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基于ARM的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2008-08-11 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

引言

圖像與是應(yīng)用計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)地區(qū)信息監(jiān)控的系統(tǒng),常應(yīng)用于交通、能源、公安、電信、軍事等部門。隨著圖像與的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,遠(yuǎn)程圖像與應(yīng)運(yùn)而生,它滿足了遠(yuǎn)距離監(jiān)控的要求。視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)為中心、視頻處理技術(shù)為基礎(chǔ),是符合圖像數(shù)據(jù)壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)。綜合利用圖像傳感器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動控制和人工智能等技術(shù)的一種新型監(jiān)控系統(tǒng)。由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)對視頻圖像進(jìn)行了化,所以與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比,數(shù)字監(jiān)控具有許多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字化的視頻系統(tǒng)可以充分利用計(jì)算機(jī)的快速處理能力,對其進(jìn)行壓縮、分析、存儲和顯示。數(shù)字化視頻處理技術(shù)提高了圖像的質(zhì)量與監(jiān)控效率,使系統(tǒng)易于管理和維護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)是模塊化結(jié)構(gòu),體積小,易于安裝、使用和維護(hù)。正是由于數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)具有傳統(tǒng)模擬監(jiān)控技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn),而且符合當(dāng)前信息社會中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢,所以數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)正在逐步取代模擬監(jiān)控技術(shù),廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。嵌入式系統(tǒng)以體積小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、性價(jià)比高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)在社會的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。嵌入式的數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控是現(xiàn)代通信技術(shù)的一種新應(yīng)用。本是一種嵌入式系統(tǒng),以 硬件平臺為核心實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控,并通過無線網(wǎng)絡(luò)把視頻圖像傳輸?shù)街鳈C(jī)端,以實(shí)現(xiàn)分析、存儲和顯示等功能,與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比:它的組網(wǎng)成本大大降低,系統(tǒng)體積重量大大減小,運(yùn)行維護(hù)更容易。

1 監(jiān)控系統(tǒng)方案介紹

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)直接影響到系統(tǒng)的性能,目前監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)大致有三種方案。分別介紹如下:

(1)采用代理服務(wù)器的方法

代理服務(wù)器一般由PC來充當(dāng),一方面運(yùn)行TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)Internet接入功能,另一方面通過簡單總線結(jié)構(gòu)(RS232、RS485等)與嵌入式系統(tǒng)相連接。如圖1所以。系統(tǒng)中只需要有一部分與代理服務(wù)器通信的代碼即可。其優(yōu)點(diǎn)是可以很方便地解決設(shè)備上網(wǎng)的問題,開發(fā)難度低;缺點(diǎn)是接入成本比較高,不利于大規(guī)模推廣。該方案比較適合大型或較昂貴工業(yè)設(shè)備的上網(wǎng)需求,不適合用于低價(jià)格的設(shè)備。

(2)通過直接在嵌入式處理器上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)Internet接入功能這種方案沒有使用操作系統(tǒng),大大節(jié)省了資源,但是對處理器的性能要求較高,同時(shí)增加了開發(fā)的難度,技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也比較困難。如圖2所示。

(3)采用一個(gè) Linux 的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

這種方案和第二種方案類似,但是它只用嵌入式ARM Linux 操作系統(tǒng),在操作系統(tǒng)上運(yùn)行TCP/IP 協(xié)議。目前大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)都帶有TCP/IP協(xié)議棧,這降低了開發(fā)的難度,實(shí)現(xiàn)起來比較靈活。由于嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行需要占用相當(dāng)?shù)奶幚砥髻Y源和存儲器空間,對硬件配置也有較高的要求。采用第三種方案,可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間、縮短開發(fā)周期。監(jiān)控系統(tǒng)一般都還要在控制現(xiàn)場配置一臺工控機(jī)或高性能微機(jī)做服務(wù)器,用來存儲中間數(shù)據(jù),處理實(shí)時(shí)性要求較高的事件,響應(yīng)監(jiān)控終端的監(jiān)控請求。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件

采用基于ARM嵌入式的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng),它采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)組網(wǎng)簡單,傳輸數(shù)據(jù)量大,速度快,整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。尺寸微小、價(jià)格低廉。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可做到無需額外程序,通過WEB瀏覽器就能對設(shè)備進(jìn)行檢測,而且應(yīng)用程序易于開發(fā)、實(shí)現(xiàn)信息的完整共享。在該系統(tǒng)中ARM負(fù)責(zé)程序控制和網(wǎng)絡(luò)通信,圖像和視頻采集模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)獲取和處理。當(dāng)數(shù)據(jù)或命令數(shù)據(jù)傳輸過來后,ARM系統(tǒng)進(jìn)行命令處理后,將命令數(shù)據(jù)傳輸或顯示在LCD上,同時(shí)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將處理的結(jié)果經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口上傳出去。系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)命令后,經(jīng)過算法處理后,驅(qū)動D/A輸出或根據(jù)A/D輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后,將結(jié)果傳給ARM。系統(tǒng)具有以下幾個(gè)基本功能:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理、程序控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2.1 ARM視頻監(jiān)控平臺

