基于ARM的数字视频监控的设计.docx
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基于ARM的数字视频监控的设计
基于ARM的数字视频监控的设计
XXXXX
（长春大学电子信息工程学院，吉林省长春市，130022）
摘要：
视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。
现今监控系统已经步入了数字化、网络化时代，即视频从前端图像采集设备输出时即为数字信号，并以网络为传输媒介，基于TCP/IP协议，采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输。
使用嵌入式系统实现远程视频监控技术，符合网络化数字化的特点，对公安、安防等行业有着重要的现实意义。
视频监控系统一般采用基于PC平台＋视频采集卡的形式，该方案系统体积大、成本高，在远距离、多点系统中实现困难。
本设计采用Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核（CPU芯片含有视频采集接口），软件平台是Linux-2.4.20操作系统内核，由于Linux操作系统的开放特性、优良的网络支持性能、模块化的结构，较好满足系统的需要。
关键词：
视频监控；高级精简处理器；嵌入式；Linux操作系统
BasedonARMdigitalvideomonitoringdesign
XXXXXX
（ChangchunUniversityelectronicinformationEngineeringcollege,JilinProvinceChangchun,130022）
Abstract：
Videosurveillancesecuritysystemisanintegralpartofthesystem,itisacomprehensivepreventionsystemcapability.Thecurrentmonitoringsystemhasenteredthedigitalandnetworkera,thatis,videofromfront-endimageacquisitiondevicewhentheoutputisdigitalsignal,andtonetworktransmissionmedium,basedontheTCP/IPprotocol，usingstreamingmediatechnologytoachievemulti-linevideomultiplexingtransmissionpath.Embeddedsystemsusingremotevideosurveillancetechnology,inlinewiththedigitalnetworkcharacteristicsofpublicsecurity,securityandotherindustrieshaveanimportantpracticalsignificance.VideosurveillancesystemsaregenerallybasedonthePCplatformvideocapturecard,theprogramsystemoflarge,expensive,inthelong-range,multi-pointsystemtoachievedifficult.ThedesignusesSamsung'sARM-basedARM920Tprocessorcore（CPUchipcontainsavideocaptureinterface）,softwareplatformisaLinux-2.4.20operatingsystemkernel,asaresultoftheopenLinuxoperatingsystemfeatures,excellentperformanceofthenetworksupport,themoduleofthestructure,bettermeettheneedsofthesystem.
Keywords：
videomonitorandcontrol；ARM；embedded；LinuxOS
1ARM11简介
ARM11系列微处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器，它是ARM新指令架构——ARMv6的第一代设计实现。
该系列主要有ARM1136J，ARM1156T2和ARM1176JZ三个内核型号，分别针对不同应用领域。
ARM内核的数个系列（ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、Xscale、StrongARM），各自满足不同应用领域的需求，无孔不入的渗入嵌入式系统各个角落的应用。
