基于ARM的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)

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(luò)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(qū)動實(shí)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(wù)器的設(shè)計(jì)和動態(tài)網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)等方面介紹了軟件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程；對動態(tài)網(wǎng)頁設(shè)計(jì)所涉及到的雙緩沖技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。實(shí)現(xiàn)結(jié)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(diǎn)，適用于移動視頻監(jiān)控等實(shí)際場合。
關(guān)鍵詞：嵌入式Linux；USB無線網(wǎng)卡；流媒體服務(wù)器；雙緩沖；移動視頻監(jiān)控

0 引 言
??? 傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用PC服務(wù)器的C／S(Client／Server)結(jié)構(gòu)，視頻服務(wù)器由計(jì)算主機(jī)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(shù)很好地結(jié)合在一起。目前多媒體的編解碼技術(shù)如MPEG-4，H．264等，可以以較小的帶寬開銷來實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的視頻傳輸，然而目前的傳輸技術(shù)卻無法滿足移動視頻監(jiān)控的需求，因?yàn)樵O(shè)備的移動速度和所在位置都會嚴(yán)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(yīng)用要求。
??? 針對傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)的不足，本文提出了基于ARM的移動觀頻監(jiān)控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種專門功能、結(jié)構(gòu)簡單的流媒體服務(wù)器；采用Boa作為Web服務(wù)器，并通過瀏覽器來監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)跨平臺監(jiān)視；采用雙緩沖技術(shù)，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(shí)現(xiàn)無線上網(wǎng)，免去布線的煩惱，方便地實(shí)現(xiàn)了移動視頻監(jiān)控的功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
??? 硬件平臺是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)主要由流媒體服務(wù)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(wù)單元是整個(gè)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(jié)構(gòu)的PXA27嵌入式微處理器，最高主頻可達(dá)624 MHz；加入wireless MMX技術(shù)，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(shù)，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降底移動設(shè)備的功耗。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)擴(kuò)展了64 MB Nand FLASH，64 MB SDRAM，16 MB Nor FLASH，4個(gè)USB主接口以及一個(gè)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(qū)動
??? 在Linux系統(tǒng)中，提供了主機(jī)側(cè)和設(shè)備側(cè)視角的USB驅(qū)動框架。從主機(jī)側(cè)角度而言，需要編寫的USB驅(qū)動程序包括主機(jī)控制器驅(qū)動和設(shè)備驅(qū)動兩大類。主機(jī)控制器驅(qū)動程序?qū)儆赨SB驅(qū)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(diǎn)介紹USB無線網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)。
2．1 USB驅(qū)動的注冊和注銷
??? usb_ids描述了這個(gè)USB驅(qū)動所支持的USB設(shè)備列表。

2．2 探測和斷開函數(shù)
??? 在編寫USB無線網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動時(shí)，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(shè)備被插入和拔出的時(shí)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(qū)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(jī)與無線網(wǎng)卡設(shè)備通信的電波。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 基于ARM的移動視頻監(jiān)控的軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(chǔ)進(jìn)行裁減定制自己的內(nèi)核，在編譯內(nèi)核時(shí)保留必須的文件系統(tǒng)、存儲器、串口、USB、以太網(wǎng)驅(qū)動，將攝像頭、USB無線網(wǎng)卡驅(qū)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(shí)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(shí)現(xiàn)流媒體服務(wù)器和Boa在PAX270上的搭建。鑒于現(xiàn)在燒寫技術(shù)已經(jīng)很成熟，故不詳細(xì)討論。
3．2 移動視頻監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)
??? 移動視頻監(jiān)控軟件完成的主要功能有：設(shè)計(jì)流媒體服務(wù)器采集并傳輸攝像頭拍攝的視頻信息；構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器Boa；動態(tài)網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)以及流媒體服務(wù)器、web服務(wù)器與瀏覽器之間的通信等任務(wù)。因此系統(tǒng)軟件框架如圖2所示。

3．2．1 流媒體服務(wù)器的設(shè)計(jì)
??? 流媒體服務(wù)器主程序用于開放某個(gè)視頻服務(wù)器端口，并不斷監(jiān)聽端口，如有連接請求則建立連接，建立后流媒體服務(wù)進(jìn)程將不斷向端口提供采集到的視頻數(shù)據(jù)流同時(shí)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(wù)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(shè)備，采集到視頻數(shù)據(jù)并存在文件中。對文件進(jìn)行操作，這樣程序運(yùn)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(jìn)程之間通過映射同一個(gè)普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存。普通文件被映射到進(jìn)程地址空間后，進(jìn)程可以向訪問普通內(nèi)存一樣對文件進(jìn)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(gè)顯而易見的好處是效率高，因?yàn)檫M(jìn)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(luò)傳輸視頻數(shù)據(jù)，用套接字(Socket)編程實(shí)現(xiàn)。

