摘 要： 提出了一種通用的基于4G網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法，介紹了系統(tǒng)的軟、硬件構(gòu)成，重點研究了視頻采集、視頻解碼、圖像實時顯示、存儲和播放等關(guān)鍵視頻技術(shù)，同時給出了Windows平臺下基于OpenCV的播放器設(shè)計和基于MFC的軟件界面設(shè)計的具體實現(xiàn)方法。與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，采用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸確保了視頻的清晰度和流暢性，移動物體檢測報警功能可防止監(jiān)控人員錯過重要信息，具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 4G網(wǎng)絡(luò)；視頻監(jiān)控；移動檢測；異常報警
0 引言
自2013年12月4日中國移動獲得中國國內(nèi)第一個4G牌照以來，我國絕大部分城市的居民已經(jīng)可以享受到LTE技術(shù)帶來的便利。隨著4G網(wǎng)絡(luò)的普及和流量資費的不斷降低，無線視頻監(jiān)控能夠在特殊押運、資源監(jiān)控、安防監(jiān)控等眾多領(lǐng)域為人們提供更好、更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)[1-3]。本文所研究的內(nèi)容正是利用目前最新的4G通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和移動物體報警功能。與其他的無線監(jiān)控系統(tǒng)相比，4G網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)傳輸能力確保了視頻的清晰度和流暢性，移動物體檢測報警功能可以防止監(jiān)控人員因疲勞、暫離崗位等原因錯過重要信息。除攝像頭之外，用戶也可根據(jù)需要外掛不同的傳感設(shè)備，通過二次開發(fā)來滿足自身需求。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
本系統(tǒng)基于現(xiàn)有的移動4G網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程監(jiān)控點的實時視頻監(jiān)控，主要由支持4G的監(jiān)控終端和監(jiān)控中心軟件兩部分組成。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。監(jiān)控終端通過攝像頭采集現(xiàn)場圖像，一方面在圖像序列中檢測是否有移動物體，另一方面將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理后發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心的上位機承擔(dān)服務(wù)器和播放器的雙重功能，軟件接收到監(jiān)控終端傳來的視頻流數(shù)據(jù)后，進(jìn)行解碼、顯示、存儲和播放等，同時根據(jù)接收到的報警信息觸發(fā)報警功能。
信息采集端由低功耗、易安裝的嵌入式系統(tǒng)完成，主要包括嵌入式處理器、電源模塊、攝像頭、存儲設(shè)備、復(fù)位模塊等。在硬件平臺上搭載Linux嵌入式操作系統(tǒng)，既降低了軟件的開發(fā)難度，也可以方便地擴(kuò)展其他功能。
監(jiān)控中心軟件在Windows平臺下設(shè)計完成，主要包括H.264視頻流接收、解碼、緩存、播放器的設(shè)計以及報警等功能。借助域名服務(wù)器、FFmpeg、OpenCV等開發(fā)工具自主設(shè)計視頻播放軟件，使得整個系統(tǒng)更加完善。具體的功能要求和應(yīng)用場景使得應(yīng)用軟件能在最小的資源要求下為用戶提供良好的監(jiān)控畫面，簡潔的用戶管理系統(tǒng)提升了系統(tǒng)的安全性和保密性[4-5]。
2 嵌入式監(jiān)控設(shè)備設(shè)計
2.1 硬件平臺設(shè)計