这是一个ARM的时代！
本次我选择基于ARM9核的ARM处理器。
ARM9处理器采用5级流水线，指令执行效率较ARM7高，而且带有MMU功能，这是与ARM7的重要区别。
同时，该系列的处理器支持指令Cache和数据Cache。
因而具有更高的数据处理能力主要应用在MP3播放器，手持终端，数字照相机等。
ARM的应用已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。
基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额。
揭开你的手机、MP3、PDA，里面多半藏着一个基于ARM的微处理器！
这也是我仍然选择基于ARM微处理器设计MP3播放器的缘故，它将给我节约很大的成本而且很满足顾客的要求
2数字视频监控原理
2.1设计思路分析
远程监控系统的网络结构的设计直接影响到系统的性能，目前监控系统网络的实现大致有三种方案。
第一种是采用代理服务器的方法，如图3.1所示。
图2.1监控系统的代理服务器方案
代理服务器一般由PC机来充当，一方面运行TCP/IP协议实现internet介入功能，另一方面通过简单的总线结构（RS-232R、RS-485等）与嵌入式系统相连接。
嵌入式系统中只需要有一部分与代理服务器通讯的代码即可。
其优点是可以方便的解决设备上网问题，开发难度低，缺点是接入成本比较高，不利于大规模的推广，该设备比较适合较大的型或较昂贵工业设备的上网要求，不适合用于低价设备。
第二种方法是通过直接在嵌入式处理器上实现TCP/IP协议来实现internrt的接入功能，如图3.2所示，这种方案没有使用操作系统，大大节省了资源，但对处理器的要求也较高，技术实现上也比较困难。
图2.2直接在潜入式上实现TCP/IP协议方案
本实例采用的第三种方案与第二种方案相似，但是它使用的是嵌入式ARMLinux操作系统，在操作系统上运行TCP/IP协议。
目前大多数嵌入式操作系统都带有TCP/IP协议栈，这降低了开发难度，实现起来比较灵活，由于嵌入式操作系统的运行需要占用相当的处理器资源和存储空间，对硬件的配置也有较高的要求。
采用第三种方案，可以节省开发时，缩短开发周期。
监控系统一般还要在监控现场配置一台工控机或高性能微型机作为服务器，用来存储中间数据，处理实时性要求较高的事件，响应监控终端的监控请求。
一个基于ARMLinux的网络监控系统结构如图3.3所示。
图2.3基于ARMLinux的网络监控系统结构
基于ARM的嵌入式网络监控系统，它采用TCP/IP网络协议标准，系统组网简单，传输数据量大，速度快，整个系统结构简单，尺寸微小，价格低。
远程计算机可以做到无需任何额外程序，通过web浏览器就能对设备进行监测，而且应用程序易于开发、实现信息的完整共享。
因此，开发一种基于ARM的实时网络嵌入式网络监控平台，为各种智能化、小型化底层的监控系统提供可重用、高性能、图形化、网络化软硬件基础平台和高效的开发模式，结合实际情况和所需功能，系统具有的基本功能有：
数据采集、数据采集和处理、程序控制、网络传输。
基于ARMLinux的网络监控系统具有以下特点：
1.实时性好，能满足采集和数据处理的实时性的要求
2.性价比高，在满足要求的情况下，系统成本尽量的低。
3.可控性好，能实现远距离的控制数据传输。
4.系统硬件构成及功能
重要设施数字化监控系统主要包括前端设备和监控中心设备。
前端设备主要完成视频信息采集、探测器报警信号产生、云台与防护罩的控制功能，主要设备包括摄像机、电动变焦镜头、三鉴探测器、周界红外对射、烟雾探测器、红外灯、云台、防护罩、解码器、警灯、警笛、防盗照明灯、门禁设备等，现分别叙述如下：
摄像机和镜头：
完成现场动态视频信息的采集，针对监控点的需要，可分别采用固定镜头和电动变焦镜头。
解码器：
中心计算机可以通过串行口控制解码器。
实现远程对云台各个方位的控制，以及拍摄现场的场景拉近、推远等。
红外灯：
通过红外灯发出的不可见红外线，可以在完全没有照度的环境下正常拍摄。
周界红外对射：
负责周边的监控，一旦发生非法翻越周边围墙或栅栏，因红外线被切断，探测器产生报警信号。
烟雾探测器：
内置的红外收发装置，在布防区域的空气烟雾浓度达到一定程度时自动发出火灾报警信号。
三鉴探测器：
可以侦测覆盖范围内的移动物体，当有移动物体通过布防区域时，探测器发生报警信号。
监控中心是系统核心部分，主要完成模拟视频信号的采集、视频压缩、监控管理数据的记录和处理、监控数据的回放和检索、报警输出、设备检测及管理。
强大的硬盘管理功能：
应用软件系统支持多个硬盘管理，尤其支持抽拉式硬盘管理，自动管理硬盘存储、自动循环录制，可以灵活设置硬盘的存储空间、录满报警等功能，支持录像备份功能。
