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數字視頻監控系統是以計算機或嵌入式系統為中心、視頻處理技術為基礎，是符合圖像數據壓縮的國際標準。綜合利用圖像傳感器、計算機網絡、自動控制和人工智能等技術的一種新型監控系統。由于數字視頻監控系統對視頻圖像進行了數字化，所以與傳統的模擬監控系統相比，數字監控具有許多優點。數字化的視頻系統可以充分利用計算機的快速處理能力，對其進行壓縮、分析、存儲和顯示。數字化視頻處理技術提高了圖像的質量與監控效率，使系統易于管理和維護。整個系統是模塊化結構，體積小，易于安裝、使用和維護。正是由于數字視頻監控技術具有傳統模擬監控技術無法比擬的優點，而且符合當前信息社會中數字化、網絡化和智能化的發展趨勢，所以數字視頻監控技術正在逐步取代模擬監控技術，廣泛應用于各行各業。嵌入式系統以體積小、實時性強、性價比高、穩定性好等特點在社會的各個領域中得到了廣泛應用。筆者設計的一種嵌入式系統，以WinCE操作系統和ARM硬件平臺為核心實現了對現場的實時監控，并通過無線網絡把視頻圖像傳輸到主機端，以實現分析、存儲和顯示等功能。 1 系統設計 本系統主要由操作系統定制、視頻圖像采集、視頻圖像無線傳輸三部分組成。系統的核心芯片選用基于ARM920T內核的S3C2410嵌入式微處理器，軟件環境選用Microsoft Windows CE操作系統。系統首先通過USB攝像頭采集現場實時視頻信息，并對其進行壓縮。然后，使用兩塊無線網卡在ARM開發板與上位機之間構建一個無線局域網絡，從而將壓縮的視頻數據傳輸到主機端，終端用戶即可在主機端通過流媒體播放程序查看遠程視頻影像。 視頻監控系統總體結構框圖如圖1所示。 2 操作系統的定制 系統硬件平臺的核心芯片選用了S3C2410處理器，最高頻率可達203 MHz。S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用O．18μm制造工藝的32位微控制器。該處理器具有較高的集成度，簡化了應用系統的硬件設計，提高了系統的可靠性。開發扳上還擴展了4MB的NOR Flash、64 MB的NAND Flash和64 MB的DRAM。 系統選用了Microsoft Willdows CE(簡稱“WinCE”)操作系統。WinCE是一個緊湊的、高效且可擴展的32位操作系統，適用于各種嵌入式系統和產品。它擁有多線程、多任務和確定性的實時、完全搶占式優先級的操作系統環境，專門面向只有有限資源的硬件系統；同時，它的模塊化設計方式使得系統開發人員和應用開發人員能夠為多種多樣的產品來定制它，可以選擇、組合和配置WinCE的模塊和組件來創建用戶版的操作系統。 在WinCE產品開發中，主要有內核定制和應用程序開發兩項非常重要的工作。微軟在兩方面都提供了良好的開發工具，即內核定制工具Platform Builder(簡稱“PB”)和應用程序開發工具Embedded Visual C++(簡稱“EVC”)。 在系統定制過程中，各部分的關系如圖2所示。 3 視頻圖像采集 3．1 攝像頭驅動 圖像采集模塊的硬件資源選用了當前市面上應用最廣泛的USB接口的中星微攝像頭。該款攝像頭造價低廉，成像效果好，用于本系統中體現出了較高的性價比。系統在進行視頻采集前，首先要檢測設定視頻源。系統啟動后，WinCE操作系統會自動檢測攝像頭是否連接好。本系統在定制WinCE操作系統時，通過修改操作系統配置和注冊表。可以使系統自動加載攝像頭在WinCE下的驅動程序ZC030x．dll。 系統自動加載驅動程序時，首先要將驅動程序復制到＼WINDOWS文件夾下，然后向注冊表中寫入攝像頭的驅動信息： 其中，prefix為設備文件名，D11為驅動的文件名，Order為設備文件名索引。硬件配置完成后啟動操作系統，就可以自動加載驅動，運行應用程序進行圖像采集了。 3．2 圖像采集程序 中星微攝像頭采用了中星微301PLUS快速主控芯片。該芯片是一款高性能圖像壓縮芯片，輸出MIPEG視頻流數據。MIPEG(Motion JPEG)主要是基于靜態視頻壓縮發展起來的技術，特點是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨對某一幀進行壓縮，通常可達到6：1的壓縮率。它的誤差穩定性非常好，可以獲取清晰度很高的視頻圖像，而且還可以靈活設置各路視頻清晰度，壓縮幀數。 本系統直接從攝像頭驅動中獲取MJPEG視頻流數據，圖像采集流程如圖3所示。 圖像采集模塊用到的主要函數有： capInitCamera()用來初始化視頻設備，并獲取當前可用的視頻設備數目。 capSetVideoFormat()設置視頻格式和分辨率。本系統使用的視頻格式為RGB24，分辨率為320×240像素。 capGrabFrsme()從驅動中抓取1幀圖像，并存儲在緩存lpFrameBuffer中。 