基于S3C6410的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[圖]

摘要：為了實現(xiàn)一種簡單，可靠性高的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，基于三星S3C6410微處理器系統(tǒng)，結(jié)合嵌入式技術(shù)和圖像處理技術(shù)，利用S3C6410的硬件編碼模塊MFC進行MPEG-4編碼，采用實時傳輸協(xié)議通過網(wǎng)絡進行視頻傳輸。經(jīng)局域網(wǎng)條件下測試，該系統(tǒng)采集傳輸視頻質(zhì)量較好，性能穩(wěn)定，滿足低成本、高可靠性的嵌入式視頻監(jiān)控要求。在描述系統(tǒng)框架的同時，更具體地說明了實現(xiàn)部分的關(guān)鍵代碼示例。

視頻監(jiān)控的應用領(lǐng)域日益廣泛。隨著電子信息技術(shù)、多媒體技術(shù)以及網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式視頻監(jiān)控技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。相比較傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)具有成本低，小巧靈活，高可靠性等特點。本文以三星S3C6410微處理器為基礎(chǔ)處理器ARM11，實現(xiàn)了一種簡單高效的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)既可以使用網(wǎng)線進行傳輸，也可以采用無線USB網(wǎng)卡進行無線傳輸。本文在說明系統(tǒng)框架的同時，著重對系統(tǒng)實現(xiàn)的具體軟件進行了說明。

1 系統(tǒng)的組成和工作原理

嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分由視頻采集模塊、視頻編碼模塊、網(wǎng)絡傳輸模塊以及嵌入式處理器模塊組成；軟件部分基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺，包括視頻數(shù)據(jù)采集模塊、視頻編碼模塊和網(wǎng)絡傳輸模塊等。

系統(tǒng)的總體設(shè)計原理為：通過OV9653的130萬像素攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，然后將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到S3C6410的MFC(多媒體格式編解碼)模塊進行視頻編碼后，得到MPEG-4視頻流，最后將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡模塊發(fā)送到接收端。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

視頻采集模塊采用OV9653攝像頭傳感器。OV9653攝像頭傳感器是低電壓的CMOS圖像傳感器。采集圖像的輸出格式可以是YUV/YCbCr 4:2:2或者RGB 4:2:2。

2.2 視頻編碼模塊

系統(tǒng)基于ARMSYS6410開發(fā)板開發(fā)。ARMSYS6410開發(fā)板以三星S3C6410微處理器(ARM1176JZF-S內(nèi)核)為核心。

利用S3C6410提供的MFC(多媒體格式編解碼)模塊進行編碼，將OV9653采集到的YUV格式數(shù)據(jù)編碼成MPEG-4格式數(shù)據(jù)流。同時，也可以將OV9653采集的RGB格式的數(shù)據(jù)直接顯示在LCD屏上。

2.3 網(wǎng)絡傳輸模塊

基于S3C6410微處理器的ARMSYS6410開發(fā)板提供了1路10M/100M網(wǎng)絡接口，1路USB2.0-OTG，1路USB Host。在網(wǎng)絡傳輸模塊中可以直接使用網(wǎng)絡接口來進行有線的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，也可以使用USB接口的網(wǎng)絡卡來進行無線的數(shù)據(jù)傳輸。區(qū)別只是在軟件部分使用的驅(qū)動不同，而對程序的結(jié)構(gòu)沒有任何影響。

2.4 嵌入式處理器模塊

三星S3C6410微處理器(ARM1176JZF-S內(nèi)核)是一款高性能的多媒體應用處理器，具有強大的硬件多媒體格式編解碼單元(MFC)，完善的外部設(shè)備，同時擁有高達667MHz的運行頻率。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，為應用程序的開發(fā)提供了一個軟件平臺。由于Linux系統(tǒng)具有良好的可裁剪和可移植等特性，目前較多地采用Linux系統(tǒng)來進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

基于S3C6410的ARMSYS6410開發(fā)板，已經(jīng)提供了基于Linux 2.6.28內(nèi)核的操作系統(tǒng)源碼。通過對內(nèi)核各個功能模塊進行裁剪，編譯出鏡像文件，然后下載到開發(fā)板上，即可實現(xiàn)Linux嵌入式操作系統(tǒng)以及相應的驅(qū)動程序的移植。

