基于ARM的嵌入式MPEG-4遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘    要：本文詳細介紹了基于ARM的嵌入式MPEG-4遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的視頻采集、壓縮、傳輸和系統(tǒng)控制等方面的設(shè)計，提供了基于TCP/IP協(xié)議的C/S軟件結(jié)構(gòu)和多線程通信的設(shè)計與實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：嵌入式；MPEG-4；S3C44B0X；多線程

在遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用中，往往要求監(jiān)控中心的主機可以同時接收一路或多路監(jiān)控數(shù)據(jù)，并且可以同時發(fā)送一路或多路的控制指令。因此，如何在有限帶寬的前提條件下，將多個現(xiàn)場的監(jiān)控數(shù)據(jù)方便、高效地通過計算機網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控主機上，是該類系統(tǒng)要解決的主要問題。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
為了實現(xiàn)一個基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的嵌入式遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，本設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1中，攝像機通過RS-232接口受外界控制，控制命令為一系列的ASCII碼，可以調(diào)整攝像頭的焦距和控制云臺的轉(zhuǎn)動。嵌入式硬編碼板也有一個RS-232接口，可通過它設(shè)置信源制式(PAL/NTSC)、編碼亮度、編碼色度、音頻速率、編碼音量和編碼速率。編碼板與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器集成到一個機箱里，編碼板通過PCI接口向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器輸出數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器有多個RS-232接口，分別與攝像機和硬編碼板上的RS-232接口相連。
播放設(shè)備由嵌入式硬解碼板和電視機組成。解碼板采用速率自適應(yīng)方式設(shè)計，解碼速率自動匹配遠端編碼器的編碼速率。解碼板和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器同樣集成在一個機箱里。該系統(tǒng)還實現(xiàn)了軟解碼方式，在這種方式中，播放設(shè)備由一臺安裝了視頻采集卡的PC機構(gòu)成，其上運行解碼軟件和媒體播放器，通過PC機的顯示器和音箱輸出圖像和聲音。
系統(tǒng)的記錄設(shè)備由硬盤錄像機構(gòu)成，安放于顯示點一側(cè)，用來存儲系統(tǒng)圖像。
控制臺由一臺運行Windows2000操作系統(tǒng)的PC機實現(xiàn)，PC機上運行客戶端的控制軟件。管理服務(wù)器也由一臺運行Windows2000操作系統(tǒng)的PC機實現(xiàn)，PC機上運行系統(tǒng)管理軟件。在簡化的系統(tǒng)實現(xiàn)中，管理服務(wù)器和控制臺可以在同一臺PC機上實現(xiàn)，在這種情況下，管理軟件和控制軟件運行在同一臺主機上，但仍然通過網(wǎng)絡(luò)接口通信。

系統(tǒng)硬件設(shè)計
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是系統(tǒng)硬件的核心部件，它由運行嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式計算機構(gòu)成，在嵌入式操作系統(tǒng)之上運行著系統(tǒng)的核心軟件。
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用的是基于ARM 內(nèi)核的CPU——S3C44B0X。該芯片是一款基于ARM 7TDMI RISC芯片。它一方面具有ARM處理器的：低功耗、高性能等優(yōu)點；同時又具有豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。
MPEG-4多媒體編碼芯片則采用韓國INTIME公司生產(chǎn)的IME6400，該芯片提供了豐富的外圍硬件接口：支持CCIR601建議的16Bit視頻解碼器接口、32Bit數(shù)據(jù)、81MHz的SDRAM數(shù)據(jù)總線接口、I2C總線接口、I2S外部音頻/PCM編碼器/DSP接口以及靈活的主機接口，可以支持多種類型的CPU。
圖2簡單介紹了MPEG-4硬件視頻壓縮處理的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)接口。MPEG-4視頻采集壓縮模塊以IME6400芯片為核心，完成對標準視頻信號(PAL或NTSC信號)的A/D轉(zhuǎn)換、MPEG-4壓縮以及與S3C44B0X之間的通信功能。圖2中視頻解碼ADC把從攝像頭輸入的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字視頻信號，然后進行編碼預(yù)處理，即把視頻解碼輸出的CCIR601格式的信號轉(zhuǎn)化為編碼器可以處理的CIF或QCIF格式，然后再進行MPEG-4壓縮編碼。S3C44B0X上的軟件則通過總線接口單元來控制編碼器的參數(shù)設(shè)置和讀取編碼壓縮后的碼流數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)處理模塊包括以下功能單元：以BT829為核心的視頻ADC單元；以IME6400為核心的MPEG-4視頻壓縮單元；以S3C44B0X 為核心構(gòu)成的控制邏輯和總線接口單元。總線接口單元是視頻數(shù)據(jù)處理模塊與S3C44B0X進行交互的通道，可以和主機進行視頻碼流和控制數(shù)據(jù)的交換?？刂七壿嬍且曨l采集壓縮模塊的核心，它控制并協(xié)調(diào)各模塊工作，提供控制信號，通過指令實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊所需要的選通、緩沖、讀/寫使能、數(shù)據(jù)總線和地址總線的切換等等。
鏡頭云臺控制是通過S3C44B0X上的RS-232口進行的，允許用戶根據(jù)自己的要求調(diào)節(jié)系統(tǒng)。用戶可以通過調(diào)節(jié)鏡頭的景深、焦距以及光圈來調(diào)整圖像質(zhì)量，還可以通過云臺的上下左右調(diào)節(jié)來獲取不同角度的圖像。由監(jiān)控中心的客戶機端軟件通過SOCKET網(wǎng)絡(luò)接口，把調(diào)整信息發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)器接收到控制指令后，進行指令識別，然后向?qū)?yīng)的RS-232口發(fā)送指令去控制云臺，完成調(diào)整任務(wù)。