完善的录像功能：
应用软件系统允许为每一路视频自由设置录像方式，可以将每天分为24个时间段，每个小时分别设置为正常录像、传感器报警录像、视频报警录像、只监控不录像等任意一个状态，用户可以根据特定的需要自由设定录像方式，从而有效地利用硬盘空间，并且实现全天自动监视及录像，无需人工干预，达到无人值守的目的。
多路视频移动检测：
可以对多路视频录像进行区域、录像预制设置，设置好的时间段区域内如多路视频移动。
例如，设定的区域内有人刻意用手堵住摄像头或视频线路短路，系统对应的视频将立即录像，同时可以联动相关设备如灯光、警笛、蜂鸣器等出报警信号，及时输出监控警情，并迅速通知有关人员处理警情。
显示/回放/图像处理：
用户可按实际需要每路的录像选择分辨率和压缩比，8路系统最多可以接到16路视频输入、8路报警输入和8路报警输出，每路25帧/s实时录像。
在现场监视的情况下，可以用全屏幕或多画面显示。
在图像回放时，以实时或逐帧分解格式显示，用户可以选择单幅对特定图像进行处理，如放大/缩小、柔和．增强、锐化/提取、浮雕/扩散等，然后存储或打印。
云台/镜头控制功能：
具有本地及遥控控制全方位云台/镜头功能，方便用户对系统各个部分进行遥控操作。
2.2数字视频监控原则
数字监控系统采用了当今世界最先进的全数字化的计算机压缩技术，具有传统的“模拟”方式的监控系统无法比拟的许多优点。
可以完全自动地对监控对象进行永不间断的全程监控，并可以非常方便地查询任一时间，任意地点的现场图像，为彻底解决安全问题提供了有力的措施，取代了传统的“模拟”方式的监控系统，这一“革命”性的监控系统，还能在相当长的一段时间保持领先地位，提高了用户的投资效益。
监控系统设计的好坏以及使用的可靠性直接影响用户的切身利益、关系到人力和物力资源的安排与配置的合理性，甚至会产生巨大的社会影响，本公司本着“用户第一，服务至上；提高用户的管理水平”的原则，精心地设计了本系统：
1.充分考虑了用户的各种具体要求和当地的具体情况。
2.采用了当今世界最为先进的计算机全数字化压缩监控系统，具有传统的监控系统无法比拟的优点，能够堵塞安全漏洞，为突发事件提供证据，很好地保护投资者利益。
3.系统具有高度的可靠性和工作的连续性，极大程度地减少了用户的维护工作量。
4.采用高科技手段，进行智能化设计，尽量减少系统操作的复杂性；并做到系统工作稳定可靠，使用和维护简单方便；系统可扩展性、伸缩性很强。
5.设计时充分考虑了日常可能发生的各种突发事件，灵活性强。
6.前端配置和安装均考虑安全性、隐蔽性及美观性。
3数字视频监控设计
3.1数字视频监控中心设计
系统主要由视频采集和传输部分组成。
有嵌入式处理器、CMOS图像传感器、存储器、以太网接口、串口、及电源管理电路。
嵌入式处理器是韩国三星公司的基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器（型号：
S3C2410），主要面向高性价比、低功耗的应用。
为了处理图像数据，CPU的工作频率可达400MHz。
S3C2410的资源包括LCD控制器，SDRAM控制器，摄像头接口，3路串行接口，IICBUS接口，USB接口，触摸屏接口。
在处理器丰富资源的基础上，还进行了相关的扩展，配置了32MFlashROM和256MBSDRAM。
在嵌入式处理器的控制下，CMOS图像传感器（片上）采集到的数据经帧同步信号触发产生中断后被拷贝到SDRAM，经过MPEG-4编码后由网口发送到远端监控中心显示，系统框图如图4.1所示。
图3..1数字视频监控硬件框图
3.1.1图像采集模块的设计
1.监控终端图像采集
图像传感器接口电路是硬件设计的关键部分，如何有效的采集数据也是系统的关键问题。
视频源信号来自于一个高度集成的COMS数字图像传感器模块MB86S02,它是富士通的产品。
它不但集成了COMS图像传感器整列、自动增益信号放大器、模数转换器、还包括了色彩信号处理和微型镜头，包含了图像采集的所有前端处理，可以直接输出数字信号。
MB86S02基于COMS工艺，使用源像素传感器，与传统的CCD传感器有很大的同点。
（1）成像过程
ccd和cmos使用相同的光敏材料，因而受光后产生电子的基本原理相同，但是读取过程不同：
ccd是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，整个电路非常复杂，读出速率慢；cmos则以类似dram的方式读出信号，电路简单，读出速率
（2）集成度
采用特殊技术的ccd读出电路比较复杂，很难将a/d转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能集成到一块芯片上，一般需要3～8个芯片组合实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压。