監(jiān)控終端采用三星公司的S5PV210作為主處理器，該芯片運行主頻可高達(dá)1 GHz，內(nèi)部集成了PowerVR SGX540高性能圖像引擎，能流暢地運行Android、Linux和WinCE等操作系統(tǒng)。4G模塊為中興公司生產(chǎn)的ME3760，該模塊是一款基于MiniPCI Express接口的多模無線上網(wǎng)模塊，支持TD-LTE/LTE-FDD/TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，可提供移動環(huán)境下的高速數(shù)據(jù)接入服務(wù)，4G環(huán)境下最大下行速率可達(dá)100 Mb/s。百萬高清松翰SN9C291+OV9712網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控專用攝像頭組成了系統(tǒng)的視頻采集模塊。OV9712 CameraChip圖像傳感器體積小、工作電壓低等特點，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8 bit影像數(shù)據(jù)。USB2.0的攝像頭控制器采用SN9C291，該芯片具有超強的圖像信號處理能力，可以確保圖像的質(zhì)量和讀取速度。此外，高性能的Motion-JPEG/H.264壓縮技術(shù)可以滿足不同帶寬的需求、低電壓工作狀態(tài)并支持圖像縮放非常適合嵌入式應(yīng)用[6-7]。
2.2 嵌入式軟件設(shè)計
嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括驅(qū)動的移植和應(yīng)用程序的設(shè)計兩部分。驅(qū)動移植是根據(jù)Linux內(nèi)核版本的不同更新或者替換原驅(qū)動中的功能函數(shù)。應(yīng)用程序通過調(diào)用驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對硬件設(shè)備的控制，這樣的分層機制體現(xiàn)了軟件、硬件分離的思想，大大提升了嵌入式應(yīng)用的開發(fā)速度[8]。
本系統(tǒng)在開發(fā)Linux系統(tǒng)基礎(chǔ)上，移植了ME3760通信模塊和USB攝像頭的驅(qū)動程序，完善了PPPOE撥號功能，并完成了相應(yīng)的程序設(shè)計。驅(qū)動程序分層示意圖如圖2所示。
驅(qū)動移植是為應(yīng)用程序服務(wù)的，應(yīng)用程序通過接口訪問、控制硬件設(shè)備來實現(xiàn)特定的功能，進(jìn)而將各種功能函數(shù)有序地組合來完成系統(tǒng)功能的設(shè)計。視頻監(jiān)控系統(tǒng)嵌入式端的程序設(shè)計流程圖如圖3所示。
各部分具體功能如下：
?。?）系統(tǒng)初始化將攝像頭、網(wǎng)絡(luò)模塊等切換到工作狀態(tài)，申請需要的內(nèi)存空間，通過PPP撥號接入移動網(wǎng)絡(luò)，并建立TCP連接；
?。?）從攝像頭讀取原始圖像，父進(jìn)程將圖像原始數(shù)據(jù)壓縮編碼后送給網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)，子進(jìn)程通過背景差法分析監(jiān)控畫面中是否闖入了移動物體，并根據(jù)檢測結(jié)果決定是否設(shè)置報警信息；
?。?）網(wǎng)絡(luò)傳輸將壓縮后的視頻數(shù)據(jù)分包后發(fā)送到移動網(wǎng)絡(luò)，子進(jìn)程將通過網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)將報警信息發(fā)送給監(jiān)控端。
以USB攝像頭驅(qū)動的移植為例，首先將攝像頭的產(chǎn)品ID添加到Linux UVC（USB Video Class）驅(qū)動的device_ID列表中，當(dāng)設(shè)備接入開發(fā)板時系統(tǒng)通過USB讀取設(shè)備信息。根據(jù)信息內(nèi)容調(diào)用UVC驅(qū)動常見設(shè)備節(jié)點/dev/video，當(dāng)查詢到設(shè)備節(jié)點后就可以利用V4L2（Video 4 for Linux 2）驅(qū)動架構(gòu)對攝像頭進(jìn)行操作了，V4L2操作函數(shù)如表1所示，在V4L2驅(qū)動中可以看到針對USB免驅(qū)攝像頭可實現(xiàn)的基本操作。
3 監(jiān)控軟件設(shè)計
3.1 播放器功能實現(xiàn)
監(jiān)控端軟件的設(shè)計實現(xiàn)了在PC端從網(wǎng)絡(luò)上接收視頻數(shù)據(jù)并播放、存儲等功能，在此基礎(chǔ)上根據(jù)實際需要添加了用戶管理和報警提示的功能，改善了系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果。
3.1.1 基于FFmpeg的視頻流解碼