視頻數(shù)據(jù)發(fā)送、指令控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
監(jiān)控現(xiàn)場主機通過視頻數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，將現(xiàn)場采集到的視頻流數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后，以IP 組播的形式通過計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。對于發(fā)送來的視頻數(shù)據(jù)，運行在監(jiān)控中心主機端的視頻數(shù)據(jù)接收播放模塊一方面可以將其保存起來，作為資料庫便于以后查詢及回放；另一方面還可以實時播放出來。
本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)采用了客戶機服務(wù)器結(jié)構(gòu)，兩端通過網(wǎng)絡(luò)建立TCP/IP連接，按照自定義的數(shù)據(jù)通信協(xié)議交換數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)控制功能。監(jiān)控中心的客戶端向服務(wù)器端申請建立連接，服務(wù)器監(jiān)聽到連接請求之后，和客戶端建立SOCKET連接，客戶端向服務(wù)器發(fā)送控制信號，服務(wù)器端向客戶端發(fā)送視頻碼流。
服務(wù)器端軟件運行在S3C44B0X上，軟件設(shè)計的主要思想如下：讀取線程、發(fā)送線程和控制線程之間的同步，防止有限資源的浪費。
為了充分利用CPU計算能力，提高系統(tǒng)的整體性能，在該系統(tǒng)中采用多線程技術(shù)實現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度。
考慮到監(jiān)控中心主機要同時監(jiān)控多個現(xiàn)場，需要加入多個組播組的情況。我們在設(shè)計系統(tǒng)時要求監(jiān)控中心端在接收視頻數(shù)據(jù)前應(yīng)向相應(yīng)的監(jiān)控現(xiàn)場發(fā)送數(shù)據(jù)請求。為此，我們要建立兩個通訊通道：一個是控制通道，一個為數(shù)據(jù)通道?？刂仆ǖ烙脕碓诎l(fā)送端和接收端之間建立會話，包括發(fā)送一些數(shù)據(jù)請求和確認控制等信息。接收端在接收視頻流數(shù)據(jù)前先向相應(yīng)的發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)請求，發(fā)送端在接收到數(shù)據(jù)請求后向接收端發(fā)回相應(yīng)的IP 組播地址和端口，接收端則加入該組接收視頻流數(shù)據(jù)。為了保證這些控制信息準確無誤地到達對方，對于控制通道我們選擇可靠性較高的TCP 協(xié)議。數(shù)據(jù)通道用于視頻流數(shù)據(jù)的通信，我們選用VxWorks IP組播組來實現(xiàn)。這兩個通訊通道互不相關(guān)，各自執(zhí)行自己的任務(wù)。

