基于嵌入式linux的网络视频监控系统的研究与设计.docx
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基于嵌入式linux的网络视频监控系统的研究与设计
基于嵌入式Linux的网络视频监控系统的研究与设计秦嘉凯江苏科技大学
学校代码：
10289
分类号：
TP316.2
密级：
公开
学号：
082030012
江苏科技大学
硕士学位论文
基于嵌入式Linux的网络视频监控
系统的研究与设计
研究生姓名秦嘉凯
导师姓名李锋
申请学位类别工学硕士
学位授予单位江苏科技大学
学科专业信号与信息处理
论文提交日期2011年12月12日
研究方向信号处理理论与技术
论文答辩日期2012年3月17日
答辩委员会主席张尤赛
评阅人
2012年3月15日
分类号：
TP316.2
密级：
公开
学号：
082030012
工学硕士学位论文
基于嵌入式Linux的网络视频监控
系统的研究与设计
学生姓名
秦嘉凯
指导教师
李锋副教授
江苏科技大学
二O一二年三月
AThesisSubmittedinFulfillmentoftheRequirements
fortheDegreeofMasterofEngineering
ResearchandDesignofNetworkVideoSystem
basedonEmbeddedLinux
Submittedby
QinJia-Kai
Supervisedby
LiFeng
JiangsuUniversityofScienceandTechnology
March,2012
江苏科技大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
年月日
江苏科技大学学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于：
（1）保密□，在年解密后适用本授权书。
（2）不保密□。
学位论文作者签名：
指导教师签名：
年月日年月日
摘要
随着计算机网络技术、通信技术、数字视频压缩编码技术的日益成熟，远程视频监控技术有了快速的进步，视频图像因其信息丰富，内容直观、使用方便而被广泛地应用于工业控制、交通监管、安防系统、小区安全监控等各种领域。
本文以S3C2440为核心硬件平台，将视频图像数据采集技术、数据压缩技术和TCP/IP网络数据传输技术相结合，设计并实现了一个基于B/S模式的远程视频监控系统。
主要包括：
首先给出了系统总体软硬件设计方案，针对本系统硬件对U-boot进行了修改和移植，对编译和移植Linux内核以及制作YAFFS文件系统也做了深入的研究；实现V4L2视频图像数据采集、视频数据压缩以及视频数据的网络传输等功能模块的编写；在分析视频检索方法的基础上，提出了视频标签技术，以运动产生的图片作为一个事件标签，根据该事件标签找出其在视频文件中相对位置。
系统由两部分构成：
视频监控服务器端和视频监控客户端。
服务器端以嵌入式Linux操作系统和三星公司的S3C2440处理器作为系统的软硬件核心平台。
客户端通过IE浏览器向服务器发送视频监控请求，服务器收到客户端请求后，利用Linux内核提供的V4L2接口采集视频图像数据，然后使用JPEG压缩算法对视频数据进行压缩编码，最后将压缩后的视频数据通过网络传送到视频监控客户端。
客户端通过IE浏览器接收并实时监控远程视频图像。
本系统采用模块化设计方法，使得设计更加简洁、高效，具有良好的扩展性和易用性，有利于系统升级。
实验测试结果表明，该系统在处理速度、稳定性、实时性等方面和传统的视频监控系统相比有着突出的优势，达到了课题预期设计目标。
关键词网络视频监控；嵌入式Linux；V4L2；视频标签
Abstract
Withthe computernetwork technology,communicationtechnologyanddigitalvideocompression technologies becomemoresophisticated,remotevideosurveillancetechnologyhasdevelopedrapidly.Becauseofitsinformation-rich,contentintuitive,easytouse,videoimagesarewidelyusedinindustrialcontrol,trafficcontrol,securitysystems,communitysafetyandotherareas.
Thisarticlecombinesthevideoimagedataacquisitiontechnology,datacompressionandTCP/IPnetworkdatatransmissiontechnologies,designedandimplementedtheremotevideomonitoringsystembasedonB/SmodeandS3C2440ascorehardwareplatform,including:
Firstly,theoverallhardwareandsoftwaresystemdesignaregiven,U-boothasbeenmodifiedandtransplantedforthehardware;thetransplantationofthecompilerandproductionofLinuxkernel,filesystemofYAFFSalsobestudiedindetail;hasbeenachievedV4L2videoimagedataacquisition,videoimagedatacompression,networktransmissionofvideodata;analyzesthemethodofvideoretrievalandherebybringsforwardatechniqueofvideolabel,whichtakesthemotionimageasaneventlabelandthenfindoutthepositionoftheeventinthevideofileaccordingly.
