嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：提出了基于AT91RM9200微處理器的嵌入式Linux視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻服務(wù)器設(shè)計(jì)方法。采用韓國Pentamicro公司的視頻芯片AT2042對(duì)數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行MPEG-4壓縮編碼，生成MPEG-4碼流。為實(shí)現(xiàn)交互性的要求，在嵌入式WEB服務(wù)器中采用CGI技術(shù)，對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控端的控制信息分析處理，實(shí)現(xiàn)B／S模式的交互功能和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，該系統(tǒng)視頻圖像的質(zhì)量得到改進(jìn)，開發(fā)便捷，成本低廉，應(yīng)用范圍廣。
關(guān)鍵詞：視頻服務(wù)器；AT91RM9200；嵌入式Linux；MPEG-4；視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面的特征廣泛應(yīng)用于各種場合。隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重要場所的監(jiān)控越來越引起人們的關(guān)注和重視。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖像的壓縮解壓都是基于PC機(jī)，在穩(wěn)定性，可靠性方面都受到限制。近年來，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式設(shè)備體積小、集成度高、高效可靠、可移植、功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)使得基于嵌入式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸取代
了傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。筆者所介紹的嵌入式視頻服務(wù)器是建立在嵌入式WEB服務(wù)器的基礎(chǔ)上，基于AT91RM9200微處理器，采用Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，由專門的視頻芯片接收數(shù)字視頻數(shù)據(jù)完成壓縮編碼，生成MPEG-4碼流，通過內(nèi)部總線傳送到WEB服務(wù)器上，遠(yuǎn)程授權(quán)用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器觀看WEB上的圖像信息，控制圖像獲取方式。該系統(tǒng)保證了圖像質(zhì)量，客戶端零維護(hù)，開發(fā)便捷，成本低廉。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)分為硬件和軟件2個(gè)部分。硬件部分分為4個(gè)模塊：視頻采集模塊，視頻壓縮編碼模塊，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和其他輔助功能模塊。系統(tǒng)采用B／S模式。軟件部分分為視頻圖像采集的驅(qū)動(dòng)程序，WEB服務(wù)器程序，CGI和用戶瀏覽器的網(wǎng)頁設(shè)計(jì)4部分。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件部分
本系統(tǒng)采用Atmel公司的AT91RM9200微處理器。該處理器是高性能，低功耗的32位RISC微處理器，最高主頻為180MHz，32位外部數(shù)據(jù)總線支持8／16／32位數(shù)據(jù)寬度，可對(duì)64 MB空間尋址。內(nèi)部集成豐富的外設(shè)資源，MMU管理單元，16 kB SRAM和128 kB ROM，各種外圍接口，適用本系統(tǒng)的開發(fā)。AT91RM9200微處理器的作用是在系統(tǒng)上電時(shí)配置芯片的相關(guān)功能寄存器，正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行總體控制，如接受視頻數(shù)據(jù)流，配置網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)本地存儲(chǔ)等功能。
2．1 視頻采集模塊
本模塊的作用是把模擬視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻，產(chǎn)生符合編碼芯片接口標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)。采用的是Tl公司的TVP5150低功耗視頻A／D轉(zhuǎn)換芯片。TVP5150支持NTSC／PAL／SECAM 3種格式，可以輸出ITU-R BT．656和ITU-R BT．601兩種信號(hào)，考慮到編碼芯片的標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)采用ITU-RBT．656格式8為數(shù)據(jù)串行傳輸。TVP5150的AIPIA為模擬信號(hào)輸入端，接收攝像頭的模擬視頻信號(hào)輸人。行同步脈沖和場同步脈沖分別對(duì)應(yīng)HSYNC和VSYNC，分別連接編碼芯片的HSYNIN和VSYNIN2個(gè)引腳，實(shí)現(xiàn)圖像的行同步和場同步操作。YOUT[7：0]為數(shù)據(jù)輸出引腳，將數(shù)字視頻信號(hào)送到編碼芯片的數(shù)據(jù)接收端。SCL和SDA分別為I2C接口的串行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)引腳，AT91RM9200對(duì)TVP5150的內(nèi)部寄存器的訪問是通過I2C總線實(shí)現(xiàn)的。