系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)流如圖2所示。圖中①表示原始數(shù)據(jù)從外部攝像頭到攝像頭驅(qū)動模塊。②表示數(shù)據(jù)由驅(qū)動模塊經(jīng)過處理傳輸?shù)絻?nèi)存。此時數(shù)據(jù)可以有不同的格式。③表示數(shù)據(jù)從內(nèi)存中傳送給視頻編碼模塊的輸入緩沖區(qū)。④表示MFC編碼模塊從輸入緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)進行MPEG-4編碼。⑤表示編碼結(jié)束后將數(shù)據(jù)傳送到視頻編碼模塊的輸出緩沖區(qū)。⑥表示從視頻編碼的輸出緩沖區(qū)讀取編碼后的數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡傳輸模塊進行傳輸。

在此需要注意的是，圖示中的視頻輸入緩沖區(qū)對于解碼模塊是輸入緩沖區(qū)，但是對于編碼模塊卻是輸出緩沖區(qū)。對于圖示中的輸出緩沖區(qū)也同樣如此。

3.1 視頻數(shù)據(jù)采集程序

視頻采集程序使用內(nèi)存映射的方式進行讀取。通過內(nèi)存映射直接把設(shè)備文件映射到內(nèi)存中，繞過內(nèi)核緩沖區(qū)，進程訪問設(shè)備文件時和訪問普通內(nèi)存一樣，極大的提高了視頻數(shù)據(jù)的讀取速度。

視頻采集部分的流程圖如圖3所示。

下面列出視頻采集部分的關(guān)鍵代碼。

首先打開設(shè)備，其中CODEC_NODE為預定義宏，表示攝像頭結(jié)點文件路徑。

dev_fp=open(CODEC_NODE，O_RDWR)；

在設(shè)置參數(shù)部分，首先要得到設(shè)備能力參數(shù)，檢查是否具有所需的功能，然后再進行參數(shù)的設(shè)置。使用下面的代碼來實現(xiàn)。

ioctl(dev_fp，VIDIOC_QUERYCAP，&cap)；

上一行代碼得到設(shè)備的功能信息，存儲到參數(shù)caF中。在檢查設(shè)備具有所需功能后，下一行代碼進行參數(shù)設(shè)置。

ioctl(dev_fp，VIE)IOC_S_FMT，&codec_fmt)；

其中，codec_fmt為一個格式信息的結(jié)構(gòu)體類型參數(shù)。

在Linux平臺，采集圖像數(shù)據(jù)部分的實現(xiàn)方式與文件讀取類似，采用下面的代碼實現(xiàn)。

read(dev_fp，g_yuv，YUV_FR_BUF_SIZE)；

而將數(shù)據(jù)傳送給MFC模塊這部分，可以采取直接共享緩沖區(qū)的方式，這樣減少了一次數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的傳輸，增加了效率。

最后是關(guān)閉設(shè)備文件。先停止圖像的采集，然后關(guān)閉文件。

ioctl(dev_fp，VIDIOC_STREAMOFF，&start)；

close(dev_fp)；

上述代碼片段是視頻采集部分的關(guān)鍵代碼段。在實現(xiàn)部分還有很多的條件判斷和分支選擇等控制流程部分，這里不進行詳細描述。

3.2 視頻編碼程序

視頻編碼部分直接采用S3C6410的MFC視頻編解碼模塊進行視頻的編碼。由于采用硬件編碼，編碼效率非常高。同時在程序的設(shè)計方面，不用涉及具體的硬件細節(jié)，只需要通過S3C6410提供的驅(qū)動模塊進行。編碼部分的流程圖如圖4所示。

下面列出視頻編碼部分的關(guān)鍵代碼。

hOpen=open(MFC_DEV_NAME，O_RDWR | O_NDELAY)；

上一行代碼打開MFC設(shè)備。由預定義的宏MFC_DEV_NAME指定MFC設(shè)備文件路徑。

模塊的初始化部分需要指定編碼幀的長寬，編碼幀的速率等參數(shù)。初始化的這些信息并沒有直接應用于設(shè)備，而是存儲于一個編碼參數(shù)的結(jié)構(gòu)體類型參數(shù)pCTX中，然后用下面的代碼進行參數(shù)設(shè)置，也即將參數(shù)應用于實際的設(shè)備。