Systemconsistsoftwoparts:
serverandvideosurveillanceclient.VideosurveillanceserverusesanembeddedLinuxoperatingsystemandSamsungS3C2440Aprocessorasthecoreplatformsoftwareandhardwaresystems.WiththeIEbrowser,client-sideaccesstovideosurveillanceserversandsentvideosurveillancerequeststotheserver.Aftervideosurveillanceserverreceivesaclientrequest,thesystemusestheV4L2Linuxvideointerfacetocaptureimagedata,andthenthevideodatausingJPEGcompression,andfinallythecompressedvideodataistransmittedthroughtheInternettovideosurveillanceclient.WiththeIEbrowser,theclientreceivesandreal-timemonitorsremotevideoimages.
Themodulardesignapproachisusedinthesystemwhichmakesthedesignmorecompactable,efficient,andeasetoupgrade.Experimentalresultsshowthatcomparedtotraditionalvideosurveillancesystem,thesystemhasoutstandingadvantagesinprocessingspeed,stability,realtime,Etc,toachievetheexpectedprojectdesigngoals.
Keywordsnetworkvideosurveillance;embeddedlinux;v4l2;videolabel
CONTENTS
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
随着嵌入式技术、计算机技术、网络技术、数字图像技术等的发展，监控技术也得到了迅速发展[1]。
监控系统被广泛应用于那些对于安全要求敏感的场合，如停车场、仓库、自动售货机、银行和交通管理等[2-3]。
当监控现场出现异常行为时，监控终端能及时向监控人员发出警报，从而避免意外情况的发生。
据悉，上海目前已经将安装20多万个监控摄像头，全面建立起“社会防控体系”。
诺达咨询发布的《视频业务系列——视频监控业务综合分析报告2010》显示：
目前网络摄像机市场正在以超过100％的速度增长，2010年市场规模达到26.7亿元人民币，预计2011年达到86.61亿元人民币。
未来5年内，网络视频监控都将保持约38%的年增长率，会有越来越多的视频监控系统采用完全数字化的技术，特别是在一些行业市场，如交通、城市监控、工业和零售等等。
此外，以数字化视频监控为基础的智能视频监控技术也将获得长足的发展。
本文研究的网络视频监控技术是基于Internet技术，在TCP/IP协议和HTTP协议的支持下，利用成熟完善的视频编解码技术，使用户通过浏览器访问嵌入式远程服务器来获取自己权限下的视频数据信息。
嵌入式视频监控系统可以使视频数据实现本地化采集压缩处理，提高了服务器的性能，每一个监控终端可以独立的为多个客户端服务，因此大大提高了监控的范围和质量。
目前，网络视频监控已渗透到城市治安、娱乐场所、医院、酒店等多种领域。
因此，基于网络的嵌入式视频监控系统有着广阔的应用领域和发展前景。
1.2嵌入式系统
1.2.1嵌入式系统发展状况
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性等有严格要求的专用计算机系统[4-5]。
嵌入式系统至今已经有40多年的历史，其技术的发展大致分为以下三个阶段。
第一阶段是以单芯片可编程控制器为核心的系统，同时配置监测、显示设备等功能。
这种系统主要应用于一些专业性比较强的工业控制中，通常没有操作系统的支持，通过汇编语言程序对系统进行直接控制。
这一阶段系统的主要特点是：
系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。
这种嵌入式系统虽然使用简便、价格很低，但系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口，因此已经远远不能适应高效的、需要大容量存储设备的现代化工业控制和多媒体技术等领域的需求。
第二个阶段的嵌入式系统是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心。
这一阶段系统的主要特点是：
出现了大量高可靠、低功耗可靠的嵌入式CPU，且系统开销相对小，效率比第一阶段有所提高；操作系统在兼容性和扩展性上面有了很大的提高。
但同样存在一些问题，如通用性比较差、用户界面不够友好等。
这一阶段系统主要用来监控应用程序以及控制系统的正常运行。
第三个阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。
这一阶段系统的主要特点是：
