基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

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基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

來源：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時間：2010/12/29

　　　隨著計算機技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢必然是全面數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，即采用嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,并充分利用大規(guī)模集成電路和網(wǎng)絡(luò)的科技成果，及體積小巧、性能穩(wěn)定、通訊便利等特點，將使監(jiān)控?zé)o處不在成為現(xiàn)實。而目前，我國基于嵌入式技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)剛剛起步，所以研究并開發(fā)一種基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有很大的工程實際意義。
　　本文針對網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備的實際應(yīng)用需求，有機的結(jié)合圖像采集和嵌入式系統(tǒng)兩方面的新技術(shù)，設(shè)計了基于ARM32位單片機系統(tǒng)和圖像采集存儲系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備，并實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮與網(wǎng)絡(luò)傳輸。
　　2ARM與嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備
　　32位嵌入式處理器中有MIPS、ARM、M-CORE等等。ARM(AdvancedRISCMachines)處理器本身是32位系統(tǒng)，其內(nèi)核具有性能高、成本低和能耗省的特點。
　　支持ARM的嵌入式操作系統(tǒng)主要有：WindowsCE、Vxworks、uClinux等[1]。uClinux是“Micro-Control-Linux”縮寫，意即“針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計的Linux系統(tǒng)”[2]主要是面對沒有MMU并且資源很少的嵌入式系統(tǒng)。高性能、高集成度將是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向[4]。“嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備”是第三代數(shù)字監(jiān)控設(shè)備。
　　嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備體積小巧，具有圖像采集、圖像處理功能，帶有以太網(wǎng)接口，TCP/IP協(xié)議棧，性能比較穩(wěn)定，可直接與Internet互連，系統(tǒng)的擴展性很好，監(jiān)控區(qū)域幾乎無限，并且由于設(shè)備傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上是數(shù)字化視頻信號，可直接利用軟硬件進(jìn)行處理。同時因為設(shè)備本身帶有操作系統(tǒng)，因此可以方便的進(jìn)行后續(xù)開發(fā)，增加用戶所需功能，提高設(shè)備的智能程度。
　　3嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)硬件模塊的設(shè)計
　　3.1系統(tǒng)總體設(shè)計
　　硬件系統(tǒng)可以分為三個模塊：ARM集成開發(fā)模塊、圖像采集模塊、圖像存儲控制模塊。其中ARM集成開發(fā)模塊模塊的CPU采用三星的S3C4510B;圖像采集模塊中的CMOS圖像采集芯片采用Ommvision公司的OV7620，鏡頭采用桑來斯公司生產(chǎn)的DSL103鏡頭;圖像存儲模塊主要包括74LS244(八進(jìn)制3狀態(tài)線緩沖器)，4040(12位二進(jìn)制串行計數(shù)器)，512K的SRAMCY7C1049。
　　系統(tǒng)工作過程可分為主要兩個步驟：圖像數(shù)據(jù)存儲和圖像數(shù)據(jù)讀出過程。系統(tǒng)上電之后，單片機將通過I2C總線對CMOS圖像傳感器的工作寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，以便使圖像傳感器進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，如開窗口位置、逐行掃描方式、自動曝光、自動平衡等。如果上位機需要調(diào)整CMOS圖像傳感器的工作參數(shù)，則可以通過地址端口寫入;隨后，CMOS圖像傳感器輸出的8位圖像數(shù)據(jù)在邏輯控制電路的協(xié)調(diào)控制下，順序存入靜態(tài)RAM構(gòu)成的圖像數(shù)據(jù)緩沖器。如果上位機沒有發(fā)出讀數(shù)據(jù)的命令，則此過程一直進(jìn)行下去，新的圖像數(shù)據(jù)不斷地覆蓋原有的數(shù)據(jù);如果上位機發(fā)出讀取圖像數(shù)據(jù)的命令，則等待一幀完整的圖像寫入后，單片機將CMOS圖像傳感器的圖像輸出通道關(guān)閉，然后將SRAM中的數(shù)據(jù)順序從IO讀入。讀完一幀圖像后,再將CMOS圖像傳感器的圖像輸出通道打開重新開始新的一幀圖像的采集。
　　3.2ARM集成開發(fā)模塊模塊的設(shè)計
　　本系統(tǒng)CPUS3C4510B是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價比16/32位RISC微控制器，內(nèi)含一個由ARM公司設(shè)計的16/32位ARM7TDMIRISC處理器，ARM7TDMI為低功耗高性能的16/32位核。該CPU最適合用于對價格及功耗敏感的應(yīng)用場合。
　　系統(tǒng)中采用的Flash存儲器MBM29F016在本系統(tǒng)中用來存放uClinux操作系統(tǒng)程序代碼。SDRAM是高速的動態(tài)隨機存取存儲器，在系統(tǒng)中主要用作程序的運行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。RTL8201是一種全雙工以太網(wǎng)控制器，當(dāng)系統(tǒng)中主處理器要向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8201中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送數(shù)據(jù)命令。RTL8201在完成了上一幀的發(fā)送后，再完成此幀的發(fā)送。RTL8201接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較，CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)，收滿一幀后，以中斷的方式通知主處理器。

