基于ARM11的視頻監控系統設計

王寶珠，程 杰

（河北工業大學 信息與工程學院，天津 300401）

由于網絡與信息技術的不斷發展，遠程視頻監控技術得到了廣泛的推廣，同時對視頻傳輸的效率、功耗、實時性、分辨率以及傳輸設備的體積大小等方面提出了更高的要求。自從H.264編碼標準發布以來，因其具有優異的壓縮性能、很好的網絡親和性，獲得了極大地支持與應用。但在很多應用場合是通過調用H.264編碼庫，實現了軟件方式的編解碼。本文采用擁有強大的多媒體處理能力ARM11芯片進行開發，它內部集成了專門處理多媒體數據的位處理器，通過ARM內部的MFC模塊完成了對H.264的硬件方式的編解碼。本論文視頻服務器建立在具有豐富的網絡協議、較強的穩定性的Linux系統上，完成了視頻數據的采集、壓縮，然后發送到Boa中，然后通過以太網發送到上位機進行顯示，實現了遠程的實時監控[1]。

1 視頻監控系統的總體設計

1.1 硬件總體設計

本系統主要以友善之臂Tiny6410開發板作為視頻服務器平臺。Tiny6410核心板采用ARM1176JZF-S核設計的CPU，S3C6410內部集成了強大的多媒體處理單元，支持Mpeg4、H.264等格式的硬件編解碼，核心板集成了256M的DDRRAM、1GB Nand Flash存儲器，通過豐富的接口資源與外圍電路相連接。本論文所涉及的主要接口包括標準DB9串口、SD卡接口、JTAG接口、USB串口以及網絡接口。整個硬件系統框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統結構圖Fig.1 Structure diagram of hardware system

在該硬件系統中現代的v500攝像頭通過usb接口與開發板相連，向S3C6410提供YUY2格式的視頻幀。目標板通過串口與宿主機連接，通過超級終端與目標板進行通信，對目標板進行控制和文件的傳輸。JTAG接口連接Jlink仿真器，通過宿主機上的rvds軟件進行程序的調試。SD卡用于燒寫superboot，然后完成整個linux系統的移植工作與應用軟件的復制工作。服務器通過DM900網卡與遠程客戶端進行通信。

1.2 軟件總體設計

整個軟件系統包括引導裝入程序、Linux內核、文件系統、各種驅動程序以及應用軟件組成。圖2為視頻服務器的軟件結構框圖。

圖2 軟件系統結構圖Fig.2 Structure diagram of software system

在進行系統移植之前，首先在宿主機上建立開發環境，安裝linux虛擬操作系統，安裝編譯調試軟件RVDS，建立與目標板通信的超級終端，建立交叉編譯環境等相關操作。

本系統首先在SD卡中燒寫superboot，然后將Uboot引導程序移植到Nand Flash中，然后移植版本為Linux 2.6.38的內核，接著移植根文件系統Rootfs，這樣整個操作系統環境就搭建完成了。在編譯Linux內核之前，要配置本系統所需的驅動模塊，將MFC驅動和萬能攝像頭驅動集成到內核中[2]。

2 采集與壓縮模塊的設計

2.1 基于V4L2的視頻采集模塊設計

V4L2是集成在Linux系統中的一個虛擬的設備驅動。主要功能是使應用程序發現多媒體設備，然后對設備進行操作管理。它提供了各種API接口，在本系統中完成了對攝像頭視頻流的捕獲與輸出，如圖3為數據幀采集流程圖[3]。

圖3 數據采集流程Fig.3 Flow diagram of data capture

1）打開設備文件。 fd=open（Devicename，mode）；第一個參數是注冊在/dev/目錄下的設備名，打開模式可分為阻塞和非阻塞模式。

2）獲取設備屬性。通過調用 ioctl（fd，VIDIO_QUERYCAP，&cp）獲取打開設備相關參數存放到cp結構中。

3）設置捕獲格式。 調用 ioctl（fd，VIDIOCS_FMT，&fmt）設置捕獲圖像的存儲格式、寬帶、高度、像素大小等。

4）為視頻幀分配內存。 通過 ioctl（fd，VIDIOC_REQBUFS，&req）向內核申請req.count個緩存。

5）映射緩存。首先通過VIDIOC_QUERBUF獲取緩存地址，然后mmap到用戶空間。

6）視頻幀的采集。調用read（）將數據存放到緩存中。

7）處理采集數據。V4L2的數據緩存采用FIFO的方式，當應用程序將最先采到的一幀數據取走時，將重新采集最新的數據。

8）關閉視頻設備。調用close（）實現設備的關閉。

2.2 基于MFC的編碼模塊設計

本系統通過S3C6410內部多媒體編解碼模塊實現H.264標準的視頻壓縮。采用硬壓縮不占用CPU資源而且速度更快，為視頻的實時傳輸做好了準備[4]。如圖4為MFC編碼流程圖。

