引言
目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化已成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)采用OMAP5912 處理器[1]設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于B/S模式的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，不僅解決了傳統(tǒng)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的弊端，而且彌補(bǔ)了單核處理器在視頻編碼方面的不足。
OMAP5912是由ARM926EJ-S MPU內(nèi)核和TMS320C55x DSP內(nèi)核組成的雙核處理器, ARM926 可滿(mǎn)足控制和接口方面的處理需要，而且支持廣泛的操作系統(tǒng)，而C55x 系列DSP可提供對(duì)低功耗應(yīng)用的實(shí)時(shí)多媒體處理的支持。因此，將OMAP5912用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)中時(shí)，可以利用ARM核實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口、控制和通訊，利用DSP核實(shí)現(xiàn)視頻編碼，從而可以組成一個(gè)高速、清晰、低功耗、具有良好人機(jī)交互的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以O(shè)MAP5912電路板和攝像頭為硬件，以Montavist Linux操作系統(tǒng)，攝像頭驅(qū)動(dòng)程序、H.264編碼器、網(wǎng)絡(luò)通信程序?yàn)檐浖詭E瀏覽器的PC機(jī)為監(jiān)控端。在服務(wù)器端OMAP5912的ARM核通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)攝像頭進(jìn)行視頻采集，利用DSP/BIOS Bridge將獲得的視頻傳送給DSP核，DSP核利用優(yōu)化后的H.264編碼器對(duì)視頻編碼，然后將編碼后的視頻回送給ARM核，ARM核通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信程序與監(jiān)控端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。用戶(hù)監(jiān)控端對(duì)視頻解碼并播放視頻，同時(shí)可以通過(guò)IE瀏覽器對(duì)攝像頭進(jìn)行控制及參數(shù)設(shè)置。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)即為OMAP5912電路板的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中，電源管理芯片采用TPS65010；DDR采用K4X56163PE芯片；NOR FLASH采用兩MT28F128J3FS-12芯片；音頻CODEC芯片采用TLV320AIC23；以太網(wǎng)接口芯片采用LAN91C96；另外還設(shè)計(jì)有USB接口、UART接口、音頻輸入輸出接口、JATG/Multi-ICE仿真調(diào)試接口及四個(gè)擴(kuò)展接口。OMAP5912 電路板原理框圖如圖2所示。
圖2 OMAP5912電路板原理框圖
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是采集視頻并進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，軟件部分設(shè)計(jì)主要包括軟件平臺(tái)的構(gòu)建、攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)、視頻采集和視頻編碼的實(shí)現(xiàn)、嵌入式WEB服務(wù)器的構(gòu)建、視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。
1）開(kāi)發(fā)平臺(tái)的建立
在應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)前，首先需要在OMAP5912電路板中建立起軟件平臺(tái)，主要步驟如下：
?。?）在PC機(jī)中安裝MontaVista Linux嵌入式操作系統(tǒng)。
?。?）移植u_boot到目標(biāo)板中
?。?）Linux內(nèi)核配置并增加如下兩個(gè)模塊：
①M(fèi)ultimedia devices→<*>Video For Linux→[*]V4L information in proc filesystem；
?、赨SB Support→USB Multimedia devices→<*>USB OV511 Camera support；
修改一些參數(shù)，其中最重要的是修改Makefile文件：
ARCH:= OMAP
CROSS_COMPILE=arm_v4t_le-
最后執(zhí)行如下命令生成內(nèi)核鏡像文件：
#make dep #創(chuàng)建內(nèi)核依賴(lài)關(guān)系
#make clean #清除中間文件
#make uImage #創(chuàng)建內(nèi)核鏡像文件（4）使用tftp方式下載內(nèi)核鏡像文件
?。?）掛載根文件系統(tǒng)
在應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一般通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以N FS方式來(lái)掛載在L inux主機(jī)上的文件系統(tǒng), 這樣就不必要每次有改動(dòng)都要重新燒寫(xiě)文件系統(tǒng)的鏡像文件。它的實(shí)現(xiàn)基于對(duì)主機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的配置并啟動(dòng)N FS 服務(wù), 向Linux 主機(jī)的/etc/exports文件添加下列一行：
/home/luowei/montavista/filesys *(rw,no_root_squash,no_all_squash,sync)
并運(yùn)行下列命令使得設(shè)置生效：
#exportfs –a
#service nfs restart
說(shuō)明：/home/luowei/montavista/filesys為本人宿主機(jī)上的根文件系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際情況修改。
?。?）系統(tǒng)測(cè)試
在/home/luowei/montavista/filesys/home建立一個(gè)hello.c文件，并使用如下命令編譯成目標(biāo)板可執(zhí)行文件hello：
/opt/montavista/previewkit/arm/v4t_le/bin/arm_v4t_le-gcc –o hello hello.c
進(jìn)入目標(biāo)板上相同目錄并執(zhí)行./hello，若能正確運(yùn)行，表明系統(tǒng)搭建成功。
2）視頻采集和編碼
