基于嵌入式Linux視頻的網絡監控系統設計

摘要：介紹了一種采用Browser/Server結構、在視頻服務器上內置一個嵌入式Web服務器、基于嵌入式Linux視頻的網絡監控系統。重點闡述了其服務器端的設計。
關鍵詞：嵌入式Linux Web服務器MPEG-4網絡通信

隨著計算機技術及網絡技術的迅猛發展，公安、安防行業的發展趨勢必然是全面數字化、網絡化。傳統的模擬閉路電視監控系統有很多局限性：傳輸距離有限、無法聯網，而且模擬視頻信號數據的存儲會耗費大量的存儲介質(如錄像帶)，查詢取證時十分煩瑣。基于個人計算機的視頻監控系統終端功能較強，但穩定性不好，視頻前端(如電壓耦合元件等視頻信號的采集、壓縮、通訊)較為復雜，可靠性不高。基于嵌入式Linux視頻的網絡監控系統不需要用于處理模擬視頻信號的個人計算機，而是把視頻服務器內置一個嵌入式Web服務器，采用嵌入式實時多任務操作系統。由于把視頻壓縮和Web功能集中到一個體積很小的設備內，可以直接連入局域網，即插即看，省掉復雜的電纜，安裝方便(僅需設置一個IP地址)，用戶也無需安裝任何硬件設備，僅用瀏覽器即可觀看。

基于嵌入式Linux的視頻網絡監控系統將嵌入式Linux系統連接上Web，即視頻服務器內置一個嵌入式Web服務器，攝像機傳送來的視頻信號數字化后由高效壓縮芯片壓縮，通過內部總線傳送到內置的Web服務器上。

1 系統總體框架
嵌入式Linux視頻網絡監控系統是電工電子裝置、計算機軟硬件以及網絡、通信等多方面的有機組合體，它以智能化、網絡化、交互性為特征，結構比較復雜。如果利用OSI七層模型的內容和形式，把相應的數據采集控制模塊硬件和應用軟件以及應用環境等有機組合，可以形成一個統一的系統總體框架，其系統總體框架示意圖如圖l所示。

攝像機傳送來的視頻信號數字化后，經過壓縮，通過RS-232/RS485將數據送到內置的Web服務器，嵌入式LJnux系統的10/100M以太網口實現接入Internet網絡，將現場信號送到客戶端。整個系統的核心是嵌入式Linux系統。監控系統啟動后，嵌入式Linux系統啟動Web Server服務程序，接收授權客戶端瀏覽器的請求，Web Server將根據通信協議完成相應的監測。

2 系統實現
2.1 硬件平臺設計
本系統以公開的嵌入式Linux源代碼為基礎，根據設計的嵌入式目標板編寫相應的Bootloader程序，然后裁剪出合適的內核和文件系統。目標平臺CPU采用Motorola公司生產的ColdFire嵌入式處理器MFC5272。MFC5272采用ColdFire V2可變長RISC處理器核心和DigltalIDNA技術，在66MHz時鐘下能夠達到63Dlnrystone2.1MIPS的優良處理能力。內部SIM(System IntegratedModule)單元集成了豐富的通用模塊，只需很少的外圍芯片就可以實現兩個RS-232串行口和一個USB Slave接口。MFC5272還內嵌一個FEC(快速以太網控制器)，片外擴展一片LXT97l，方便地實現了一個100/10 BaseT的以太網接口。能夠與常用的外圍設備(如SDRAM、ISDN收發器)實現無縫連接，從而簡化了外圍電路的設計，降低了產品成本、體積和功耗。

2．2 軟件設計與實現
視頻監控系統軟件結構采用的是瀏覽器，服務器(B／S)網絡模型，即由客戶端通過Web向服務器提出請求，服務器對請求做出確認響應并執行相應的任務(如向客戶端發送組播地址、圖像格式、壓縮格式等)，建立連接后就可以在客戶端監控被控點，從而實現遠程網絡監控。服務器(Web Servei)端即現場監控點的軟件結構包括采集模塊、壓縮編碼模塊、網絡通信模塊、控制模塊等，如圖2所示。

2.2.1 視頻采集模塊設計
由于攝像機得到的是模擬的視頻信號，不能直接為計算機使用，因此要使視頻在網上傳輸，必須首先對其數字化。本系統選用的視頻采集卡為Conexant公司的Bt848卡，該卡不需要任何本地緩存來存儲視頻像素數據，還能夠充分利用基于PCI總線系統的高帶寬和固有的多媒體功能，并且能夠與其他多媒體設備實現互操作。在整個系統中由于視頻采集的速度通常高于應用軟件取得數據并進行處理的速度，因此為了保證視頻數據的連續性，采用了三緩存結構，緩存A是Bt848視頻采集的目標地址，在RISC指令的直接控制下，采集的數據都先存放在這個緩存中；B和C組成乒乓式結構循環往復使用，當某一幀數據采集完畢后，產生中斷，在中斷服務程序中將緩存A的數據復制到緩存B(或C)中，然后采集下一幀，當下一幀數據采集完后．再將緩存A中的數據復制到緩存C(或B)中，當應用程序需要數據時就從緩存B或C中讀取最新的一幀圖像。緩存B和C交替使用，能夠保證應用程序從緩存讀數據的操作和驅動程序向緩存寫數據的操作不會發生沖突，避免了數據的損壞和遲延。

