论文部分内容阅读
摘 要: 基于嵌入式技术实现视频监控系统,系统的硬件部分主要以ARM9处理器为核心的展开设计,软件部分主要以嵌入式操作系统及底层驱动程序和应用程序实现.实时性强、性价比高、稳定性好数字视频监控系统。
关键词: 嵌入式视频监控ARM处理器图像传感器
中图分类号: TP39文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-043-02
1 引言
嵌入式数字视频监控系统是以视频处理技术和嵌入式系统为基础,综合利用图像传感器、网络、自动控制等技术的实现一种新型视频监控系统。该系统提高了图像的质量与监控效率,使系统易于管理和维护,快速的对图像数据进行压缩、分析、存储和显示。具有体积小、实时性强、性价比高、稳定性好等,具有许多传统监控系统无法比拟的优点,因此越来越广泛地被应用于交通、能源、公安、电信、军事等部门。
2 视频监控系统概述
该系统主要由视频采集,嵌入式系统,视频监控端三个部分组成。首先视频采集系统(摄像头)将采集到得数据进行压缩并通过USB接口传输给嵌入式系统,嵌入式系统通过USB接受来自摄像头的数据,并对该数据进行相应的格式转化并再次压缩数据后并存储,并使用以太网卡连接到Internet上供视频监控端用户通过Web浏览器访问嵌入式系统中的视频数据(可以获取实时数据和备份数据),视频监控端用户对获取的视频数据进行浏览、存储、分析,并可以嵌入式系统提出请求,调整视频采集系统,使其工作在最佳状态。
2.1 视频采集系统
该系统采用中星微301摄像头处理器实现影像采集、处理、压缩等功能。该芯片采用影像光源自动增益补强技术,自动亮度、白平衡控制技术,色饱和度、对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术,使图像不变形,色彩表现力更趋完美。高速USB2.0接口,支持更高的带宽,更高的传输速率,采用先进的影像信号处理器和嵌入式JPEG编码引擎,以及高质量的视频数据流。综合CMOS传感器接口以及可编辑式传感器主控时钟输出,可轻松支持分辨率高达200万像素的CMOS传感器。它以高性能、轻巧和廉价的外设延伸,为用户的通讯交流和影像跟踪提供便利。在影像DSP芯片市场上几乎占据了全球主要的市场份额。
2.2 嵌入式Web服务器的设计
嵌入式Web服务器是整个数字视频监控系统的中心,主要实现:①对视频采集系统传来的数据进行接收与处理,输出给监控端,②接收监控端发来的控制命令对视频采集系统进行控制。
(1)嵌入式Web服务器的硬件系统嵌入式Web服务器的硬件系统主要由一个ARM2410处理器、一个USB主机接口、两片32M的SDRAM内存、两片128M的Flash存储器、一个以太网接口等部件构成。ARM2410处理器主要实现嵌入式Web服务器与视频监控端的Web通信,实现监控端通过IE来访问Web服务器数据;USB接口主要接收视频采集系统传来的数据,并传给处理器,同时将处理器命令传给视频采集系统;SDRAM内存供系统运行使用,相当于PC机的内存;Flash存储器主要存储嵌入式操作系统内核、通讯协议、服务器文档;以太网接口主要实现嵌入式Web服务器和Internet相连,给监控端用户提供接口。
(2)基于ARM的嵌入式Linux操作系统的移植嵌入式Linux操作系统程序源码公开,同时系统自带TCP/IP协议,任何人都可以根据需要对内核进行裁剪,把整个系统放到一个小小的Flash存储器中。
因此本系统选用了嵌入式Linux操作系统。Linux移植到ARM2401处理器上主要分为以下步骤:1)搭建交叉编译环境: 首先安装交叉编译器(将软件包cross_2.95.3.tar.bz2解压到交叉编译器安装在/usr/local/arm/2.95.3目录下,为Shell增加交叉编译器路径),然后安装ARM Linux内核(将ARM Linux源代码解压,编译ARM Linux内核);2)下载Bootloader:首先下载Boot,然后启动Boot;3)下载Linux内核和文件系统:本文采用FTP方式移植Linux内核映像文件到目标机Nand Flash中,首先连同网络保证网络能正常下载,然后进行内核和文件系统,最后启动Linux操作系统;嵌入式Linux操作系统的移植完成。
(3)设备驱动程序的设计与实现本系统涉及外部设备接口有三个分别为Flash存储器接口,以太网接口,USB主机接口。操作系统要通过驱动程序实现对这些外部设备的访问与控制。驱动程序能够使特定的硬件和软件与操作系统建立联系,让操作系统能够正常运行并启用该设备。
1)Flash存储器驱动: Linux系统与Flash存储器抽象的接口分成四层结构,硬件层直接通过命令对存储器进行读写或擦出。原始设备层主要是建立数据结构,定义设备通用的属性和方法及不同芯片的差异性特征。设备层该系统抽象并建立字符设备。设备节点层主要实现与Linux系统文件中建立字符设备,这样就实现了Linux对Flash存储器的驱动;
2)USB驱动:从功能的角度来分,主要分为设备的;驱动的注册、注销,设备的注册、注销、打开、关闭、中断、读、写及控制等。