如圖3所示為視頻監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺。ARM的系統(tǒng)擴(kuò)展槽和設(shè)備擴(kuò)展槽,用于為ARM系統(tǒng)添加如以太網(wǎng)接口、??跀?shù)據(jù)存儲接口和PCMCIA等接口,或者用于其他的功能開發(fā)板,為ARM系統(tǒng)擴(kuò)展了CMOS圖像獲取功能和VGA顯示功能。

其中,VGA接口是通過電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)4096色彩色顯示。與SRAM訪問相關(guān)的寄存器有:SDRAM控制寄存器、讀地址低16位、讀地址高16位、讀出數(shù)據(jù)寄存器、寫地址低16位、寫地址高16位、寫入數(shù)據(jù)寄存器;與CMOS圖像采集有關(guān)的寄存器有CMOS采集控制寄存器、CMOS采集狀態(tài)寄存器;與VGA顯示有關(guān)的寄存器是VGA顯示控制寄存器。它具有以下特點(diǎn):

(1)實(shí)時(shí)性好,能滿足數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求。

(2)性價(jià)比高,在滿足要求的情況下,系統(tǒng)成本應(yīng)盡量低。

(3)可控性好,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和數(shù)據(jù)傳輸。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

視頻源信號來自于一個(gè)高集成度的CMOS數(shù)字圖像傳感器模塊MB86S20,它是富士通的產(chǎn)品。MB86S02不但集成了CMOS圖像傳感陣列、自動增益信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,還包括了色彩信號處理和微型鏡頭,包含了圖像采集的所有前端處理,可以直接輸出數(shù)字信號。模塊的系統(tǒng)框圖如圖4。

MB86S02是基于CMOS工藝,使用有源像素的傳感器,與傳統(tǒng)的CCD傳感器相比有如下不同點(diǎn)。

(1)成像過程

ccd和cmos使用相同的光敏材料,因而受光后產(chǎn)生電子的基本原理相同,但是讀取過程不同:ccd是在同步信號和時(shí)鐘信號的配合下以幀或行的方式轉(zhuǎn)移,整個(gè)電路非常復(fù)雜,讀出速率慢;cmos 則以類似 dram的方式讀出信號,電路簡單,讀出速率高。

(2)集成度

采用特殊技術(shù)的ccd讀出電路比較復(fù)雜,很難將a/d轉(zhuǎn)換、信號處理、自動增益控制、精密放大和存儲功能集成到一塊芯片上,一般需要 3~8 個(gè)芯片組合實(shí)現(xiàn),同時(shí)還需要一個(gè)多通道非標(biāo)準(zhǔn)供電電壓。借助于大規(guī)模集成制造工藝,cmos圖像傳感器能非常容易地把上述功能集成到單一芯片上,多數(shù)cmos圖像傳感器同時(shí)具有模擬和數(shù)字輸出信號。

(3)電源、功耗和體積

ccd需多種電源供電,功耗較大,體積也比較大。cmos只需一個(gè)單電源(3v~5 v)供電,其功耗相當(dāng)于ccd的1/10,高度集成cmos芯片可以做的相當(dāng)小。

(4)性能指標(biāo)

ccd技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,而 cmos正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期,雖然目前高端cmos圖像質(zhì)量暫時(shí)不如ccd,但有些指標(biāo)(如傳輸速率等方面)已超過ccd。由于cmos具有諸多優(yōu)點(diǎn),國內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用cmos圖像傳感器開發(fā)出眾多產(chǎn)品。本文主要介紹已商品化的cmos圖像傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀以及最新發(fā)展動態(tài),希望對下游產(chǎn)品的開發(fā)有所幫助

CMOS技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是每一個(gè)像素單元可以集成一個(gè)或多個(gè)晶體管,這樣就具有了低功耗和小型化的優(yōu)點(diǎn),非常適用于手持設(shè)備,可以降低系統(tǒng)功耗、體積,提高電池效率;它的高度集成性大大簡化了圖像應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

MB86S02的主要特性如下:

  • l/7英寸圖像傳感器,有效像素為352288共11萬像素;

  • 超低功耗30mW@15fps;

  • 輸出8位CMOS電平并行數(shù)字信號,YCbCr422或YUV422格式;

  • 色彩信號處理包括:自動增益、自動曝光、自動白平衡、Gamma校正等;

  • 寄存器設(shè)置通過標(biāo)準(zhǔn)I2C串行接口;

  • 支持CIF(352288)QCIF(176144)格式;