ioctl(pCTX->hOpen，cmd_init，&mfc_args)；

編碼部分用下一行代碼實現(xiàn)。

ioetl(pCTX->hOpen，cmd_exe，&mfc_args)；

在編碼完成后，可以通過函數(shù)獲取編碼后視頻幀的內(nèi)存地址。函數(shù)原型為：

void*SsbSipMPEG4EncodeGetOutBuf(vold*openHandle，long*size)。

最后關(guān)閉設(shè)備文件。

close(pCTX->hOpen)；

同樣，對于一些流程控制部分的代碼，限于篇幅，沒有進行詳細的描述。

3.3 網(wǎng)絡傳輸程序

網(wǎng)絡部分采用RTP實時傳輸協(xié)議進行視頻數(shù)據(jù)的傳輸。RTP(Real-time Transport Protocol)是用于網(wǎng)絡多媒體數(shù)據(jù)流的一種傳輸協(xié)議。為了使系統(tǒng)的實現(xiàn)更簡單和穩(wěn)定，采用已有的RTP庫進行程序的開發(fā)。本系統(tǒng)選用開源的C語言庫oRTP進行開發(fā)。

oRTP庫是對RTP協(xié)議的一種實現(xiàn)，完全采用C語言編寫。oRTP庫使用簡單易用的接口，實現(xiàn)了RTP協(xié)議，可以工作于Linux，Windows等多個平臺。

系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸模塊的流程比較簡單。模塊首先初始化oRTP庫，然后傳輸數(shù)據(jù)，在傳輸完成后釋放oRTP庫資源。由于模塊流程較簡單，在此就不列出系統(tǒng)的流程圖，僅針對具體的實現(xiàn)進行說明。下面列出網(wǎng)絡傳輸模塊的關(guān)鍵代碼。在傳輸數(shù)據(jù)之前，要對oRTP庫進行一些基本的初始化操作。首先對時間戳進行初始化，采用下面的一行代碼實現(xiàn)。

m_nUser-Timestamp=0；

然后，調(diào)用oRTP庫提供的初始化接口函數(shù)：

ortp_init()；

ortp_scheduler_init()；

在完成基本的初始化后，創(chuàng)建一個新的rtp會話對象，并且設(shè)置會話對象的一些參數(shù)和屬性。

session=rtp_session_new(RTP_SESSION_SENDONLY)；

上面的代碼創(chuàng)建了一個新的rtp會話對象，接下來用下面的函數(shù)對session進行參數(shù)和屬性的設(shè)置。

rtp_session_set_scheduling_mode()； rtp_session_set_blocking_mode()； rtp_session_set_remote_addr()；rtp_session_set _payload_type()；

上面的函數(shù)依次對rtp會話對象的調(diào)度管理、阻塞模式、發(fā)送目的地址和負載類型進行設(shè)置。限于篇幅，略去了調(diào)用參數(shù)。

發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)用庫函數(shù)：

rtp_session_send_wlth_ts()；

在發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，銷毀rtp會話對象，然后釋放oRTP庫的資源。

rtp_session_destroy(session)；

ortp_exit()；

在網(wǎng)絡傳輸模塊中需要注意的是，由于RTP協(xié)議對數(shù)據(jù)包的大小是有限制的，所以如果傳輸?shù)囊曨l幀過大，需要進行分包傳輸處理。

4 結(jié)語

本文在基于S3C6410微處理器的開發(fā)平臺上，實現(xiàn)了一種基于MPEG-4編碼的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。利用S3C6410內(nèi)部集成的MFC模塊進行視頻編碼，實現(xiàn)了很高的編碼效率。最后，通過RTP協(xié)議進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。采用模塊化的設(shè)計之后，使得系統(tǒng)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸部分與具體的有線或者無線傳輸方式無關(guān)。文章在描述各部分實現(xiàn)流程的基礎(chǔ)上，詳細地說明了關(guān)鍵部分的代碼實現(xiàn)。實驗測試中，數(shù)據(jù)編碼效率很高。采用了MPEG-4編碼方式，在正常網(wǎng)絡情況下，傳輸視頻質(zhì)量較好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。實驗證實了系統(tǒng)的可行性較高。

作者：胡世敏 來源：現(xiàn)代電子技術(shù)

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