借助于大规模集成制造工艺，cmos图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上，多数cmos图像传感器同时具有模拟和数字输出信号。
（3）电源，功耗和体积
ccd需多种电源供电，功耗较大，体积也比较大。
cmos只需一个单电源（3v-5v）供电，其功耗相当于ccd的1/10，高度集成cmos芯片可以做的相当小。
（4）性能指标
ccd技术已经相当成熟，而cmos正处于蓬勃发展时期，虽然目前高端cmos图像质量暂时不如ccd，但有些指标（如传输速率等方面）已超过ccd。
由于cmos具有诸多优点，国内外许多机构已经应用cmos图像传感器开发出众多产品。
本文主要介绍已商品化的cmos图像传感器的发展现状以及最新发展动态，希望对下游产品的开发有所帮助
COMS最大的优点是每一个像素单元可以集成一个或多个晶体管，这样就具有了低功耗和小型化的特点，非常适用于手持设备的应用，可以降低系统功耗、体积，提高电池效率，它的高度继承性大大简化了图像应用系统的设计。
MB86S02的特点如下：
·1/7英寸图像传感器，有效像素为352x288共11万像素；
·超低功耗30mW@15fps;
·输出8位CMOS电平并行数字信号，YCbCr422或YUV422格式；
·色彩信号处理包括：
自动增益、自动曝光、自动白平衡、Gamma校正等；
·寄存器设置通过标准I2C串行接口；
·支持CIF（352×288）、QCIF（176x144）格式；
·CCIR656标准头输出；
·抗闪烁功能；
·低功耗模式；
·掉电模式功耗为3μw。
由于MB86S02采集的数字信号格式为YCbCr或YUV，而VGA显示器需要的是RGB分量信号，所以如果想把MB86S02采集的图像直接显示在VGA显示器上，还需要进行YCbCr或YUV到RGB的颜色空间转换。
YCbCr和YUV是基于亮度与色差的颜色空间，RGB则是基于红绿蓝三基色的颜色空间。
它们之间转换的理论公式为：
R=Y+1.317V
G=Y-0.689×U-0.336×V
B=Y+1.732×U
实现8位字长的YUV到RGB转换，为了实现高速转换和宽度扩展，简化了理论公式为：
R’=Y+V-128
B’=Y+U-128
G’=Y-0.194×U-0.5×V+90
其中，0.194倍的U分量用查表的方法得到，0.5倍V则直接用右移一位实现。
经过这样的简化后，整个转换可以在两个时钟内完成，经过测试转换效果比较理想。
视频服务器的工作主要是编码和解码。
图像视频压缩的标准有H.120、Ｈ.261、Ｈ.263、JPEG、MPEG-1、MPEG-2等。
以上标准均偏重于某几个应用领域，交互性较差，不能提供对各种网络的一致性访问，容错性、灵活性和可扩展性比较差。
1998年11月MPEG-4成为国际标准。
与MPEG-1和MPEG-2相比，它对于传输速率要求较低，在4800～64000bits/sec之间。
MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术来压缩和传输数据，以求利用最少的数据获得最佳的图像质量。
2.视频压缩
MPEG-4引入了基于对象表达的概念，用来表达视听对象AVO（audio/visualobjects）；它具有高效编码、高效存储与传播及可交互性的特性。
MPEG-4允许已有的AVO生成复合的AVO,由此生成AV场景，并采用SNHC的方法来组织这些AVO。
对于AVO的的数据还能灵活地多路合成与同步，以便选择合适的网络来传输这些AVO数据，并允许接受端的用户在AV场景中对AVO进行交互操作。
图4.3所示，简单描述了MPEG-4视频编码原理。
通过对输入视频序列的分析，确认n个视觉目的的对象为编码对象，将其认定为n个VO（n＝1，2…），对每一个VO编码后形成的这个VO的VOP数据流。
VOP的编码包括对运动（采用运动预测方法）及形状、纹理（采用变换编码方法）的编码。
由于VOP具有任意形状，因此要求编码方案可以处理形状和透明信息。
除去VO的图像的其余部分背景，仍采用传统的矩形DCT变形编码。
最后VO场景描述信息的编码、VOP流、背景一起送入MPEG-4帧复合器，形成MPEG-4流输出。
MPEG－4技术应用在视频监控系统中具有节约存储空间、占用网络传输带宽少、错误恢复能力强、图像质量高等特点，所以我们选用MPEG-4进行图像编解码。
视频服务器另一个很重要的功能就是节目播出，这需要在解码通道设计中提供两种基本功能：
多个文件的连续无缝解码输出和任意并准确地定位解码文件的入点和出点。
只有实现了这两个功能才能达到视频服务器的播出功能。
3.监控终端数据通讯