  • CCIR656標(biāo)準(zhǔn)頭輸出;

  • 抗閃爍功能;

  • 低功耗模式;

  • 掉電模式功耗3μw;

    嵌入式處理器通過與MB86S02 CMOS圖像模塊的連接,讀取圖像數(shù)據(jù)后通過同步SRAM接口存儲在外部高速SRAM中,然后還可以由UART模塊或RTL8019模塊把已經(jīng)存儲的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到PC,最后PC上的接收程序?qū)@示接收的圖像。通過調(diào)試板上的按鍵可以選擇采集圖像、地址復(fù)位、串口發(fā)送、網(wǎng)口發(fā)送這幾種功能。

    3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    如圖5所示是ARM主程序流程圖。ARM處理器獲取圖像信息,執(zhí)行壓縮程序,壓縮后的文件通過公共電話線路傳遞到監(jiān)控主機(jī)端。由于系統(tǒng)采用相同的圖像分辨率和常量表,所以文件頭都相同。為了減少傳輸數(shù)據(jù)量,不傳送文件頭,文件頭在監(jiān)控主機(jī)端由軟件自動添加。

    本系統(tǒng)還使用調(diào)制解調(diào)器通過公共電話網(wǎng)來簡歷遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)連接,在遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控終端處的調(diào)制解調(diào)器處于待命狀態(tài),它使用“ATS0=3D0WW1”命令設(shè)置為自動應(yīng)答方式,在3次振鈴后自動摘機(jī),經(jīng)歷“數(shù)據(jù)風(fēng)暴”以后與主叫方建立連接。監(jiān)控中心的調(diào)制解調(diào)器由監(jiān)控軟件控制撥號建立連接或者掛斷連接。

    數(shù)據(jù)連接建立好后ARM會收到“CONNECT”字符串,表明通信線路連接成功,此時(shí)就可以像使用普通串口一樣使用調(diào)制解調(diào)器建立的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)連接。ARM接收到從監(jiān)控中心發(fā)來的采集命令后,依次完成圖像采集、壓縮處理,然后通過串口以ASCII碼形式直接發(fā)送圖像數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心,完成一次操作后等待下一個(gè)采集命令。

    在應(yīng)用中需要從MODEM接收圖像數(shù)據(jù),并將它加上文件頭以標(biāo)準(zhǔn)JPEG圖像或MPEG視頻格式存儲于本地硬盤上。在對話框相應(yīng)位置還要顯示出剛接收的圖像,這就需要相應(yīng)的解碼程序,可以不需要自己編寫,Windows操作系統(tǒng)包含對JPEG或MPEG格式的支持。MsCOMM控件是Microsoft 通信控制器6.0,它包含在VC 6.0中。通過MsCOMM控件可以方便地訪問PC的串行通信口。對MODEM的訪問是通過串口實(shí)現(xiàn)的,外置的MODEM通過真正的PC串口連接,內(nèi)置的MODEM則通過一個(gè)虛擬串口來進(jìn)行控制。

    4 結(jié)束語

    視頻監(jiān)控技術(shù)在政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化設(shè)施的安全防范中有著舉足輕重的作用,隨著多媒體和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了模擬監(jiān)控和數(shù)字監(jiān)控的發(fā)展階段,目前已到了網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控階段?;贏RM處理器的低成本數(shù)字化遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng),是一個(gè)高可靠性、高效率的用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的軟件、硬件工作平臺,它使用集成數(shù)字化視頻采集模塊,直接獲得數(shù)字化影像信號;圖像壓縮不使用專用的壓縮芯片,而是在高速處理器內(nèi)部由壓縮軟件實(shí)現(xiàn);最后打包經(jīng)由公共電話網(wǎng)發(fā)送。

    本文著重從ARM嵌入式圖像視頻監(jiān)控應(yīng)用開發(fā)和流程給出了解決方案,建立了低開發(fā)成本與方便易使用的嵌入式圖像視頻系統(tǒng)。使用ARM嵌入式處理器和Linux操作系統(tǒng),開發(fā)出可實(shí)際應(yīng)用的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng),適用于低分辨率、低成本、長距離的監(jiān)控應(yīng)用。它的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)主要有:

  • 構(gòu)建了ARM嵌入式處理器開發(fā)平臺,提出了嵌入式系統(tǒng)的低成本開發(fā)流程。

  • 前端使用便宜的一體化高集成度數(shù)字化視頻采集 模塊,簡化了系統(tǒng)前端的設(shè)計(jì),大大降低了前端成本。

  • 編寫簡單的嵌入式操作系統(tǒng)程序,動態(tài)加載應(yīng)用程序,加快其執(zhí)行速度。

  • 信號處理使用由高速、高性能的ARM處理器構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng),通過軟件來實(shí)現(xiàn)圖像壓縮。


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