2.2.2 視頻壓縮編碼的設計
本設計選用了基于對象的MPEG-4視頻編碼技術，首先對輸入的任意形狀的VOP序列，用基于塊的混合編碼技術編碼。處理順序是先幀內VOP，后幀間VOP和雙向預測VOP。在對VOP的形狀信息編碼之后，取得任意形狀VOP的采樣，每個VOP用宏塊柵格劃分成不相交的宏塊，每個宏塊含有四個8×8的像素塊，以進行運動估計和補償及紋理編碼。已編碼的VOP幀保存在VOP幀存儲器中。運動向量在當前VOP幀和已編碼VOP幀之間計算。對將被編碼的塊或宏塊，計算其運動補償預測誤差。運動補償預測后的I-VOP及誤差用8×8塊DCT編碼，并進行DCP系數的量化，然后是行程編碼和熵編碼。最后．形狀、運動和紋理信息復合成VOL位流輸出。這種編碼方法可以允許用戶修改、增加或重定位一個視頻場景中的對象，甚至可以轉換場景中對象的行為。對于不同的帶寬和計算復雜性需求，不必針對每種情況分別編碼，可以使用同一個視頻位流，而采用不同的參數以選擇不同的層以獲得靈活性。在出現網絡擁塞、丟包等現象時仍能提供連貫性較好的視頻圖像。視頻壓縮編碼進程將編碼后的的視頻存放到已編碼視頻緩沖隊列中，同時激活或等待直播進程和存儲管理進程的相應處理。

2．2．3 網絡通信模塊設計
網絡通信模塊是系統的主體部分，它包含三個數據通道：監聽通道、控制通道和視頻數據通道。監聽通道用來傳輸控制前端設備的命令數據；視頻數據通道用來傳輸各個組的視頻數據。三個通道采用不同的通信端口，所以各個通道傳輸數據彼此獨立。網絡通信模塊設計開發是通過網絡編程接口(Windows Socket，簡稱Winsoek)來實現的。按照系統瀏覽器，服務器的阿絡傳輸模型。在服務器端建立了以SOCKET為類型的監聽套接字、控制套接字；在客戶端建立了SOCKET類型的請求套接字、控制套接字，這些都是采用’ICP協議封裝傳輸數據的。

另外，在服務器和客戶機兩端都用到了一個組播類(CMuhieast)，它是專門為視頻傳輸而封裝的類。由CObject派生而來，其中定義了以SOCKET類型的收發視頻數據的套接宇和組套接字，從而實現了用組播通信方式來傳輸UDP協議封裝的視頻數據包。系統中IP網絡數據通信流程如圖3所示
 

下面給出在服務器端建立監聽套接字和控制套接字的程序。

……
int ret=O：
BOOL bFlag=TRUE：//設置套接字為可重用端口地址
ret=setsoekopt(IInfo.listenSocket,SOL_SOCKET，SO_REUSE
ADDR，(char)*＆bFlag，sizeof(bFlag))；
SOCKADDR_IN sockAddr；
char*addr=severaddr.GetBuffer(0)； //定義監聽套接字
//的地址
sockAddr.sin_family=AF_INET；
sockAddr.sin_addr.S_un.S_addr
=inet_addr(addr)；
sockAddr.sin_port=htons(PORT)：
if(bind(IInfo.1istenSoeket,(LPSOCKADDR)

2．2．4 控制模塊設計開發
控制模塊實現了用戶對前端設備如鏡頭、云臺和畫面切換的控制。服務器在接收到由客戶中心監控終端發送過來的控制信息幀后，對其進行判斷解析，并送入各個相應的控制部件接口，以實現相應的控制。

3 實驗結果
將視頻監控系統的web服務器連接到局域網，然后接入Intemet，給web服務器分配一個IP地址。在用戶終端，由于使用普通的瀏覽器只能顯示單畫面，很不方便，使用微軟公司的VC6.0配合微軟的瀏覽器控件，只需幾分鐘就可完成一個多畫面的瀏覽器軟件。在瀏覽器的地址欄中直接輸入視頻服務器的地址，即可在瀏覽器頁面中播放遠程實時穩定、流暢的圖像，取得了良好的監控效果。

基于嵌入式Linux視頻的網絡監控系統的Web服務器直接連入網絡，沒有線纜長度和信號衰減的限制，同時網絡是沒有距離概念的，徹底拋棄了地域的概念，擴展了布控區域。又由于視頻壓縮和Web功能集中到一個體積很小的設備內，直接連入局域網或廣域網，即插即看，系統的實時性、穩定性、可靠性大大提高，無需專人管理，非常適合于無人值守的環境。隨著計算機技術、網絡技術的迅速發展，人們對視頻監控系統的要求會越來越高。相信該系統在電子商務、視頻會議、遠程監控、遠程教學、遠程醫療、水利和電力監控等方面有廣闊的應用前景。