基于arm的視頻采集系統(tǒng)

1、基于 ARM 的視頻采集系統(tǒng) 目錄 一 設(shè)計(jì)要求 1 二 設(shè)計(jì)作用與目的 1. 三 所用設(shè)備及軟件 1. 四 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2. 4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2. 4.2 系統(tǒng)工作原理 2 五 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2. 5.1 整體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2. 5.2 個(gè)單元電路設(shè)計(jì) 3. 5.2.1 S3C4510主控器模塊 3. 5 .2 . 2外圍電路模塊 5. 六 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 7. 6.1 主程序流程設(shè)計(jì) 7. 6.2 攝像頭驅(qū)動程序設(shè)計(jì) 8. 6.3 圖像采集模塊的設(shè)計(jì) 8. 6.4 JPEG圖像壓縮模塊的設(shè)計(jì)9. 6.5 嵌入式 WEB 服務(wù)器設(shè)計(jì) 1.0. 6.6 網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì) 1.0. 七 仿真

2、調(diào)試 1.1. 八 設(shè)計(jì)中的問題與方法 1.1. 九 嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)心得 0. 十 參考文獻(xiàn) 0 基于 ARM 的視頻采集系統(tǒng) 一 設(shè)計(jì)要求 輸入信號為1路AV視頻信號，要求系統(tǒng)能對1路輸入信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、數(shù)字化處 理、壓縮、存儲，要保證一定的錄像質(zhì)量。根據(jù)設(shè)計(jì)題目的要求，選擇確定 ARM 芯片型 號、視頻采集芯片型號，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。其中包括視頻采集整體設(shè)計(jì)，系 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等幾大主體部分，從而完成整個(gè)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 二 設(shè)計(jì)作用與目的 數(shù)字視頻采集系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)為中心、視頻處理技術(shù)為基礎(chǔ)，是符合圖 像數(shù)據(jù)壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)。綜合利用圖像傳感器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

3、、自動控制和人工智能等技術(shù) 的一種新型監(jiān)控系統(tǒng)。由于數(shù)字視頻采集系統(tǒng)對視頻圖像進(jìn)行了數(shù)字化，所以與傳統(tǒng)的模 擬視頻采集系統(tǒng)相比，數(shù)字采集系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字化的視頻系統(tǒng)可以充分利用計(jì)算 機(jī)的快速處理能力，對其進(jìn)行壓縮、分析、存儲和顯示。數(shù)字化視頻處理技術(shù)提高了圖像 的質(zhì)量與監(jiān)控效率， 使系統(tǒng)易于管理和維護(hù)。 整個(gè)系統(tǒng)是模塊化結(jié)構(gòu)， 體積小， 易于安裝、 使用和維護(hù)。正是由于數(shù)字視頻采集技術(shù)具有傳統(tǒng)模擬采集技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且符 合當(dāng)前信息社會中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢，所以數(shù)字視頻采集技術(shù)正在逐步 取代模擬采集技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。嵌入式系統(tǒng)以體積小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、性價(jià)比高、 穩(wěn)

4、定性好等特點(diǎn)在社會的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。 三 所用設(shè)備及軟件 攝像頭，S3C4510平臺及其之上運(yùn)行的采集、壓縮、傳輸程序。PC機(jī)及其之上的接收 解壓回放程序 。 Linux 軟件開發(fā)平臺。 四系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 首先需要對系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃，將系統(tǒng)劃分成幾個(gè)功能模塊，確定各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方 法。整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用 C/S結(jié)構(gòu)，從主體上分為兩部分：服務(wù)器端和客戶端。服務(wù)器 端主要包括S3C4510平臺上運(yùn)行的采集、壓縮、傳輸程序，客戶端的接收、解壓、回放程 序的接收、解壓、回放程序以太網(wǎng)傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控服務(wù)器上。如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖 1）所示, 視頻圖像采集和打包發(fā)送在服務(wù)器端完成

5、，圖像的接收解包和回放將在客戶端完成。 圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 4.2系統(tǒng)工作原理 整個(gè)系統(tǒng)由現(xiàn)場攝像頭，嵌入式視頻服務(wù)器，客戶端三大主體部分組成。先由現(xiàn)場的 攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像的采集，并把采集的圖像通過內(nèi)部總線傳輸給嵌入式視頻服務(wù)器，嵌入式 視頻服務(wù)器是一個(gè)由S3C4510處理器，圖片壓縮，WEB服務(wù)器和Linux操作系統(tǒng)組成的 綜合嵌入式系統(tǒng)，當(dāng)現(xiàn)場攝像頭采集圖像資料后送給視頻服務(wù)器后，其對傳送來的信號進(jìn) 行JPEG壓縮編碼，并對編碼后的圖像通過in ternet進(jìn)行傳輸。然后客戶端再進(jìn)行圖像的接 收和解壓，從而用戶可以通過 WEB來觀看現(xiàn)場攝像頭采集的圖像實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻采集與監(jiān) 控。 五系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