兼容性比第二阶段有了极大的提高，嵌入式操作系统可以运行于各种不同类型的嵌入式CPU上；操作系统内核精简高效，并且由于其模块化的设计使扩展性得到很大的提高；具备文件和目录管理、设备支持、多任务处理、网络以及用户图形界面等功能；并且提供了大量的应用程序API，使开发应用程序变的简单，丰富了嵌入式应用软件。
目前嵌入式系统正经历一个以Internet为标志的高速发展的阶段。
随着网络技术的发展以及网络技术与信息处理、多媒体技术等日益密切的结合，基于Internet的嵌入式设备将代表着嵌入式技术发展的未来方向。
1.2.2嵌入式系统体系结构
嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，主要由3部分构成：
以嵌入式处理器为核心的硬件平台、嵌入式操作系统和应用软件系统组成[6]，如图1.1所示。
图1.1嵌入式系统体系结构
Fig.1.1Theembeddedsystemarchitecture
（1）硬件平台：
核心部件是嵌入式微处理器。
硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个重要的特征，目前据统计，全世界嵌入式微处理器的种类已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列。
嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到16MB，处理速度从0.1MIPS到2000MIPS。
嵌入式处理器目前主要有PowerPC、MIPS、ARM系列等。
随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，以微处理器为核心集成多种功能的SOC系统芯片已经成为嵌入式系统的核心，这些SOC芯片集成了大量外围模块，如USB、AD/DA、LAN、I2S、RART等。
（2）嵌入式操作系统：
一般装在处理器的内存中，是嵌入式系统中极为重要的组成部分，完成嵌入式应用的任务调度和控制等功能，是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
嵌入式操作系统一般可分为如下几个层次：
与硬件相关的底层软件、操作系统核心、图形界面、通信协议、标准化浏览器以及应用软件。
对于实时性要求很高的系统，一般都需要实时操作系统。
嵌入式RTOS（实时操作系统）是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其他应用程序都建立在嵌入式RTOS上。
内核中通常必须的基本部件包括进程的管理、内存管理和进程间通信。
嵌入式操作系统将CPU、中断、定时器等资源都封装成一个标准的API，并根据各个任务的优先级，合理的在不同的任务之间分配CPU时间。
目前应用较广泛的实时多任务操作系统有微软公司的WindowsCE、WindRiver公司的VxWorks、以及开源的Linux等[7]。
（3）应用软件系统：
运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。
1.3视频监控的发展现状及趋势
随着社会经济的发展和科技的进步，整个社会安防意识逐步增强。
人们对监控产品的需求加上计算机技术、嵌入式技术、网络技术、多媒体技术的不断发展，使视频监控技术在短短几十年内经历了三个发展阶段[8]：
从上个世纪九十年代初的本地模拟设备为主的闭路电视监控系统；到九十年代中期基于PC技术的多媒体监控系统；再到目前以嵌入式技术、数字图像处理技术、网络技术为主的嵌入式网络视频监控系统。
1.3.1模拟视频监控系统
在计算机网络技术未被广泛应用以及数字图像处理等理论研究尚未成熟以前，模拟监控系统占据了监控领域的主要位置。
传统模拟监视系统主要由摄像机、监视器、视频矩阵、录像机等组成，由视频线、控制线缆等连接。
由于其采用模拟方式传输，所以在传输距离上会有所限制，而且可监控范围狭小，只能应用于小范围内的监控，如楼宇电梯监控等；另外监控视频录像只能在控制中心查看，而且监控视频无法长期保存，查询也很麻烦。
但由于国内技术上的限制，这种模拟视频监控目前还广泛应用于安保、楼宇监控等场合。
1.3.2基于计算机的多媒体监控系统
计算机网络技术、通信技术、数字视频压缩编码技术的日益成熟，使基于计算机的多媒体监控成为可能。
多媒体监控系统一般采用这样的结构，在远端监控现场，由若干个摄像机、各种检测和数据处理设备组成监控终端，通过各自的线路连接到监控客户端上，监控客户端一般为PC机或是工业机箱组成的显示设备。
这种结构的监控系统比传统模拟视频监控系统在性能上有了很大的提高，但同样存在一些问题，如系统安装十分复杂功、功耗和成本较高且系统不是很稳定。
1.3.3基于嵌入式的网络监控
这种监控系统通常以高性能的嵌入式CPU作为核心处理器，集成了数据图像采集和处理技术、网络传输技术、Web技术等，利用现有成熟的计算机网络进行远程视频图像的传输，省去了传统监控系统繁琐的视频布线以及昂贵的中心设备，前端设备具有视频的采集和处理功能，且任何一台连入网络的计算机都可以通过身份验证实现对监控现场的监控，如果监控终端具体有无线发送的功能，甚至手机也可获得监控现场的画面。
因此基于嵌入式技术的网络视频监控系统必将具有良好的应用与发展前景，由它代替当前普遍应用的基于计算机的远程监控系统将成为必然的趋势[9]。
1.4论文主要内容和组织结构
本课题利用MINI2440开发板硬件平台和嵌入式Linux系统软件平台开发了一套远程视频监控系统。
在嵌入式设备终端上实现了视频信号的采集、压缩以及应用TCP/IP协议进行网络传输。