Windows下視頻流解碼的方法有很多，開源的FFmpeg程序是較為常用的一種。FFmpeg是一個開源免費跨平臺的視頻和音頻流方案，采用LGPL或GPL許可證，提供錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的完整解決方案，使用方便、可靠性高，在Windows平臺下有廣泛的應(yīng)用。
FFmpeg包含了libavcodec庫、libavformat庫和ffmpeg轉(zhuǎn)換程序等。FFmpeg編譯成功后獲得FFMPEG庫，包含了編程需要的頭文件，lib運行庫和許多的DLL批處理命令。通過配置計算機的環(huán)境變量，就可以在Windows下使用FFmpeg庫。
FFmpeg視頻流解碼流程可分為以下幾個步驟：
?。?）定義變量，申請內(nèi)存空間為解碼器運行做好準(zhǔn)備工作；
（2）初始化解碼器，注冊編碼器、復(fù)用器等；
?。?）打開視頻流文件，取出包含在文件中的流信息；
?。?）找到視頻流起始位置，并記錄該流的編碼信息；
?。?）尋找匹配的視頻流的解碼器，系統(tǒng)只用到了 H.264的解碼函數(shù)；
?。?）進(jìn)行解碼并根據(jù)需要轉(zhuǎn)換解碼后的圖片格式。
3.1.2 基于OpenCV的播放器設(shè)計
OpenCV是Inter公司的開源計算機視覺庫，它是輕量級而且高效，它由一系列的C函數(shù)和少量的C++類構(gòu)成，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法[9-10]。OpenCV開發(fā)包提供了讀取各種類型的圖像文件、視頻內(nèi)容以及攝像機輸入的功能。在屏幕上顯示一張圖像可以通過編寫以下程序?qū)崿F(xiàn)。
#include"highgui.h"
int main（int argc，char**argv）
{cvNamedWindow（"Example"，CV_WINDOW_AUTOSIZE）；
CvCapture*capture=cvCreateFileCapture（argv[1]）；
IplImage*frame；
while（1）{
frame=cvQueryFrame（capture）；
if（!frame）break；
cvShowImage（"Example"，frame）；
char c=cvWaitKey（33）；
if（c==27）break；}
cvReleaseCapture（&capture）；
cvDestroyWindow（"Example"）；}
3.2 軟件界面設(shè)計
微軟基礎(chǔ)類庫（Microsoft Foundation Classes，MFC）是一個微軟公司提供的類庫，以C++類的形式封裝了Windows API，包含一個應(yīng)用程序框架，以減少應(yīng)用程序開發(fā)人員的工作量。本文用戶登錄界面采用基于對話框的設(shè)計模式，每個交互界面都是一個窗口，它們都繼承自MFC的基礎(chǔ)對話框類Cdialog并且都與一個相關(guān)的資源類綁定。該程序的主要功能是根據(jù)用戶輸入的用戶名和密碼信息，判定用戶是否具有該系統(tǒng)的使用權(quán)限，系統(tǒng)的用戶登錄界面如圖4所示。
視頻監(jiān)控界面的設(shè)計以播放器為主體內(nèi)容，添加了系統(tǒng)LOGO和報警指示。報警指示以圖片插件為基礎(chǔ)，當(dāng)收到報警信息后，黃、紅兩張圖片順序切換展現(xiàn)出指示燈閃爍的效果，并且通過PC音頻設(shè)備播放警報聲引起監(jiān)控人員的注意。監(jiān)控人員收到報警信息后可以通過停止按鍵終止此次報警，再進(jìn)行相應(yīng)的處理。監(jiān)控系統(tǒng)的實際運行效果如圖5所示。
4 結(jié)論
結(jié)合當(dāng)前的監(jiān)控技術(shù)和無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了一套基于4G無線技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。通過裝載了Linux系統(tǒng)的嵌入式終端和Windows桌面控制軟件完成了視頻監(jiān)控、移動物體報警等功能，系統(tǒng)涵蓋了無線監(jiān)控系統(tǒng)的最新技術(shù)的實現(xiàn)，應(yīng)用于實驗研究或者教學(xué)中可以起到很好的啟發(fā)作用，有很好的推廣價值。在以后的研究過程中將進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
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