕｘ中的数据结构有： （王）ｖｉｄｅｏ—ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，包含设备的基本信息，如设备名称、支持 的最大最小分辨率、信号源信息、信道数等； （坌）ｖｉｄｅｏ＿ｐｉｃｔｕｒｅ，设备采集图像的各种属性； （要）ｖｉｄｅｏ＿ｃｈａｎｎｅｌ，关于各个信号源的属性； （互）ｖｉｄｅｏ＿ｗｉｎｄｏｗ，表示采集窗口参数； （９ｖｉｄｅｏ＿ｍｂｕｆ，利用内存映射获取数据时的帧的信息； （重）ｖｉｄｅｏ＿ｂｕｆｆｅｒ，底层对缓冲器的描述； （翌）ｖｉｄｅｏ＿ｍｍａｐ，用于内存映射方式。
驱动程序的作用在于向应用程序提供访问硬件设备的接 口。驱动程序屏蔽了硬件实现上的细节操作，使得在Ｌｉｎｕｘ下 操作硬件如同操作普通的文件一样，可以使用标准的系统调用 函数，而驱动程序的作用就是实现这些函数的具体调用。对于 嵌入式系统开发来说，没有通用的驱动程序可供使用，因此驱动 程序的开发是整个嵌入式系统开发过程所必须的。
播放ＭＰＥＧ－４格式的视频，需要相应的播放器，可以在网页 中插入Ｗｉｎｄｏｗｓ ｍｅｄｉａ的Ａｃｔｉｖｅ控件实现视频播放。在ＨＴＭＬ 文件中，实现浏览器和ＣＧＩ程序的连接，将视频数据通过ＣＧＩ 传送给浏览器。由于是播放摄像头中实时采集的视频流而不是 指定的文件，因此需要在缓冲区中读取数据。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｖｉｄｅｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ ａｎｄ￥３Ｃ２４１０，ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂｕｉｌｄｓ ａ Ｗｅｂ ｓｅｒｖｅｒ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｃａｐｔｕｒｅ ｖｉｄｅｏ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｏｍ ＵＳＢ ｄｉｇｉｔａｌ ｃａｍｅｒａ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｎ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｃｌｉｅｎｔ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ．Ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＵＳＢ ｄｅｖｉｃｅｓ ｄｒｉｖｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｄｅｏ ｓｉｇｎａｌ ｃａｐｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ ａｒｅ ｄｉｓ－ ｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ；ｃａｐｔｕｒｅ ｖｉｄｅｏ；ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｒｅｍｏｔｅ ｖｉｄｅｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
