基于ARM的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)
摘要： 將嵌入式Linux和無線網(wǎng)絡引入到視頻監(jiān)控系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的硬件組成；介紹了USB無線網(wǎng)卡驅動實現(xiàn)的過程；從嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境的搭建、嵌入式流媒體服務器的設計和動態(tài)網(wǎng)頁的設計等方面介紹了軟件系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程；對動態(tài)網(wǎng)頁設計所涉及到的雙緩沖技術進行了詳細介紹。實現(xiàn)結果表明，該系統(tǒng)具有可靠性高、體積小、成本低和使用便利等特點，適用于移動視頻監(jiān)控等實際場合。
Abstract：
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摘要：將嵌入式Linux和無線網(wǎng)絡引入到視頻監(jiān)控系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的硬件組成；介紹了USB無線網(wǎng)卡驅動實現(xiàn)的過程；從嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境的搭建、嵌入式流媒體服務器的設計和動態(tài)網(wǎng)頁的設計等方面介紹了軟件系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程；對動態(tài)網(wǎng)頁設計所涉及到的雙緩沖技術進行了詳細介紹。實現(xiàn)結果表明，該系統(tǒng)具有可靠性高、體積小、成本低和使用便利等特點，適用于移動視頻監(jiān)控等實際場合。
傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用PC服務器的C／S(Client／Server)結構，視頻服務器由計算主機和許多存放視頻的磁盤陳列組成，專門用于視頻的存儲和傳輸。流式傳輸采用的是邊接收邊播放的原則，這需要將多媒體的編、解碼和傳輸技術很好地結合在一起。目前多媒體的編解碼技術如MPEG-4，H．264等，可以以較小的帶寬開銷來實現(xiàn)較高質(zhì)量的視頻傳輸，然而目前的傳輸技術卻無法滿足移動視頻監(jiān)控的需求，因為設備的移動速度和所在位置都會嚴重影響到傳輸。傳統(tǒng)流媒體系統(tǒng)體積大、成本高、可靠性低且移植性差，不能滿足這種特殊場合的應用要求。
針對傳統(tǒng)監(jiān)控技術的不足，本文提出了基于ARM的移動觀頻監(jiān)控的設計與實現(xiàn)，設計了一種專門功能、結構簡單的流媒體服務器；采用Boa作為Web服務器，并通過瀏覽器來監(jiān)控，實現(xiàn)跨平臺監(jiān)視；采用雙緩沖技術，確保用戶能夠得到較好、較穩(wěn)定的播放質(zhì)量；利用USB無線網(wǎng)卡實現(xiàn)無線上網(wǎng)，免去布線的煩惱，方便地實現(xiàn)了移動視頻監(jiān)控的功能。
1 系統(tǒng)硬件設計
硬件平臺是整個系統(tǒng)運作的基礎。本系統(tǒng)主要由流媒體服務單元、USB無線網(wǎng)卡、無線路由、攝像頭和監(jiān)控端組成。流媒體服務單元是整個系統(tǒng)的核心，主要由嵌入式Linux、嵌入式處理器和外圍器件組成。
嵌入式處理器采用Intel XScale結構的PXA27嵌入式微處理器，最高主頻可達* MHz；加入wireless MMX技術，大大提升了多媒體處理能力；加入Intel SpeedStep動態(tài)管理電源技術，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降底移動設備的功耗。在處理器豐富資源的基礎上，本系統(tǒng)擴展了64 MB Nand FLASH，64 MB SDRAM，16 MB Nor FLASH，4個USB主接口以及一個從接口。USB一主接口接攝像頭，用于采集視頻數(shù)據(jù)；USB一主接口接無線網(wǎng)卡，用于發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)卡采用了TCP／IP、NETBEUI傳輸協(xié)議，傳輸速率為11 Mb／s，5．5 Mb／s，2 Mb／s，1 Mb／s。其最大覆蓋范圍為35～100 m(室內(nèi))、100～300 m(室外)，能較好地滿足移動視頻監(jiān)控的要求。本系統(tǒng)硬件組成圖如圖1所示。
以PXA270為核心接收攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過編碼后通過無線網(wǎng)卡發(fā)送，再經(jīng)由無線路由接入以太網(wǎng)，用戶通過Internet接收到視頻信息。