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　　3.3OV7620攝像頭模塊電路設(shè)計
　　由于OV7620集成度高，外圍電路設(shè)計非常簡單，僅由石英晶體和一些電阻、電容等元件組成。
　　3.4圖像存儲模塊的硬件設(shè)計
　　圖像存儲模塊采用兩個計數(shù)器4040作為RAM的地址信號，分別采集和讀取利用PCLK或ARM的IO脈沖信號作為計數(shù)器的時鐘信號。本模塊利用MAX+plusⅡ軟件仿真了硬件時序，分析組合邏輯電路及時序邏輯電路，驗證了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的準(zhǔn)確性。
　　4嵌入式系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計與實現(xiàn)
　　4.1系統(tǒng)控制流程
　　系統(tǒng)軟件模塊主要在嵌入式操作系統(tǒng)uClinux下用C語言實現(xiàn)。其主要作用在于控制硬件設(shè)備，完成預(yù)定的圖像采集、壓縮、傳輸功能。按控制時序方向依次為I2C驅(qū)動程序、圖像數(shù)據(jù)采集程序、圖像壓縮程序、網(wǎng)絡(luò)傳輸程序四部分組成。
　　當(dāng)將要采集圖像數(shù)據(jù)時，嵌入式系統(tǒng)通過I2C驅(qū)動程序設(shè)置OV7620內(nèi)部寄存器的值，配置合適的圖像格式。當(dāng)一幀圖像完全存儲到SRAM后，啟動圖像采集程序，將SRAM中的數(shù)據(jù)讀取到嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存中，并進(jìn)行壓縮，最后打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。
　　4.2I2C驅(qū)動程序的原理與實現(xiàn)
　　系統(tǒng)上電之后，單片機將通過I2C總線對CMOS圖像傳感器的工作寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，以便使圖像傳感器進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，如開窗口位置、逐行掃描方式、自動曝光、自動白平衡等。如果上位機需要調(diào)整CMOS圖像傳感器的工作參數(shù)，則可以通過地址端口寫入，雖然S3C4510B提供了I2CBUS。但是目前市面上的uClinux則沒有針對S3C4510B的I2CBUS的驅(qū)動。
　　同時通過在uClinux操作系統(tǒng)下編制調(diào)試IO數(shù)據(jù)讀取控制程序、圖像壓縮程序、網(wǎng)絡(luò)通信程序后，I2C驅(qū)動可以方便的修改OV7620寄存器數(shù)據(jù)，CPU可以通過IO高速的把數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存，圖像壓縮后體積明顯減小，通過網(wǎng)絡(luò)可以流暢的把圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端。其中也有一些不足之處比如I2C驅(qū)動有時會由于干擾不能成功的修改OV7620的寄存器，還有待深入分析修改。
　　4.4圖像的合成與處理
　　圖像的合成主要根據(jù)位圖文件的的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、顏色空間模型概念，并結(jié)合彩色圖像合成原理對圖像進(jìn)行合成。
　　由于采集圖像時，不僅要受鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)、照明的光強分布等因素影響，還要考慮CMOS圖像傳感器的分辨率等。因而采集的圖像經(jīng)常具有噪聲和不明因素的干擾，為了能更好地進(jìn)行圖像處理分析，可利用圖像的預(yù)處理，根據(jù)得到的實際圖像的信息進(jìn)行修復(fù)。
　　消除圖像噪聲的方法在圖像處理中稱為圖像平滑處理。圖像平滑處理主要有移動平均法和中值濾波法兩種。在移動平均法中，把噪聲成分也放到了平均計算之中，因此其輸出也受到噪聲的影響。而在中值濾波中，噪聲成分很難被選到，對輸出圖像不會有什么影響。因此，對同一塊圖像進(jìn)行比較，中值濾波法在去除噪聲的能力上略勝一籌。本設(shè)備中利用中值濾波的程序?qū)崿F(xiàn)了算法，測試結(jié)果表明圖像上的斑點基本被消除，處理后的圖像很清晰。
　　5結(jié)束語
　　基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備通過構(gòu)筑一個基于S3C4510B和uClinux的嵌入式平臺，可便利的通過Internet與外界通信，較好的實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮與網(wǎng)絡(luò)傳輸，達(dá)到實時監(jiān)控的目的。經(jīng)過壓縮編碼后圖像數(shù)據(jù)體積有了明顯的減小，圖像數(shù)據(jù)可以存儲到數(shù)據(jù)庫中，為數(shù)據(jù)的分析帶來很大的便利。我們深信，這樣一種基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有很大的工程實際意義。

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