2．2 視頻壓縮編碼模塊
動(dòng)態(tài)圖像被數(shù)字化處理成YUV格式，數(shù)據(jù)量非常大。未經(jīng)壓縮的CIF格式的RGB數(shù)據(jù)至少需要58．01 Mb／s，因此視頻數(shù)據(jù)在傳輸和處理的過程中必須經(jīng)過壓縮。視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)有MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，M-JPEG和H．26x系列。本系統(tǒng)采用的是MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)。MPEG(Moving Pictures Experts Group)，該專家組成立于1988年，致力于運(yùn)動(dòng)圖像的編碼標(biāo)準(zhǔn)化工作。MPEG-4是該專家組研制出來的于1999年正式成為ISO和IEC聯(lián)合制定的國際編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4與其他編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，相同比特率下，具有更高的視覺質(zhì)量，可以在低帶寬的信道上傳輸。本系統(tǒng)采用韓國Pentamicro公司的壓縮／解壓芯片AT2042．AT2042接收經(jīng)過TVP5150進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。AT2042支持視頻壓縮和音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，支持CBR和VBR兩種碼率。采用ITU-R 656接口標(biāo)準(zhǔn)。工作原理：在AT91RM9200的控制下，要進(jìn)行壓縮編碼的數(shù)據(jù)經(jīng)AT2042的FIFO口輸入。AT2042的解壓是壓縮的逆過程。本系統(tǒng)中，AT2042的數(shù)據(jù)接收端VIN[7：0]接收TVP5150的YOUT[7：0]端輸出的數(shù)據(jù)，同時(shí)AT2042的HSYNI N和VSYNIN信號(hào)分別和TVP5150的HSYN和VSYN相連，實(shí)現(xiàn)圖像的行同步和場同步操作。接收來的數(shù)據(jù)送到AT2042的壓縮編碼處理單元，壓縮編碼后送到芯片外部的SDRAM中存儲(chǔ)，通過片內(nèi)的SDRAM控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部SDRAM的訪問，并通過HPI與AT91RM9200微處理器進(jìn)行通信，以便遠(yuǎn)程監(jiān)控端的實(shí)時(shí)監(jiān)控。視頻壓縮編碼框圖如圖2所示。

2．3 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊
本模塊是采用LAN91C11構(gòu)建嵌入式以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐?。LAN91C11是SMSC公司推出的快速以太網(wǎng)控制器。芯片上集成MAC和PHY，符合IEEE802．3／802．U-100Base-Tx／10Base-T規(guī)范。AT91RM9200微處理器通過地址、數(shù)據(jù)、控制線和片選信號(hào)線對(duì)LAN91C11進(jìn)行通信和控制。網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件連接原理圖如圖3所示。AT91RM9200發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先置發(fā)送使能信號(hào)ETXEN有效。數(shù)據(jù)發(fā)送端ETX[1：0]與LAN91C11的TXD[1：0]引腳相連接。以AT91RM9200的時(shí)鐘信號(hào)EXTCK發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的接收端ERX[1：0]與LAN91C11的RXD[1：0]引腳相連接，接收視頻數(shù)據(jù)。EMD10和EMDC分別控制芯片的讀寫。數(shù)據(jù)從DMA通道發(fā)送。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先設(shè)置好傳輸控制寄存器和傳輸傳輸?shù)刂芳拇嫫鳎瑥闹付ǖ拇鎯?chǔ)區(qū)取數(shù)據(jù)，并且記錄發(fā)送完的字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完之后，LAN19C11產(chǎn)生中斷信號(hào)，請(qǐng)求DMA中斷，由AT91RM9200處理。