在编译器部分，将驱动程序中Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件中相关行改为 ＣＣ＝／ｏｐｔ／ｈｏｓｔ／ａｒｍｙ４１／ｂｉｎ／ａｒｍｙ４１一ｕｎｋｎｏｗｎ—ｇｃｃ—ｌｉｎｕｘ（修改的代 码根据宿主机的操作系统以及编译器所在位置而不同）。同时 对下列与处理器相关的部分进行修改，即可实现对￥３Ｃ２４１０的 ＵＳＢ驱动的移植口Ｊ。
３嵌入式Ｌｉｎｕｘ内核裁减
完整的嵌入式Ｌｉｎｕｘ一般包含启动引导程序、内核、文件系 统３个基本部分。启动引导程序固化在ＦＬＡＳＨ中，除非遇到系 统崩溃或者系统不能正常引导启动的情况，一般不需要修改和 重新烧写。
本系统采用２．４．１８版本的嵌入式Ｌｉｎｕｘ内核。由于每个 硬件平台的应用环境以及硬件环境不同，要使内核能够运行在 嵌入式的平台上，需要进行裁减。在嵌入式内核的目录下对与 处理器相关的选项进行修改。
Ｒｅｍｏｔｅ Ｖｉｄｅｏ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ
ＺＨＡＯ Ｆａｎｇ—ｐｅｎｇ，ＹＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｈｕａ，ＺＨＡＯ Ｚｈｏｎｇ，ＬＩＵ Ｗｅｎ－ｔａｏ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’∞７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ的网络视频监控系统
·５７·
在Ｖ４Ｌ中有两种方式采集视频，一是用ｒｅａｄ（）函数直接读 取方式。二是用ｍｍａｐ（）函数内存映射方法截取视频。ｍｍａｐ （）函数通过系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件 实现共享内存，本系统采用内存映射方式获取视频。
ＵＳＢ摄像头在Ｌｉｎｕｘ中的设备文件名为／ｄｅｖ／ｖｉｄｅ００，视频 图像程序编程便是针对此设备名进行。调用ｏｐｅｎ（）函数，成功 则返回描述符，代表捕获了视频硬件，以后就可以对设备文件进 行操作‘３｜。
·５６·
《测控技术））２００７年第２６卷第５期
低廉、内核可裁减性强等特点，且集成有ＴＣＰ／ＩＰ协议，对网络的 支持是相对于其他操作系统的优势。遍布全球的Ｌｉｎｕｘ开发团 队和爱好者，使后继开发者可以很容易获得源代码方面的支持。 选择嵌入式Ｌｉｎｕｘ作为操作系统后，需要做的工作有内核的裁 减、ＵＳＢ设备驱动开发、编写基于Ｖ４Ｌ视频采集程序、Ｗｅｂ服务 器的建立和应用程序的移植等。
（１）寄存器地址设置。 在ｕｓｂ－ｏｃｈｉ．Ｃ中，使￥３Ｃ２４１０的ＵＳＢ主机控制器寄存器的
起始地址（０ｘ４９０００（０）初始化ｏｃｈｉ一＞ｒｅｇｓ。
（２）主机控制器中断设置。 在ｕｓｂ－ｏｃｈｉ．ｃ中，使￥３Ｃ２４１０的ＵＳＢ主机控制器寄存器的 中断向量初始化ｏｃｈｉ一＞ｉｒｑ。 （３）根ＨＵＢ端口数目设置。 在ｕｓｂ－ｏｃｈｉ．Ｃ中定义根ＨＵＢ的下行端口数目为２（＃ｄｅｆｉｎｅ ＭＡＸ—ＲＯＯＴ＿ＰＯＲＴＳ ２），ＭＡＸ—ＲＯＯＴ ＰＯＲＴＳ的默认值为１５。 ４．２基于Ｖ４Ｌ的视频采集程序 在嵌入式内核的Ｖｉｄｅｏ Ｆｏｒ Ｌｉｎｕｘ（Ｖ４Ｌ）部分为视频采集的 应用程序提供了一系列的接口函数，通过这些函数，可以执行打 开、读写、关闭等基本的操作。 视频采集程序的流程如图２所示。
程序通过调用ｉｏｃｔｌ（）函数对设备控制，完成视频采集的任 务。ｉｏｃｆｌ（）函数中主要的设备控制命令有：