6、5.1整體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，主要包括以下幾個(gè)模塊：主控制器模塊、儲存電路模塊、 外圍接口電路模塊、電源和復(fù)位電路，如圖 2所示 圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 5.2個(gè)單元電路設(shè)計(jì) 5.2.1 S3C4510主控器模塊 主控器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，采用的S3C4510B處理器。Samsung公司的S3C4510B 是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價(jià)比 16/32位RISC微控制器，內(nèi)含一個(gè)由ARM公司設(shè)計(jì) 的16/32位ARM7TDMI RISC 處理器核，ARM7TDMI為低功耗、高性能的 16/32核，最 適合用于對價(jià)格及功耗敏感的應(yīng)用場合。 S3C4510B的引腳分布圖與結(jié)構(gòu)圖如圖 3

7、,圖4 所示 14 S9 星 nsff 富E一哼目 As 8 Ass 45g Q9 雖 壷 Mor ass *si4 低基性 nV 4Jh AA-H4I 蟲 ”c町c 4 OA .1 1 1 JI -1 1 30 r - 5 4 3 -? D i i, 3 噩謐盟融監(jiān)盂曙盤註噩牆I需湖剜掘器I牆liKSxis E51IRH樂 KKMtMMm S3C4510B 208-QFP 晶琴僅忌筑iS關(guān)世爼十二亡匸二ZE上已E*転富#石圭;iMN耳童盂常繼也囂#學(xué)嚳倉旦豈 =SM冒冒冒巨亙MB巨巨=11 V113 皿 hiuMJnil LUllflll nUMJil HUIIU 砒M nHISA 1ILM

8、 mcru WM) VST$x. 一巧 u- AiE u- AwiusE u u 2 .5C- u * Ay-=- u -$d u i T I u 99 o- NE o盍 u i UCMQaM-5s u uuilLJ u牘宀憧肓 M 1;仍晶 u 啟wr.ua Mu JQu u 一蛋-p u AJ.e u 山iAD* nu-曳wui u - u豐 u 315 u :毛上 uE-c di J尊二 nu- u m u 2 V Q uEtJI u- of u 圖3 S3C4510B的引腳分布圖 】眇1/0包赭t 4亍外部中斷請茨 H定時(shí)器涼出 外部 DllA-.ftTl 外詐細(xì)A蟲菩 18個(gè)誦用/)

9、 AEJITim 3旳 RISC CPU CPU 按口 ICE 豳 卜.!. SRAM FLASH 84byte -體化 Carhe 檸制的 4-Word 中斷猊劃晉 UART C 1 覽住定時(shí)H 0.1 MKM 1 用干JT輛nTAP腔制BE 2 通 ilHDLC 帯DKA BDHA RAJt 沖( 256TT) 沖( 256TT) CAM ( 12BT節(jié) Tx FIFO (旳至節(jié)1 Ih: FIFO (訪宇節(jié)) 以木聘控制器 2iillBDNA J 圖4S3C4510B結(jié)構(gòu)圖 勺堆 L5UJI 外部 1/04 遠(yuǎn)繪瑞口 蟲* B 5.2.2外圍電路模塊 外圍電路主要是以下幾個(gè)電路，復(fù)位電路

10、圖，電源電路圖以及JTAG電路，如圖5, 6, 7所示 圖5復(fù)位電路 圖6 電源電路 JTAG 1 CON vcffyo T 10k adddddd 2 1 J 3 6 5 8 10 9 u IL 1-1 13 CON2 Drc r c .-o TDI TMS TCK TDO iiTRST TDI TMS TCK / TOO 圖7 JTAG電路 六系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 6.1主程序流程設(shè)計(jì) 本嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件由攝像頭驅(qū)動模塊，圖像采集模塊，JPEG圖像壓縮 模塊，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，嵌入式 WEB服務(wù)器組成。攝像頭驅(qū)動模塊的作用是使得攝像 頭在Linux操作系統(tǒng)下可以正常工作，為應(yīng)用程序的編寫提