圖4 h.264編碼流程圖Fig.4 Flow diagram of h.264 encoder

1）初始化H.264編碼環境。調用SsbSipH264 EncodeInit（Width， Height， Framerate， Bitrate， GOPNum） 來打開 MFC設備并且對編碼結構參數進行初始化。

2）設置編碼參數。調用SsbSip H264 EncodeS et Config（open Handle，type，value）對編碼的各種參數進行配置。

3）獲得視頻輸入地址。通過SsbSipH264EncodeGetInBuf（openHandle，size）獲取視頻輸入地址。

4）通過 memcpy（p_inbuf， in_addr， frame_size）將需要編碼視頻幀復制到編碼時存放原始數據的緩存中。

5）通過 SsbSipH264EncodeExe（handle）函數進行編碼壓縮。

6）關閉設備，調用 SsbSipH264 EncodeDeInit（handle）函數釋放占用資源并且關閉設備。

3 視頻傳輸與顯示模塊的設計

3.1 基于boa服務器的傳輸模塊設計

本系統將boa移植到運行在ARMM11開發板上的Linux系統中，建立了嵌入式web服務器，為遠程客戶端提供基于HTTP協議的網絡接入方式。Boa支持基于CGI的動態網頁，因此采用編寫CGI腳本對遠程客戶端的請求進行響應，發送經過編碼的視頻數據包。如圖5為boa中視頻傳輸的流程圖[5]。

圖5 數據傳輸流程圖Fig.5 Flow diagram of data transmission

1）完成boa服務器的初始化工作。

2）通過socket創建流式套接字，并獲得套接字描述符。

3）通過bind將套接字與服務器地址綁定。

4）通過listen對端口進行監聽。

5）通過accept等待來自客戶端的連接請求。

6）建立相互的連接，分析客戶端命令。

7）執行CGI腳本程序，發送數據。

8）關閉套接字，結束通信。

3.2 視頻數據的解碼與顯示模塊設計

工作在pc機上的遠程客戶端從網絡接收視頻數據包，然后對視頻幀進行解碼與在屏幕上顯示圖像。本系統采用基于開源的SDL與FFmpeg庫提供的API接口，實現對視頻的解碼與播放[6]。

1）首先進行初始化操作。avcodec_register_all（）；avdevice_register_all（）；av_register_all（）；通過以上函數注冊所有的編解碼器，復用分離器，文件格式的注冊。

2）設置 AVFormatContext結構體，對整個編碼過程所需要的各種參數進行設置。

3）從以上結構體中找到相關解碼器的上下文。

4）調用avcodec_open（）函數打開 H.264解碼器。

5）調用avcodec_alloc_frame（）函數分配內存來存儲解碼后得到的yuv數據。

6）通過 avcodec_decode_video（p Codec Ctx， Inbuf， &count，outbuf， sizeof（outbuf））函數對數據進行解碼，pCodecCtx 是解碼器的上下文，Inbuf指向解碼后數據的位置，count是已完成的幀數，outbuf指向被解碼解碼的原始數據。最后調用SDL庫中的函數來實現視頻的顯示。

4 結 論

本文完成了遠程視頻監控包括數據采集、數據壓縮、數據傳輸、數據顯示的整個模塊設計。采用了性價比很高的ARM11作為整個服務器的數據處理核心，搭載了開源的具有很好的網絡親和性和穩定性的Linux操作系統，使得應用軟件有一個高效和穩定的運行環境。實現了對視頻數據的H.264標準的硬壓縮，極大提高了數據的處理與傳輸效率，使得整個系統具有較好好的實時性。在該系統的基礎上，可以進行功能的增加和優化，實際應用于各種監控場合。

[1]葉俊華.ARM11的嵌入式視頻處理終端設計[D].長沙：中南大學，2009.

[2]楊牟剛.基于嵌入式Linux的網絡視頻監控系統設計與實現[D].桂林:桂林電子科技大學，2008.

[3]張建江.基于嵌入式Linux的H.264視頻接收系統設計[D].西安:西安電子科技大學，2008.

[4]羅智勇.針對視頻會議應用的H264視頻編碼器研究與實現[D].廣州：暨南大學，2005.

[5]黃恒強.基于ARM和Linux的嵌入式遠程視頻監控系統設計[D].南京:南京理工大學，2008.

[6]胡杰.基于ARM的嵌入式視頻監控終端的研究[D].武漢:武漢理工大學，2008.