2 USB無線網(wǎng)卡驅動
在Linux系統(tǒng)中，提供了主機側和設備側視角的USB驅動框架。從主機側角度而言，需要編寫的USB驅動程序包括主機控制器驅動和設備驅動兩大類。主機控制器驅動程序屬于USB驅動程序的核心，這部分在Linux內(nèi)核源碼中已經(jīng)有很好的支持。本節(jié)將重點介紹USB無線網(wǎng)卡設備驅動的實現(xiàn)。
2．1 USB驅動的注冊和注銷
usb_ids描述了這個USB驅動所支持的USB設備列表。
2．2 探測和斷開函數(shù)
在編寫USB無線網(wǎng)卡設備驅動時，很重要的一步是probe()和disconnect()函數(shù)，即探測和斷開函數(shù)，它們分別在設備被插入和拔出的時候被調(diào)用，用于初始化和釋放硬件資源。
2．3 USB請求塊(URB)
USB無線網(wǎng)卡本身的驅動部分的讀寫等操作流程有其特殊性，即以USB請求塊(URB)來貫穿始終。URB是USB主機與無線網(wǎng)卡設備通信的電波。
3 系統(tǒng)軟件設計
基于ARM的移動視頻監(jiān)控的軟件設計包括嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的搭建與移動視頻監(jiān)控軟件設計兩大部分。
3．1 基于ARM的嵌入式Linux開發(fā)平臺
本方案采用了Linux嵌入式操作系統(tǒng)，以Linux2．6．24為基礎進行裁減定制自己的內(nèi)核，在編譯內(nèi)核時保留必須的文件系統(tǒng)、存儲器、串口、USB、以太網(wǎng)驅動，將攝像頭、USB無線網(wǎng)卡驅動以模塊的形式編譯，以減少編譯后內(nèi)核的大小。Bootloader采用blob，燒寫blob后利用tftp協(xié)議實現(xiàn)Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)在Flash上的燒寫。在Redhat 9安裝Arm-linux-gcc。建立交叉編譯環(huán)境，實現(xiàn)流媒體服務器和Boa在PAX270上的搭建。鑒于現(xiàn)在燒寫技術已經(jīng)很成熟，故不詳細討論。
3．2 移動視頻監(jiān)控軟件的設計
移動視頻監(jiān)控軟件完成的主要功能有：設計流媒體服務器采集并傳輸攝像頭拍攝的視頻信息；構建嵌入式Web服務器Boa；動態(tài)網(wǎng)頁的設計以及流媒體服務器、web服務器與瀏覽器之間的通信等任務。因此系統(tǒng)軟件框架如圖2所示。
3．2．1 流媒體服務器的設計
流媒體服務器主程序用于開放某個視頻服務器端口，并不斷*端口，如有連接請求則建立連接，建立后流媒體服務進程將不斷向端口提供采集到的視頻數(shù)據(jù)流同時也接收客戶端發(fā)送過來的視頻調(diào)節(jié)命令參數(shù)。流媒體服務器主程序流程圖如圖3所示。
(1)采集視頻數(shù)據(jù)
系統(tǒng)是在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺上采用Video4Linux編程來采集視頻的。一般攝像頭是直接讀視頻設備，采集到視頻數(shù)據(jù)并存在文件中。對文件進行操作，這樣程序運行效率會很低。本系統(tǒng)摒棄這種方法，采用mmap(內(nèi)存映射)方式截取視頻數(shù)據(jù)。mmap()系統(tǒng)調(diào)用使得進程之間通過映射同一個普通文件實現(xiàn)共享內(nèi)存。普通文件被映射到進程地址空間后，進程可以向訪問普通內(nèi)存一樣對文件進行訪問，不必再調(diào)用read()，write()等操作。采用共享內(nèi)存通信的一個顯而易見的好處是效率高，因為進程可以直接讀寫內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝。
(2)傳輸視頻數(shù)據(jù)
本系統(tǒng)通過網(wǎng)絡傳輸視頻數(shù)據(jù)，用套接字(Socket)編程實現(xiàn)。
(3)采集線程與傳輸線程同步
流媒體服務器的設計有個關鍵點：保證連續(xù)不斷的視頻流。針對這一點，本系統(tǒng)采用多線程編程，采集和傳輸并行執(zhí)行。用互斥量和標志位來實現(xiàn)采集線程和傳輸線程的同步。
采集數(shù)據(jù)時給互斥量加鎖，直到當前幀采集完并填充完當前幀頭結構體才解鎖互斥量，再開始傳輸。同理，傳輸當前幀時采集線程等待，直到當前幀傳輸完。采集完兩幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)诙鬏斖瓿珊螅杉甑谌龓瑐鬏數(shù)谌龓Ｒ来搜h(huán)，采集完第N幀傳輸?shù)贜幀。此時實際只傳輸了第2幀到第N幀，即N-1幀。
用戶的視覺反應需要時間，此丟棄第一幀的設計思想并不會使畫面失真。反而連續(xù)不斷的視頻流傳輸?shù)娇蛻舳藶橛脩裟軌颢@得良好的視頻質(zhì)量打下了基礎。
采集線程：
3．2．2 動態(tài)網(wǎng)頁的設計