11、供底層系統(tǒng)的編程接口。圖像 采集程序使用驅(qū)動程序提供的編程接口獲取攝像頭采集來的圖像信息并進(jìn)行暫時(shí)存儲。 JPEG壓縮模塊的功能是完成對采集到的原始圖像信息進(jìn)行編碼處理，使得圖像達(dá)到 最小化，清晰化，為網(wǎng)絡(luò)傳輸解決帶寬不足的問題。WEB服務(wù)器通過HTTP協(xié)議與遠(yuǎn)程 監(jiān)控計(jì)算機(jī)端的瀏覽器進(jìn)行信息交流，它提供了應(yīng)用程序模塊的編程接口以及視頻監(jiān)控的 界面。嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 & 網(wǎng)絡(luò)傳輸 搗像機(jī)圖像采羞模塊 J1WG圖像爪縮枕塊 唳入式服務(wù)器 卡 應(yīng)用和.序接口 CG1 安全 網(wǎng)貞瀏覽器 攝像機(jī)眾動程序模塊 圖8系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)圖 6.2攝像頭驅(qū)動程序設(shè)計(jì) 圖像的采集是利用數(shù)字?jǐn)z像頭實(shí)

12、現(xiàn)的，通過USB串行總線和S3C4510相連，因此驅(qū) 動程序的開發(fā)主要是對 Linux系統(tǒng)下USB驅(qū)動程序的開發(fā)難度比較大。既要涉及圖像采 集芯片的驅(qū)動開發(fā)，還要涉及USB的驅(qū)動的開發(fā)。我們可以根據(jù)自己的系統(tǒng)開發(fā)平臺進(jìn) 行相應(yīng)移植，重新配置編譯內(nèi)核等操作可以實(shí)現(xiàn)將驅(qū)動程序集成到Linux內(nèi)核中。 6.3圖像采集模塊的設(shè)計(jì) Video4linux的簡稱是V4L，是Linux系統(tǒng)中的影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 它是Linux內(nèi)核里免支持影像設(shè)備的一組應(yīng)用程序的接口，配合恰當(dāng)?shù)囊曨l采集工具與視 頻采集工具的驅(qū)動程序，V4L可以實(shí)現(xiàn)視頻圖像的采集的功能，V4L為二層式結(jié)構(gòu)，上 層為V4L的驅(qū)

13、動程序，下層構(gòu)成則是影音設(shè)備的驅(qū)動程序。這里我們用到的是V4L的上 層驅(qū)動程序，即V4L本身所提供給程序開發(fā)人員的一組應(yīng)用程序開發(fā)接口Video4linux視 頻圖像采集流程如圖9所示。 開始 視頻設(shè)備開啟 獲取設(shè)備信息和圖像信息 初始化采集窗14顏色模幀狀態(tài) 捕捉視頻數(shù)據(jù) 關(guān)閉視頻設(shè)備 是沓終止視頻抄 圖像數(shù)據(jù)處理 結(jié)束 圖9視頻采集流程圖 6.4 JPEG圖像壓縮模塊的設(shè)計(jì) JPEG是目前網(wǎng)絡(luò)最流行的壓縮格式，可以把圖像壓縮到最小的圖像格式，經(jīng)常用 potshot的人會知道，在存圖像格式時(shí)有個(gè)分級壓縮，共分為 11級壓縮，就是最小壓縮比 的10級壓縮，壓縮比例也可以到 5: 1,在壓縮比例

14、最大的0級壓縮可以達(dá)到40:1。 通常我們選用的8級壓縮壓縮比達(dá)到24： 1，這個(gè)比例壓縮出來的圖片我們?nèi)庋蹘缀?分辨不出和原圖的差距，雖然數(shù)據(jù)量大大的減少，但是圖像我們看不出有任何的變化。接 收到圖像數(shù)據(jù)后進(jìn)行JPEG壓縮再進(jìn)行相關(guān)處理。 圖10 JPEG編碼流程圖 6.5嵌入式 WEB服務(wù)器設(shè)計(jì) 嵌入式WEB服務(wù)器一般由五個(gè)主要模塊組成：嵌入式 HTTP引擎，安全模塊，應(yīng)用 程序接口，文件系統(tǒng)和配置模塊由于本嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng)選用ARMlin嵌入 式操作系統(tǒng)，它的文件系統(tǒng)比較成熟，提供了可以使文件訪問的接口，可以直接使用文件 系統(tǒng)提供的讀寫接口訪問嵌入式 WEB資源文件，解決了專