在工业控制场合中，常会要求通过PC向嵌入式微机传输图片文件、数据文件等。
RS485由于价格便宜、操作简单、使用者可以随意编写应用协议等优点，被广泛应用在中等长距离的控制通讯中。
因此，利用RS485实现PC到嵌入式系统的文件传输，十分具有现实意义[6]。
本文以基于ARM9的三星S3C2410A为嵌入式微处理器，嵌入式Linux为嵌入式操作系统搭建一个嵌入式系统，成功实现了监控终端通过RS485向嵌入式系统传输文件。
RS485是一种多点、双向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-485-A标准。
RS485由RS232发展而来，它改进了RS232通信距离短、速率低的缺点。
RS485是一种平衡通信接口，传输速率最高可达10Mbit/s，最大传输距离约为1219m，并允许在一条平衡总线上连接最多32个设备。
RS485的共模输出电压是-7V-12V[5]。
RS485串行接口可以用最少的信号线完成通信任务，能够支持较高的数据传输率和较远的传输距离，同时可以方便进行多点互连，是工业控制中经常使用的电气接口。
可以通过对EP93XX系列微处理器的UART接口进行信号转换，在系统中实现RS485接口，信号转换可由MAX485完成。
MAX485是用于支持RS485/RS422通信的低功耗收发器，内含一个独立的驱动器和接收器，支持半双工收发。
MAX485的RE/DE由EP9315的EGPIO3控制。
由于MAX485以半双工的方式工作，因此由EGPIO3控制其发送与接收，当EGPIO3为高电平时，驱动器使能而接收器高阻态，此时可以发送数据，而当EGPIO3为低电平时，接收器使能而驱动器为高阻态，此时可以接收数据。
RS485采用差分式传输信号，对同时出现的两条信号线A和B的干扰有较强的抑制能力。
当两条线绞在一起时，对通信各种分布参数耦合过来的干扰信号可平均地分配到这两条线上，因此对RS485的差分式传输线路而言，用双绞线可获得较强的抗干扰能力。
3.1.2以太网接口的设计
在S3C2440芯片上无网络接口，为了实现在系统调试时，下载操作系统内核、文件系统映像，及在系统运行中实现视频数据的网络传输等功能，所以在系统中扩展网络接口模块（DM90000）。
该芯片为10M/100M以太网物理层芯片，具有通用的处理器接口。
其中CMD为命令类型引脚，在高电平时为数据周期，在低电平时为地址周期。
可通过CMD与数据总线访问内部54个控制及状态寄存器。
当AS9-AS8设置成高，SA7设置成低，SA6-4与TXD2-0匹配时，DM90000由AEN引脚唯一控制是否被选中。
此外，DM9000工作在正常模式，TEST1-4依次为1、1、0、0。
为了保证DM90000收发正常，还要加上25M的晶振。
3.1.3ARM视频监控平台
如图4.6所示是视频监控应用系统的开发平台，ARM的系统扩展槽和设备扩展槽，用于为ARM系统添加如以太网接口、海量数据存储接口和PCMCIA等接口，或者用于其他功能的开发板，为RAM系统扩展了CMOS图像获取功能和VGA显示功能。
ARM视频监控系统开发平台其中，VGA接口是通过电阻网络实现4096色彩色现实。
与SRAM控制寄存器、读地址低16位。
读出数据寄存器、写地址低16位、写入数据寄存器；与CMOS图像采集系统有关的寄存器有CMOS采集控制寄存器、CMOS采集状态寄存器；与VGA现实有关的寄存器是VGA现实控制寄存器。
3.2视频监控系统软件设计
如图4.7所示是ARM主程序流程图。
ARM处理器获取图像信息，执行压缩程序，压缩后的文件通过公共电话线路传递到监控主机端。
由于系统采用相同的图像分辨率和常量表，所以文件头都相同。
为了减少传输数据量，不传送文件头，文件头在监控主机端由软件自动添加。
图3.2ARM主程序流程图
本系统还使用调制解调器通过公共电话网来简历远程数据连接，在远程图像监控终端处的调制解调器处于待命状态，它使用“ATS0=3&D0W&W1”命令设置为自动应答方式，在3次振铃后自动摘机，经历“数据风暴”以后与主叫方建立连接。
监控中心的调制解调器由监控软件控制拨号建立连接或者挂断连接。
数据连接建立好后ARM会收到“CONNECT”字符串，表明通信线路连接成功，此时就可以像使用普通串口一样使用调制解调器建立的远程数据连接。
ARM接收到从监控中心发来的采集命令后，依次完成图像采集、压缩处理，然后通过串口以ASCII码形式直接发送图像数据到监控中心，完成一次操作后等待下一个采集命令。
3.3程序分析
1、主程序的设计
功能说明：
系统的总入口也是系统的主要控制函数。
分别完成以下功能
建立环境设置
设置信号处理方式
建立帧听TCP流方式SOCKET并绑定80端口
建立连接帧听及客户连接处理调用主函数
2、算
升级会员 