3)以太网驱动:以太网卡属于网络设备,首先通过初始化程序对硬件特征进行检查,配置和初始化硬件及设备文件结构体。除了有打开、关闭、发送、接收、中断等还有帧头数据的处理、地址解析、参数设置和统计数据。
(4)TCP/IP 协议的裁剪TCP/IP协议概述:经典的TCP/IP协议一般为四个层分别是数据链路层、网络层、传输层、应用层。数据链路层是协议与各种物理网络的接口,它控制同一物理网络不同设备之间的物理传输;网络层主要接收传输层的分组并打成IP数据包,发送到相应的网络接口,或者接收网络接口层数据,抽出IP包,发送给传输层。实现相邻终端设备的通信;传输层主要有两个协议分别是TCP和UDP,实现源主机和目标主机的连接。
应用层主要实现各种具体的应用,包含更丰富的应用协议。Linux下的TCP/IP协议特征:首先,不需要完整的协议栈,在不违背协议标准的前提下尽可能的减少代码,因为一般嵌入式设备的内存空间都比较有限;其次,在满足应用需求的前提下,尽可能的提高系统的实时性,因为嵌入式设备基本上都是无人监控设备,实时处理对嵌入式系统来说是非常必要的。
嵌入式Linux下的TCP/IP协议裁剪:1)删除与系统功能无关的协议,减少协议代码量。2)基于应用需求,对具体协议的相关参数进行修改,以提高数据传输速率,减少拥塞,平衡网络流量等。3)对裁剪后的系统进行仿真调试,实现系统数据优化传输。
2.3视频监控端的设计视频监控端的功能设计包括两个部分
(1)实现终端用户通过IE远程对嵌入式Web服务器上的视频图像数据进行浏览、下载存储、分析等功能。
(2)远程控制视频采集系统,对视频采集系统进行调整,使其工作在最佳状态。
3 小结
该系统其设计特点为结构简单、体积小、功耗低、图像分辨率高、成本低廉、满足实时性要求,具有很大的应用前景。
(项目基金:2009年九江学院校级科研课题,课题编号: 09kj7)
参考文献:
[1] 杜春雷. ARM体系结构与编程[M].北京:清华大学出版社,2003:233-252.
[2] 任哲.嵌入式实时操作系统[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2005:125-300.
[3] 周立功.MagicARM2410 教学实验开发平台 ,2006:127-135.
[4] 吴迪.嵌入式系统原理、设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2004:85-200.
[5] ARM9嵌入式操作系统实践教程[C].武汉华中科技大学, 2006:157-166.
关键词: 嵌入式视频监控ARM处理器图像传感器
中图分类号: TP39文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-043-02
1 引言
嵌入式数字视频监控系统是以视频处理技术和嵌入式系统为基础,综合利用图像传感器、网络、自动控制等技术的实现一种新型视频监控系统。该系统提高了图像的质量与监控效率,使系统易于管理和维护,快速的对图像数据进行压缩、分析、存储和显示。具有体积小、实时性强、性价比高、稳定性好等,具有许多传统监控系统无法比拟的优点,因此越来越广泛地被应用于交通、能源、公安、电信、军事等部门。
2 视频监控系统概述
该系统主要由视频采集,嵌入式系统,视频监控端三个部分组成。首先视频采集系统(摄像头)将采集到得数据进行压缩并通过USB接口传输给嵌入式系统,嵌入式系统通过USB接受来自摄像头的数据,并对该数据进行相应的格式转化并再次压缩数据后并存储,并使用以太网卡连接到Internet上供视频监控端用户通过Web浏览器访问嵌入式系统中的视频数据(可以获取实时数据和备份数据),视频监控端用户对获取的视频数据进行浏览、存储、分析,并可以嵌入式系统提出请求,调整视频采集系统,使其工作在最佳状态。
2.1 视频采集系统
该系统采用中星微301摄像头处理器实现影像采集、处理、压缩等功能。该芯片采用影像光源自动增益补强技术,自动亮度、白平衡控制技术,色饱和度、对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术,使图像不变形,色彩表现力更趋完美。高速USB2.0接口,支持更高的带宽,更高的传输速率,采用先进的影像信号处理器和嵌入式JPEG编码引擎,以及高质量的视频数据流。综合CMOS传感器接口以及可编辑式传感器主控时钟输出,可轻松支持分辨率高达200万像素的CMOS传感器。它以高性能、轻巧和廉价的外设延伸,为用户的通讯交流和影像跟踪提供便利。在影像DSP芯片市场上几乎占据了全球主要的市场份额。
2.2 嵌入式Web服务器的设计
嵌入式Web服务器是整个数字视频监控系统的中心,主要实现:①对视频采集系统传来的数据进行接收与处理,输出给监控端,②接收监控端发来的控制命令对视频采集系统进行控制。