capGetLastJpeg() 將抓取的MJPEG格式的圖像轉換成JPEG格式，送到無線發送模塊。 capCloseCamera() 關閉視頻設備。 視頻采集部分還有查詢視頻采集格式、設置明暗度、設置對比度等相關函數，不再詳述。 4 視頻傳輸部分 4．1 配置無線網卡 圖像傳輸模塊主要是通過USB接口的無線網卡來實現的。該無線網卡可與S3C2410集成的USB主機接口直接相連，工作在2.4 GHz的ISM頻段，采用直接序列擴頻通信方式，遵從802．11g協議，傳輸速度可達54Mbps，室內有效距離為100 m，能夠滿足局域網內視頻傳輸的要求。本系統通過開發板和主機之間的無線網卡構建無線局域網絡，能夠實現點對點的無縫連接，用戶通過此無線網絡可以實現文件傳輸、視頻通信等應用。 開發板端的無線網卡也需要加載驅動才能運行。本系統在定制WinCE操作系統時，首先將無線網卡的驅動程序復制到＼WINDOWS文件夾下，然后向注冊表中寫入無線網卡的驅動信息。WinCE操作系統啟動后會自動檢測無線網卡是否連接好，并加載驅動程序，此時，就可以通過應用程序調用此無線網卡了。在無線傳輸時，注意要把開發板和主機設置在同一IP網段。 4．2 傳輸視頻數據 實時傳輸協議RTP(Real time Transport Protocol)是一種實時流式傳輸協議，能夠保證媒體信號帶寬與當前網絡狀況相匹配，在一對一(umcast，單播)或者一對多 (multicast，多播)的網絡環境中實現流媒體數據的實時傳輸。RTP通常使用UDP來進行多媒體數據的傳輸。整個RTP協議由兩個密切相關的部分組成：RTP數據協議和RTCP控制協議。 針對系統數據的收發要求，采用了開源代碼JRT-PLIB提供的RTP協議棧。JRTPLIB是一個面向對象的RTP庫，完全遵循RFC1889設計。開發人員只要初步了解RTP協議就可以開發出高質量的音／視頻傳輸程序。把它移植到EVC上，稍作修改就可以應用在WinCE操作系統的ARM開發板上了。 4．2．1 建立RTP的數據發送和接收 JRTPLIB 提供的RTPSession類可以實現RTP的數據發送和接收。RTP數據發送和接收的初始化步驟基本相同。首先設置時間戳、最大的RTP包尺寸、數據超時等會話參數，然后設置基端口(注意這個端口必須是偶數，默認值為5000)。在設置好這些參數之后，就可以使用RTPSession的Create方法建立RTP數據接收和發送了。 數據發送端使用RTPIPv4Address(intIP，PORT_DATA)建立一個新的地址，再使用AddDestination將這個地址增加到發送的地址列表中。然后，調用SendPacket函數發送RTP數據。 rtpSessiorl. SendPacket(sendBuf，length，26，true，0UL)； 在數據接收端建立RTP會話并且增加了目標地址后，就可以從目標地址接收數據了。此時將調用OnRtpPacket函數接收RTP數據，在這個函數里取得裝載數據并使用。在OnRTPPacket函數中，調用函數zc030x_OutPicture(＆m_pDlg-＞frame)，對接收到的數據進行解碼。最后，調用函數StretchDIBits()，在當前窗口中顯示視頻圖像。 void RTPAppSession：：OnRTPPacket (RTPPacket * pack，const RTPTime ＆ receivetime，const RTPAddress *senderaddress) 4.2.2 RTP的控制協議——RTCP RTCP(Real-time Transport Control Protocol)和RTP一起提供流量控制和擁塞控制服務。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包。RTCP包中含有已發送的數據包的數量、丟失的數據包的數量等統計資料，因此，服務器可以利用這砦信息動態地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率達到最佳效果。 JRTPLIB是一個高度封裝的RTP庫，調用PollData()或者SendPacket()方法后，JRTPLIB能夠自動對到達的RTCP數據報進行處理，并在需要時發送RTCP數據報，從而確保整個RTP會話過程的正確性。在RTP數據收發中，也可以通過調用RTPSession類提供的方法選擇當前RTP會話需要發送的控制信息，并對控制信息進行設置。 結語 本系統基于S3C2410平臺和WinCE操作系統，通過USB攝像頭采集現場實時視頻信息，并對其進行壓縮。然后，用兩塊無線網卡在開發板與上位機之間構建無線局域網絡，使用實時流式傳輸方式實現了視頻數據的無線傳輸。整個系統具有穩定可靠、安裝簡便、成本低廉等特點，可以應用在遠程監控、工業控制、視頻會議、可視電活等諸多領域。 |