?。?）攝像頭驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)程序的作用在于把設(shè)備映射為一個(gè)特殊的設(shè)備文件, 用戶(hù)程序可以像對(duì)其它文件一樣對(duì)此設(shè)備文件進(jìn)行操作[2]。系統(tǒng)的攝像頭驅(qū)動(dòng)程序包括攝像頭打開(kāi)模塊Camera_Open()、攝像頭控制模塊（包括中斷請(qǐng)求，攝像頭初始化、啟動(dòng)、攝像頭寄存器設(shè)置、DMA請(qǐng)求及啟動(dòng)）和攝像頭關(guān)閉模塊Camera_Release()。然后將驅(qū)動(dòng)程序定義在struct file_operations中，供內(nèi)核Video4Linux的API函數(shù)調(diào)用?？紤]到Linux自帶OV511的驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)計(jì)采用OV511芯片的網(wǎng)眼攝像頭OV3000。
?。?）視頻采集
設(shè)計(jì)使用Video4Linux模塊[5]提供的API函數(shù)進(jìn)行視頻采集，主要函數(shù)包括：
①dev?=?open(Camera_Open?,O_?RDWR);打開(kāi)視頻捕獲設(shè)備。
?、趇octl?(dev?,?VIDIOCGCAP?,?&vid_caps)?獲取該視頻設(shè)備的相關(guān)性能。
?、踚octl?(dev?,?VIDIOCGCHAN?,?&vid_chnl);獲取攝像頭通道的相關(guān)參數(shù)。
④ioctl?(dev?,?VIDIOCGFBUF?,?&vid_buf)?;獲取幀緩沖的屬性。
?、輎octl?(dev?,?VIDIOCGPICT?,?&vid_pi);獲取圖片采集的設(shè)置。
?、辤octl?(dev?,?VIDIOCSPICT?,?&vid_pic);設(shè)置圖片采集的相關(guān)參數(shù),包括顏色深度、調(diào)色板類(lèi)型、亮度、對(duì)比度等。
⑦ioctl?(dev?,?VIDIOCSWIN?,?&vid_win);設(shè)置圖像采集的視區(qū)參數(shù)。
?、鄁write?(m_buf?,1?,230400?,p)?;采集的數(shù)據(jù)存入。
⑨ioctl?(?dev?,?VIDIOCMCAPTURE?,?&vid_mmap);開(kāi)始俘獲一幀。
設(shè)計(jì)中使用內(nèi)存映射mmap()[3]方式截取視頻幀，即先使用ioctl()函數(shù)獲得攝像頭存儲(chǔ)緩沖區(qū)的幀信息，之后修改video_mmap中的設(shè)置，接著使用mmap()把攝像頭對(duì)應(yīng)設(shè)備文件映射到內(nèi)存區(qū)，完成視頻采集。
?。?）視頻編碼
設(shè)計(jì)采用OMAP5912的DSP核進(jìn)行視頻編碼，能充分發(fā)揮OMAP5912的雙核優(yōu)勢(shì)。在編碼器的選擇上，考慮到H.264和以前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（如H.263和MPEG-4）相比，在壓縮性能上有較大的提高，本設(shè)計(jì)選擇適合嵌入式系統(tǒng)的x264-20060612版本H.264編碼器?？紤]到監(jiān)控視頻場(chǎng)景的特點(diǎn)，選擇如下編碼方案：
?、貶.264的baseline，不采用B幀編碼和CABAC；
②搜索范圍選取16；
?、哿炕瘏?shù)選取32；
④1/2像素插值；
?、葜皇褂?個(gè)參考幀；
?、蘧幋aP幀宏塊的時(shí)只采用16×16，16×8，8×16，8×8，Intra16×16五種模式。
H.264編碼器經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化后即可用于本系統(tǒng)，其工作流程如圖3所示。
3）視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸
考慮到B/S模式拓展性好、維護(hù)和升級(jí)容易、安全度較高等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用B/S模式。用戶(hù)只需要在遠(yuǎn)程客戶(hù)機(jī)的網(wǎng)頁(yè)地址欄內(nèi)輸入服務(wù)器的IP地址，通過(guò)瀏覽器就能實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)視頻畫(huà)面。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信程序的設(shè)計(jì)包括服務(wù)端和監(jiān)控端的設(shè)計(jì)，其中監(jiān)控端采用通用的IE瀏覽器即可，主要是服務(wù)器部分的設(shè)計(jì)，包括構(gòu)建WEB服務(wù)器[4]（主要涉及BOA Web Server的移植及配置， CGI腳本的創(chuàng)建）、C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）、實(shí)現(xiàn)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)和制作簡(jiǎn)單網(wǎng)頁(yè)等。其中，CGI為WEB服務(wù)器和應(yīng)用程序的接口，如通過(guò)CGI程序?qū)h(yuǎn)程設(shè)備的進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；采用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)MSQL用于存取系統(tǒng)的重要信息，如用戶(hù)的帳號(hào)、密碼，攝像頭參數(shù)等。采用B/S模式后，服務(wù)器和監(jiān)控端的通信程序結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
圖4 服務(wù)器和監(jiān)控端的通信程序結(jié)構(gòu)圖
嵌入式WEB服務(wù)器部分程序如下。
系統(tǒng)充分發(fā)揮了OMAP5912的雙核優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了視頻實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、編碼及網(wǎng)絡(luò)傳輸。視頻監(jiān)控用戶(hù)界面效果圖如圖5所示。
結(jié)語(yǔ)
設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于OMAP5912的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)充分發(fā)揮了OMAP5912的雙核優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器端進(jìn)行視頻的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、編碼及網(wǎng)絡(luò)傳輸，而監(jiān)控端的PC機(jī)可以通過(guò)IE瀏覽器查看監(jiān)測(cè)點(diǎn)的視頻，也可以設(shè)置視頻的分辨率、亮度、對(duì)比度等參數(shù)。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，視頻流暢，能夠滿(mǎn)足遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的要求。