(1)嵌入式Web服务器的硬件系统嵌入式Web服务器的硬件系统主要由一个ARM2410处理器、一个USB主机接口、两片32M的SDRAM内存、两片128M的Flash存储器、一个以太网接口等部件构成。ARM2410处理器主要实现嵌入式Web服务器与视频监控端的Web通信,实现监控端通过IE来访问Web服务器数据;USB接口主要接收视频采集系统传来的数据,并传给处理器,同时将处理器命令传给视频采集系统;SDRAM内存供系统运行使用,相当于PC机的内存;Flash存储器主要存储嵌入式操作系统内核、通讯协议、服务器文档;以太网接口主要实现嵌入式Web服务器和Internet相连,给监控端用户提供接口。
(2)基于ARM的嵌入式Linux操作系统的移植嵌入式Linux操作系统程序源码公开,同时系统自带TCP/IP协议,任何人都可以根据需要对内核进行裁剪,把整个系统放到一个小小的Flash存储器中。
因此本系统选用了嵌入式Linux操作系统。Linux移植到ARM2401处理器上主要分为以下步骤:1)搭建交叉编译环境: 首先安装交叉编译器(将软件包cross_2.95.3.tar.bz2解压到交叉编译器安装在/usr/local/arm/2.95.3目录下,为Shell增加交叉编译器路径),然后安装ARM Linux内核(将ARM Linux源代码解压,编译ARM Linux内核);2)下载Bootloader:首先下载Boot,然后启动Boot;3)下载Linux内核和文件系统:本文采用FTP方式移植Linux内核映像文件到目标机Nand Flash中,首先连同网络保证网络能正常下载,然后进行内核和文件系统,最后启动Linux操作系统;嵌入式Linux操作系统的移植完成。
(3)设备驱动程序的设计与实现本系统涉及外部设备接口有三个分别为Flash存储器接口,以太网接口,USB主机接口。操作系统要通过驱动程序实现对这些外部设备的访问与控制。驱动程序能够使特定的硬件和软件与操作系统建立联系,让操作系统能够正常运行并启用该设备。
1)Flash存储器驱动: Linux系统与Flash存储器抽象的接口分成四层结构,硬件层直接通过命令对存储器进行读写或擦出。原始设备层主要是建立数据结构,定义设备通用的属性和方法及不同芯片的差异性特征。设备层该系统抽象并建立字符设备。设备节点层主要实现与Linux系统文件中建立字符设备,这样就实现了Linux对Flash存储器的驱动;
2)USB驱动:从功能的角度来分,主要分为设备的;驱动的注册、注销,设备的注册、注销、打开、关闭、中断、读、写及控制等。
3)以太网驱动:以太网卡属于网络设备,首先通过初始化程序对硬件特征进行检查,配置和初始化硬件及设备文件结构体。除了有打开、关闭、发送、接收、中断等还有帧头数据的处理、地址解析、参数设置和统计数据。
(4)TCP/IP 协议的裁剪TCP/IP协议概述:经典的TCP/IP协议一般为四个层分别是数据链路层、网络层、传输层、应用层。数据链路层是协议与各种物理网络的接口,它控制同一物理网络不同设备之间的物理传输;网络层主要接收传输层的分组并打成IP数据包,发送到相应的网络接口,或者接收网络接口层数据,抽出IP包,发送给传输层。实现相邻终端设备的通信;传输层主要有两个协议分别是TCP和UDP,实现源主机和目标主机的连接。
应用层主要实现各种具体的应用,包含更丰富的应用协议。Linux下的TCP/IP协议特征:首先,不需要完整的协议栈,在不违背协议标准的前提下尽可能的减少代码,因为一般嵌入式设备的内存空间都比较有限;其次,在满足应用需求的前提下,尽可能的提高系统的实时性,因为嵌入式设备基本上都是无人监控设备,实时处理对嵌入式系统来说是非常必要的。
嵌入式Linux下的TCP/IP协议裁剪:1)删除与系统功能无关的协议,减少协议代码量。2)基于应用需求,对具体协议的相关参数进行修改,以提高数据传输速率,减少拥塞,平衡网络流量等。3)对裁剪后的系统进行仿真调试,实现系统数据优化传输。
2.3视频监控端的设计视频监控端的功能设计包括两个部分
(1)实现终端用户通过IE远程对嵌入式Web服务器上的视频图像数据进行浏览、下载存储、分析等功能。
(2)远程控制视频采集系统,对视频采集系统进行调整,使其工作在最佳状态。
3 小结
该系统其设计特点为结构简单、体积小、功耗低、图像分辨率高、成本低廉、满足实时性要求,具有很大的应用前景。
(项目基金:2009年九江学院校级科研课题,课题编号: 09kj7)
参考文献:
[1] 杜春雷. ARM体系结构与编程[M].北京:清华大学出版社,2003:233-252.
[2] 任哲.嵌入式实时操作系统[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2005:125-300.
[3] 周立功.MagicARM2410 教学实验开发平台 ,2006:127-135.
[4] 吴迪.嵌入式系统原理、设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2004:85-200.
[5] ARM9嵌入式操作系统实践教程[C].武汉华中科技大学, 2006:157-166.