任何一个有权限的客户端通过IE浏览器，就可以查看监控现场的实时视频图像。
本文的主要工作包括：
1．建立基于嵌入式Linux的软件开发平台。
完成U-boot以及Linux2.6.33内核的移植和编译，构建基于busybox1.13.3的根文件系统。
并根据S3C2440A处理器启动后内存映射特性，增加了U-boot对NANDFlash操作的支持，提出了一种能自动识别NORFlash和NANDFlash启动的U-boot的方法。
2．实现视频数据的采集和压缩处理。
在嵌入式Linux平台下，利用V4L2模块以及其提供的API，实现USB摄像头的视频采集，并选择JPEG算法对视频数据进行压缩编码。
3．建立嵌入式Web服务器。
利用Linux下基于TCP/IP的SOCKET网络编程，采用B/S架构建立嵌入式的Web服务器，完成网络传输模块的编写，实现视频数据的传输。
4．针对语义检索和非语义检索的不足，提出了一种利用视频标签技术对监控录像进行检索的方法。
论文的组织结构：
第一章：
绪论。
主要介绍课题的研究背景和意义，概述了嵌入式系统和视频监控系统的发展，论文的主要研究工作和各章节安排。
第二章：
系统硬件开发平台。
介绍了三星公司的S3C2440A处理器以及系统的整体硬件架构。
第三章：
系统软件开发平台的建立。
介绍了Bootloader的基本概念，对U-boot的整体结构和启动过程进行了详细的分析，根据本系统所选择的硬件对U-boot进行了移植，对如何移植、修改和编译Linux内核以及YAFFS文件系统也做了详细的描述。
第四章：
视频监控系统程序设计。
实现嵌入式Linux环境下视频数据采集、压缩和网络传输模块的编写；针对语义检索和非语义检索的不足，提出了一种利用视频标签技术对监控录像进行检索的方法。
第五章：
系统的整合和测试。
完成系统各模块的整合，分析了系统的输入/输出模块，最后对系统进行了测试。
第六章：
总结与展望。
指出论文研究的成果，总结所做工作的不足和对以后改进的展望。
第2章系统硬件体系结构
硬件是整个监控系统的基础，后期的软件开发都是建立在成功的硬件设计基础之上，如果前期的硬件设计存在缺陷，将对后期的软件设计和调试工作带来极大的麻烦。
嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，同样具有CPU、内存、外存以及外部接口等。
硬件设计的目的就是根据系统的总体需求，合理的将各种元器件和功能芯片集成到一个电路板上去工作。
2.1嵌入式处理器
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，一般具有如下几个特点[10]：
支持实时多任务的操作系统，较短的中断响应时间；对存储区具有很强的保护功能；可扩展行较强；低功耗。
2.1.1ARM处理器介绍
ARM是AdvancedRISCMachines（高级精简指令系统处理器）的缩写，它既是一种微处理器知识产权（IP）核，也是一个公司的名称，还可以认为是一种技术的名字。
据统计，在32位RISC微处理器市场基于ARM技术的微处理器应用占据了75%以上的份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面[11]。
采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点[12]：
●具有大量寄存器，指令执行速度更快；
●保证高性能的同时，减小体积、降低功耗和成本；
●大多数数据操作都在寄存器中完成；
●寻址方式灵活简单，执行效率高；
●采用固定长度的指令格式。
ARM处理器共有7种不同的运行模式[13]，如表2.1所示。
在ARM运行的7种模式中，除了用户模式以外，其他的模式称为特权模式（PrivilegedModes），在特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以在几个运行模式之间转换。
在特权模式中，除了系统模式，其他的5种模式又称为异常模式（ExceptionModes）。
表2.1ARM处理器的7种不同运行模式
Tab.2.1SevendifferentoperatingmodesofARMprocessor
处理器模式
描述
用户模式（usr）
一般的程序执行在此模式下
外部中断模式（irq）
一般用于中断的处理
快速中断模式（fiq）
高速数据传输和通道的处理
数据访问中止模式（abt）
用于保护存储和虚拟存储
管理模式（svc）
供操作系统使用的特权模式
未定义指令中止模式（und）
主要用于支持协处理器
系统模式（sys）
用于管理模式下的操作系统任务
ARM处理器共37个寄存器：
31个通用寄存器和6个状态寄存器[14]。
期中包括程序计数器（PC）在内的31个通用寄存器都是32位的。
用以标识CPU工作状态及程序运行状态的6个32位状态寄存器目前只使用了其中的一部分。
在7种不同的处理器模式下，ARM处理器在每一种处理器模式中有一组相应的寄存器组。
在任意的处理器模式下，可见的寄存器包括R0～R14这15个通用寄存器以及一个或两个状态寄存器及程序计数器（PC）。
在所有的寄存器中，有些是各模式共用同一个物理寄存器；有一些寄存器是各模式拥有自己独立的物理寄存器。
2.1.2S3C2440A
S3C2440A是三星公司生产的16/32位RISC微处理器。
该芯片是专门为手持设备和一般类型应用所提供的一款低功耗、低价格、高性能的微处理器[15]，主频400M，最高5
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