??? (3)采集線程與傳輸線程同步
??? 流媒體服務(wù)器的設(shè)計(jì)有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：保證連續(xù)不斷的視頻流。針對這一點(diǎn)，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(biāo)志位來實(shí)現(xiàn)采集線程和傳輸線程的同步。
??? 采集數(shù)據(jù)時(shí)給互斥量加鎖，直到當(dāng)前幀采集完并填充完當(dāng)前幀頭結(jié)構(gòu)體才解鎖互斥量，再開始傳輸。同理，傳輸當(dāng)前幀時(shí)采集線程等待，直到當(dāng)前幀傳輸完。采集完兩幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)诙鬏斖瓿珊?，采集完第三幀傳輸?shù)谌龓?。依此循環(huán)，采集完第N幀傳輸?shù)贜幀。此時(shí)實(shí)際只傳輸了第2幀到第N幀，即N-1幀。
??? 用戶的視覺反應(yīng)需要時(shí)間，此丟棄第一幀的設(shè)計(jì)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(chǔ)。
??? 采集線程：

3．2．2 動態(tài)網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)
??? 嵌入式Web服務(wù)器是Web服務(wù)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(wù)器。Boa是一個(gè)單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，支持能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)Web技術(shù)的Java Script技術(shù)，源代碼開放，性能高。同時(shí)服務(wù)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(shù)已經(jīng)很成熟，故不詳細(xì)討論。
??? Applet是能夠嵌入到一個(gè)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(shù)容器(container)的一種特定類型。Applet可以通過網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(shè)計(jì)流程
??? Applet不能單獨(dú)運(yùn)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(gè)HTML文件來告訴瀏覽器需裝載什么以及如何運(yùn)行它。其執(zhí)行順序如下：
??? ①瀏覽器裝入U(xiǎn)RL；
??? ②瀏覽器裝入HTML文檔；
??? ③瀏覽器裝入Applet類；
??? ④瀏覽器運(yùn)行Applet。
??? 本系統(tǒng)Java Applet實(shí)現(xiàn)三個(gè)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(wù)器；將客戶端點(diǎn)擊的運(yùn)動控制參數(shù)發(fā)送到服務(wù)器。其中init和start函數(shù)在Applet開始執(zhí)行時(shí)調(diào)用，通過start創(chuàng)建2個(gè)線程：用于socket通信；提供用戶界面顯示視頻和相應(yīng)用戶操作。用戶界面設(shè)計(jì)用到Sun的SwingWorker類庫。
??? (2)雙緩沖技術(shù)
??? 雙緩沖技術(shù)主要應(yīng)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(shí)間大于屏幕的刷新時(shí)間，就會造成視覺上不連貫的效果。繪制時(shí)可在內(nèi)存中建立兩個(gè)圖形緩沖區(qū)，其中一個(gè)緩沖區(qū)(前臺)用于存放顯示的當(dāng)前幀，并在屏幕上顯示；同時(shí)在另一個(gè)緩沖區(qū)中完成下一幀的繪制。因?yàn)楫嬅娴睦L制過程是在用戶不可見的情況下進(jìn)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(shè)計(jì)中引入這種雙緩沖技術(shù)。采用Java語言中component類的一個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，所有的操作都是在后臺的Image對象中進(jìn)行的，并沒有顯示到屏幕上。當(dāng)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(zhǔn)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(guān)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(guān)文件拷貝到／var／www／下。將編譯好的流媒體服務(wù)器的二進(jìn)制文件下載到PXA270上。加載攝像頭和USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動，運(yùn)行boa，再運(yùn)行流媒體服務(wù)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(jié) 語
??? 本文充分利用多媒體技術(shù)和嵌入式技術(shù)各自的特點(diǎn)，介紹了一種用ARM實(shí)現(xiàn)移動視頻監(jiān)控的方法，給出了軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動的具體實(shí)現(xiàn)過程。設(shè)計(jì)了流媒體服務(wù)器，搭建了Boa作為Web服務(wù)器及實(shí)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(jié)構(gòu)使得可以通過瀏覽器來監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)跨平臺監(jiān)視；利用雙緩沖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)較高的視頻質(zhì)量?；贏RM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(yīng)用前景。