嵌入式Web服務器是Web服務器簡化后的專用系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用適合嵌入式系統(tǒng)的Boa Web服務器。Boa是一個單任務的HTTP服務器，支持能夠實現(xiàn)動態(tài)Web技術的Java Script技術，源代碼開放，性能高。同時服務器本身所占空間很小，因而十分適用于嵌入式系統(tǒng)。
鑒于Boa移植技術已經(jīng)很成熟，故不詳細討論。
Applet是能夠嵌入到一個HTML頁面中，且可通過Web瀏覽器下載和執(zhí)行的一種Java類。它是Java技術容器(container)的一種特定類型。Applet可以通過網(wǎng)絡傳輸，由瀏覽器自動裝載并執(zhí)行。這恰恰非常符合本系統(tǒng)的要求，因此選用Applet來很好地實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁，打開網(wǎng)頁就可以看到視頻數(shù)據(jù)，方便快捷。
(1)設計流程
Applet不能單獨運行，需要嵌入在網(wǎng)頁中借助瀏覽器的解釋。必須要創(chuàng)建一個HTML文件來告訴瀏覽器需裝載什么以及如何運行它。其執(zhí)行順序如下：
①瀏覽器裝入URL；
②瀏覽器裝入HTML文檔；
③瀏覽器裝入Applet類；
④瀏覽器運行Applet。
本系統(tǒng)Java Applet實現(xiàn)三個功能：視頻數(shù)據(jù)通過Socket傳送到客戶端顯示；將客戶端調(diào)節(jié)視頻帶參數(shù)發(fā)送到服務器；將客戶端點擊的運動控制參數(shù)發(fā)送到服務器。其中init和start函數(shù)在Applet開始執(zhí)行時調(diào)用，通過start創(chuàng)建2個線程：用于socket通信；提供用戶界面顯示視頻和相應用戶操作。用戶界面設計用到Sun的SwingWorker類庫。
(2)雙緩沖技術
雙緩沖技術主要應用于屏幕閃爍現(xiàn)象的消除。在一幀圖像的繪制過程中，如果一幀圖像的繪制時間大于屏幕的刷新時間，就會造成視覺上不連貫的效果。繪制時可在內(nèi)存中建立兩個圖形緩沖區(qū)，其中一個緩沖區(qū)(前臺)用于存放顯示的當前幀，并在屏幕上顯示；同時在另一個緩沖區(qū)中完成下一幀的繪制。因為畫面的繪制過程是在用戶不可見的情況下進行，自然也就消除了這種閃爍現(xiàn)象。
為了保證用戶的觀看質(zhì)量，本系統(tǒng)在動態(tài)網(wǎng)頁的設計中引入這種雙緩沖技術。采用Java語言中component類的一個可用于創(chuàng)建圖形緩沖區(qū)的方法createImage(int width，int height)，其參數(shù)為繪制區(qū)域的大小。該方法返回一個大小為繪制區(qū)域的Image對象。調(diào)用該對象的getGraphics()方法得到一個GraphiCS對象，將它視為后臺的Graphics對象。此后，可調(diào)用Graplaics類的各種繪圖方法，以繪制所需的畫面。此時，所有的操作都是在后臺的Image對象中進行的，并沒有顯示到屏幕上。當繪制完成后，再調(diào)用前臺Graphics對象的drawlmage(Image img，int x，int y，ImageObserver observer)方法將已準備好的Image顯示到屏幕上。其中Image參數(shù)就是createImage方法所返回后臺的Image對象，ImageObserver參數(shù)是與前臺Graphics對象相關的Component對象或其派生類對象。
4 系統(tǒng)測試
在PXA270上搭建Boa，將Java Applet小程序編譯后生成的．class執(zhí)行文件、HTML腳本index．html及相關文件拷貝到／var／www／下。將編譯好的流媒體服務器的二進制文件下載到PXA270上。加載攝像頭和USB無線網(wǎng)卡驅動，運行boa，再運行流媒體服務器。在PC端打開瀏覽器輸入PXA270的IP地址，就可以看到網(wǎng)頁監(jiān)控的畫面，畫面清晰且視頻流暢，如圖4所示。
5 結 語
本文充分利用多媒體技術和嵌入式技術各自的特點，介紹了一種用ARM實現(xiàn)移動視頻監(jiān)控的方法，給出了軟硬件設計結構及USB無線網(wǎng)卡驅動的具體實現(xiàn)過程。設計了流媒體服務器，搭建了Boa作為Web服務器及實現(xiàn)了動態(tài)網(wǎng)頁。利用USB無線網(wǎng)卡免去了布線的煩惱；利用B／S結構使得可以通過瀏覽器來監(jiān)控，實現(xiàn)跨平臺監(jiān)視；利用雙緩沖技術，實現(xiàn)較高的視頻質(zhì)量。基于ARM的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)使得操作簡單，攜帶方便，可靠性高，成本低，具有良好的開發(fā)及應用前景。
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