（！）ＶＩＤＩＯＣＧＣＡＰ，获得ｖｉｄｅｏ—ｃａｐｔｕｒｅ中有关摄像头的信息； ＠）ＶＩＤＩＯＣＧＰＩＣＴ，读取ｖｉｄｅｏ＿ｐｉｃｔｕｒｅ中的关于图像的信息， 包括图像的亮度、色度、对比度等； （要）ＶＩＤＩＯＣＳＰＩＣＴ，在用户空间中改变图像信息； ＠ＶＩＤＩＯＣＧＭＢＵＦ，获得摄像头存储缓冲区的帧信息； （曼）ＶＩＤＩＯＣＡＭＣＡＰＴＵＲＥ，获取视频图像； （莶）ＶＩＤＩＯＳＹＮＣ，判断视频图像是否截取成功。 本系统采用在ＰＣ机上已经出现的双缓冲措施来改进嵌入 式系统中的ＵＳＢ摄像头视频采集程序，在内存映射方式采集视 频时，申请两帧图像缓冲，在一帧被处理时可以采集另一帧。需 要定义当前帧号以及状态，并时刻持有当前帧的序号、起始地址 等信息，以防混淆。
收稿日期：２００６—０９—２０
作者简介：赵方鹏（１９８１一），男，山东济南人，硕士研究生，主要研究方向
为嵌入式系统；杨建华（１９６７一），女，山西长治人，教授。主要研究方向 为新型传感器及集成测控。
万方数据
图１ 系统硬件平台功能框图
２系统操作系统
系统选择Ｌｉｎｕｘ作为操作系统。Ｌ及工作原理 系统设计思想是将视频前端和嵌入式Ｗｅｂ服务器整合在
一起，采集数字摄像头传送来的视频信号，通过ＵＳＢ总线传送 到Ｗｅｂ服务器。Ｗｅｂ服务器接上网络，网络上用户可以用ＩＥ 观看Ｗｅｂ服务器上的监控图像。由于把视频采集压缩和Ｗｅｂ 功能集成到一个设备内，直接入网络，达到即插即看，省掉很多 复杂的电路，在有网络接口的地方都可以直接使用，安装简单、 使用方便。
在ＵＳＢ总线标准中定义了４种传输方式，分别是控制、中 断、批量和等时。对于本系统需要的对时间性要求较高的视频 采集来说，采用等时的传输方式是最为合适的…。
内核支持ＵＳＢｌ．１协议，且￥３Ｃ２４１０的ＵＳＢ主机控制器完
万方数据
全符合ＯＨＣＩ规范，因此对于通用的Ｌｉｎｕｘ驱动，进行修改就可 以移植到嵌入式Ｌｉｎｕｘ上运行。其中修改的部分主要涉及到编 译器以及处理器的部分库文件和头文件。
系统的工作原理是利用嵌入式Ｌｉｎｕｘ和ＡＲＭ控制器建立 Ｗｅｂ服务器，通过服务器接收来自浏览器的指令并采集ＵＳＢ摄 像头的视频图像，并通过网络向浏览器传输视频，从而达到远程 视频监控的目的。 １．２系统硬件结构
系统硬件平台功能框图如图１所示，平台上集成了Ｓａｍ． ｓｕｎｇ公司的Ｓ３Ｃ２４１０处理器。Ｓ３Ｃ２４１０采用ＡＲＭ９２０Ｔ ３２位微 控制器作为内核，主频可达２０３ ＭＨｚ，具有丰富的控制资源。另 外平台上扩展了１６ＭＢ的１６位ＦＬＡＳＨ，６４ＭＢ的３２位ＳＤＲＡＭ， 一个ＵＳＢ ＨＯＳＴ接口，通过ＤＭ９０００扩展了一个以太网接口。 利用ＵＳＢ接口连接摄像头采集视频，通过以太网接口与网络连 接，完成网络监控的任务。
５视频图像压缩及播放
获得视频数据后，由于原始的图像数据量十分庞大，需要在 网络传输前进行压缩。实现视频压缩，可以通过软件或硬件来 实现。目前的视频压缩算法中ＭＰＥＧ－４有效地解决了图像和容 量的问题，是一个较好的选择。其远程传输的参数为：图像标准 ３５８×２８８；帧容量０．８—２．５ ｋｂ／帧；实时性２０—６２．５ ｋｂ／ｓ。
另外本系统需要进行视频采集，在Ｍｕｈｉｍｅｄｉａ ｄｅｖｉｃｅｓ项下， 选择
［母］Ｖｉｄｅｏ Ｆｏｒ Ｌｉｎｕｘ 系统选用的视频前端为ＵＳＢ摄像头，因此需要选择相应的 设备驱动。嵌入式内核一般只集成了ＯＶＳｌｌ等几种摄像头的 驱动，若硬件需要其他的驱动，则要移植、编译驱动程序后重新 配置内核，选择相应的设备驱动。
基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ的网络视频监控系统