15、門設(shè)計(jì)文件系統(tǒng)的麻煩。本系 統(tǒng)中嵌入式服務(wù)器選用適合嵌入式系統(tǒng)的 Boa服務(wù)器，它是單任務(wù)的嵌入式HTTP服務(wù)器， 它占用內(nèi)存小，另外支持動態(tài) CGI技術(shù)，源代碼開放，功能強(qiáng)大。 6.6網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì) 對于網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的情況，要想實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中視頻傳輸流暢的最好方法 是采用流媒體傳輸技術(shù)。流媒體是一種可以使音頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和其它多媒體數(shù)據(jù) 能在In ternet上以實(shí)時(shí)的、不需要下載等待的方式便可以播放的技術(shù)?，F(xiàn)在我們在網(wǎng)上看 的視頻的技術(shù)都是流媒體技術(shù)。因?yàn)槟壳暗木W(wǎng)絡(luò)帶寬還不足以承擔(dān)相對比較龐大的網(wǎng)絡(luò)多 媒體，音視頻等多媒體信息必須要經(jīng)過預(yù)先的處理才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的傳輸。傳輸之前的預(yù)處 理工

16、作主要包括兩個(gè)方面：一是需要降低數(shù)據(jù)的流量；二是采用目前比較先進(jìn)的高效的壓縮 算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的壓縮。流媒體是在目前來說是一種比較新的媒體格式，應(yīng)用前景非常廣泛。 視頻監(jiān)控系統(tǒng)對傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求比較高，因此流媒體技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)視頻采集系統(tǒng)中的應(yīng)用 也會越來越廣泛。本次設(shè)計(jì)用到的流媒體傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議是實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)，實(shí)時(shí)傳輸 控制協(xié)議 (RTCP)。 七 仿真調(diào)試 在 PC 機(jī)和開發(fā)板之間連接好電源、串口、網(wǎng)線。采用 NFS 方式啟動根文件系統(tǒng)，打 開電源，啟動u-boot，配置環(huán)境變量，ping通虛擬機(jī)，把制作好的內(nèi)核通過tftp服務(wù)器下 載到開發(fā)板內(nèi)存 31000000地址處：tftp 31

17、000000 uimage,這樣內(nèi)核從此啟動： bootm 31000000。連接USB攝像頭，當(dāng)系統(tǒng)起來時(shí)，在開發(fā)板連接USB攝像頭，出現(xiàn)如下信息：New USB device fou nd,”等信息，表明USB攝像頭已經(jīng)成功加載了驅(qū)動 八 設(shè)計(jì)中的問題與方法 本設(shè)計(jì)雖然實(shí)現(xiàn)了嵌入式視頻服務(wù)器的功能，但是還存在不少的問題需要后續(xù)工作來 解決： 1、壓縮算法的研究，本系統(tǒng)采用JPGE壓縮算法，相對目前比較流行的H.264和MPGE4 壓縮算法，還有很大的差距，在遠(yuǎn)程視頻傳輸時(shí)采用上述兩種壓縮算法優(yōu)勢比較明顯。 2、動態(tài) ip 地址的解析，由于目前用戶大多采用家庭寬帶上網(wǎng)，而寬帶上網(wǎng)的 ip 一

18、 般都是動態(tài)ip，本系統(tǒng)如果加入動態(tài)ip解析后應(yīng)用的范圍將會大大增加，由于無線上網(wǎng) 也是采用的動態(tài)ip，加入動態(tài)ip解析后對與無線視頻服務(wù)器的開發(fā)也是必須要做的工 作。 九 嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)心得 通過本次課程設(shè)計(jì)，使我加強(qiáng)了對 ARM 的掌握和理解，鞏固了我在嵌入式系統(tǒng)及 應(yīng)用課程中所學(xué)的基本理論知識和實(shí)驗(yàn)技能，使我對嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程有了更 深入的了解，進(jìn)一步激發(fā)了我對所學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣；提高了我的動手能力以及檢索資料 的能力。對于以后的學(xué)習(xí)與工作都是極大的幫助。在設(shè)計(jì)的過程和設(shè)計(jì)說明書的撰寫過程 中，老師和同學(xué)給予了我熱心的幫助和大力的支持，給我提了諸多的寶貴意見，拓寬了我 的思路。 十 參考文獻(xiàn) 1 陳文智 .嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理與實(shí)踐清華大學(xué)出版社， 2005 2 劉富強(qiáng) .數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 2003 3 林艷，陳新.基于TCP八P的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)福建電腦，2005