視頻數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的設(shè)計
在視頻傳輸中，服務(wù)器端要求碼流讀取和發(fā)送互不干擾，避免讀取和發(fā)送相互等待或者相互沖突的情況出現(xiàn)。同樣，在客戶端解碼和接收也存在這個關(guān)系，我們可以采用任務(wù)間的通信功能來協(xié)調(diào)多個獨立任務(wù)間的活動。VxWorks提供了一套豐富的任務(wù)間通信機制，包括共享內(nèi)存、信號量、消息隊列和管道等等。任務(wù)間通信最直接、最明顯的方法是訪問共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于所有VxWorks任務(wù)共存單一的線性地址空間，在多個任務(wù)間共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是非常容易的，任一程序中定義的各種類型的全局變量，都可以被所有任務(wù)直接訪問。
由于實時組播的視頻流來自于MPEG-4編碼器，所以首先要從編碼器中獲得視頻數(shù)據(jù)，這主要通過訪問編碼器所提供的I/O端口來完成。本設(shè)計采用了一種基于環(huán)形緩沖區(qū)的多任務(wù)視頻傳輸技術(shù)，較好的解決了碼流讀取和發(fā)送互不干擾的問題。系統(tǒng)的環(huán)形緩沖區(qū)除了達到數(shù)據(jù)分離互斥作用外，還可以起到平滑碼流的作用。讀取任務(wù)和發(fā)送任務(wù)是互斥的關(guān)系，讀取任務(wù)一次從編碼模塊中讀入4K的視頻數(shù)據(jù)供發(fā)送任務(wù)處理。在讀取時為了避免競爭，使用信號量對該環(huán)形緩沖區(qū)進行上鎖，以保證訪問的互斥進行。發(fā)送任務(wù)的訪問環(huán)形緩沖區(qū)的情況也類似。通過利用環(huán)形緩沖區(qū)和互斥鎖完全可以解決這兩個任務(wù)的同步問題。
指令控制模塊的設(shè)計
系統(tǒng)定義了自己的指令系統(tǒng)和指令傳輸協(xié)議。指令可以分為以下幾類：工作控制(傳輸開始、傳輸停止、存儲控制等)；鏡頭云臺控制(焦距、光圈、自動轉(zhuǎn)動等)；系統(tǒng)設(shè)置(用戶管理、通信參數(shù)設(shè)置等)，每條指令前面都有其唯一的識別標志，服務(wù)器接收到后可以用來和其它指令進行區(qū)分。
多路復(fù)用的輸入/輸出模型Select函數(shù)可以實現(xiàn)高效的管理套接字。使用工作在無阻塞方式的套接字，在一定程度上提高了程序的效率(與阻塞套接字相比)。但是，程序需要不斷的輪詢各個套接字描述符的情況，這浪費了大量的CPU時間。如果進程不是主動地輪詢套接字的情況，而是將希望監(jiān)視的套接字向系統(tǒng)進行登記，而后采取被動的態(tài)度等待，當(dāng)套接字上發(fā)生了某些事件后，系統(tǒng)再以某種方式通知進程，接著進程去檢測套接字的情況，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的事件并進行處理。在這種工作方式下，進程是在已經(jīng)知道在套接字上發(fā)生了事件時，才對套接字進行檢測，而在沒有事件的情況下，進程將睡眠，所以這種工作方式節(jié)省了大量的CPU時間，對于資源本來就非常緊張的系統(tǒng)，可以大大提高系統(tǒng)的整體性能。

結(jié)語
本文設(shè)計的基于ARM S3C44B0X的嵌入式MPEG-4遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，目前已經(jīng)在某省高速公路監(jiān)控中得到了應(yīng)用，并取得了很好的應(yīng)用效果。該監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性高，支持基于Internet的數(shù)據(jù)傳輸，C/S的結(jié)構(gòu)體系允許用戶進行遠端操縱系統(tǒng)的工作方式。系統(tǒng)的各個子模塊相對獨立，通過采用MPEG-4視頻壓縮技術(shù)，圖像高清晰，畫質(zhì)可接近DVD效果，能夠?qū)崿F(xiàn)單畫面輪流監(jiān)看和1~16個畫面同屏監(jiān)看。支持遠程和本地云臺控制，支持多任務(wù)工作方式，而且圖像存儲、監(jiān)看、遠程控制可同步進行，監(jiān)控距離隨網(wǎng)絡(luò)延伸而不斷加長，具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景?！?/P>

參考文獻
1 余兆明，李曉飛，陳來春編著. 數(shù)字電視設(shè)備及測量. 人民郵電出版社，2000
2 Stevens. TCP/IP詳解，卷1：協(xié)議，機械工業(yè)出版社，2000
3 林宇，郭凌云編著. Linux網(wǎng)絡(luò)編程. 人民郵電出版社，2000
4 VxWorks Programmer誷 Guide 5.4.1. WinRiver System Inc., 1999
5 S3C44B0X User誷 Manual. SUMSUNG Inc., 1997
6 孔祥營，柏桂枝編著. 嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks及其開發(fā)環(huán)境Tornado. 中國電力出版社，2002