視頻監(jiān)控程序設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、視頻監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1引言編寫(xiě)目的本文主要說(shuō)明視頻監(jiān)控系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)以及關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。其中，對(duì)每一個(gè)模塊會(huì)有相應(yīng)的文字說(shuō)明以及相關(guān)設(shè)計(jì)流程圖給出。項(xiàng)目背景本項(xiàng)目是對(duì)本實(shí)驗(yàn)課程中所介紹的課程的綜合應(yīng)用。本項(xiàng)目主要針對(duì)unix/linux系統(tǒng)編程和基于C+語(yǔ)言的GUI程序設(shè)計(jì)-QT進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練。旨在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)unix/linux系統(tǒng)編程的理解和應(yīng)用，提高學(xué)生的實(shí)踐能力、編程能力以及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。并且通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)中客戶端的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生體會(huì)和熟悉面向?qū)ο缶幊痰乃枷牒鸵话惴椒ā６x本系統(tǒng)=視頻監(jiān)控系統(tǒng)本文=視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)

2、明書(shū)2總體設(shè)計(jì)需求概述本系統(tǒng)是基于C/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要由負(fù)責(zé)圖形采集和傳輸?shù)腟erver端和負(fù)責(zé)監(jiān)控（顯示圖像）的Client端構(gòu)成。本系統(tǒng)Server端是基于Linux系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類(lèi)軟件，主要由數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集部分利用v4l2（videoforlinuxII）對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行控制和訪問(wèn)并且獲取由攝像頭捕獲到的視頻數(shù)據(jù)，然后再由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部分將獲取到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝成http幀并利用http協(xié)議發(fā)送到客戶端。由于本系統(tǒng)Server端的數(shù)據(jù)發(fā)送是基于http協(xié)議的，所以本系統(tǒng)客戶端沒(méi)有平臺(tái)限制，只要支持以上的平臺(tái)就可以訪問(wèn)本系統(tǒng)的服務(wù)。而且，本系統(tǒng)服務(wù)可以直

3、接通過(guò)web瀏覽器訪問(wèn)（對(duì)firefox瀏覽器支持最佳）。為了提高傳輸效率我們還需要進(jìn)行客戶端軟件的開(kāi)發(fā)，由于對(duì)客戶端沒(méi)有平臺(tái)要求，所在Windows、Linux、Android、等平臺(tái)都可以實(shí)現(xiàn)。本文主將以linux為例用Qt實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)易的客戶端軟件。軟件結(jié)構(gòu)serverclientdatacapturevideoservicedevicdconfigcreateservergetdatawaitconnectmovedatadatatransfer圖視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3程序描述Server:數(shù)據(jù)采集功能配置設(shè)備并從設(shè)備中獲取圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)備信息利用v4I2(videoforlinuxII

4、)通過(guò)ioctl對(duì)USB攝像頭進(jìn)行配置，打開(kāi)設(shè)備抓取功能開(kāi)始采集并轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)，采集完畢以后關(guān)閉設(shè)備功能，最后關(guān)閉設(shè)備。技術(shù)概要本模塊涉及到大量的對(duì)于設(shè)備的I/O操作，主要通過(guò)videoforlinuxII(v4l2)框架對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置和控制。其中包括一些特殊的結(jié)構(gòu)體屬性的賦值以及一些特殊控制標(biāo)記的實(shí)際意義需要詳細(xì)查閱V4I2提供的AP。程序邏輯本節(jié)主要以流程圖的方式介紹Server端數(shù)據(jù)采集模塊的主要程序邏輯設(shè)計(jì)。開(kāi)始開(kāi)始end圖Server端數(shù)據(jù)采集流程圖圖主要描述了服務(wù)端數(shù)據(jù)采集部分的主要流程和編程步驟。下面將對(duì)每一個(gè)步驟進(jìn)行詳細(xì)的介紹：1打開(kāi)設(shè)備：打開(kāi)視頻設(shè)備（這里指我們的USB攝像頭）。

5、利用linux系統(tǒng)提供的接口函數(shù)open來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行打開(kāi)的操作。圖對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。2查詢?cè)O(shè)備信息（或者叫獲取設(shè)備信息）：查詢?cè)O(shè)備驅(qū)動(dòng)相關(guān)信息以及和視頻采集相關(guān)的參數(shù)，根據(jù)獲取到的信息初步判斷設(shè)備類(lèi)型以及將要處理的數(shù)據(jù)類(lèi)型。利用ioctl函數(shù)以及v4l2提供的v4l2_capbility和v4l2_format兩個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)保存獲取到的設(shè)備驅(qū)動(dòng)信息和幀信息。詳細(xì)流程見(jiàn)圖。VIDIOC_G_FMT等屬性的含義需查詢V4I2提供的AP。fd=-1、ffd=open()start圖打開(kāi)設(shè)備子圖2structv4l2_capabilitycapstructv4l2formatfmtw1mems

6、et(&cap,0,sizeof(cap);memset(&fmt,0,sizefo(fmt);=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE=V4L2_FIELD_ANYgetinfo:圖獲取設(shè)備信息子圖3. 設(shè)置采集方式設(shè)置視頻設(shè)備（這里指USB攝像頭）的采集方式，例如采集圖像的分辨率，幀的采集速率（既每秒采集幀的數(shù)量）等選項(xiàng)的設(shè)置。用到v4l2中的v4l2_format和v4l2_streamparm兩個(gè)結(jié)構(gòu)體以及VIDIOC_S_PARM口VIDIOC_SFMT兩個(gè)標(biāo)記，相關(guān)介紹請(qǐng)查閱v4l2框架的API信息。實(shí)現(xiàn)步驟詳見(jiàn)圖。/本模塊用到的宏定義#defineWIDTH320

7、structv4l2_formatfmt2#defineHEIGTH240structv4l2_streamparmparm#defineFPS5memset(&parm,0,sizeof(parm);memset(&fmt,0,sizefo(fmt);=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE=V4L2_FIELD_ANY=WIDTH圖設(shè)置采集方式子圖4. 申請(qǐng)緩存向驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)幾塊緩沖區(qū)（此處緩沖區(qū)是由內(nèi)核管理的，所以需要申請(qǐng)），用來(lái)存放設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)。用到v4l2中的v4l2_requestbuffer結(jié)構(gòu)體和VIDIOC_REQBUF標(biāo)記來(lái)向設(shè)備驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)緩沖區(qū)。實(shí)現(xiàn)步驟詳見(jiàn)

8、圖structv4l2_requestbuffer3rb/本模塊用到的宏定義/表示申請(qǐng)緩沖區(qū)的數(shù)量#defineNB_BUFFER5memset(&rb,0,sizeof(rb);=NB_BUFFER=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE=V4L2_MEMORY_MMAPioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&rb)NerrorYreturn4圖申請(qǐng)緩存子圖5. 設(shè)置緩存屬性對(duì)申請(qǐng)到的緩存進(jìn)行設(shè)置，包括設(shè)置緩存的訪問(wèn)方式（使用內(nèi)存映射訪問(wèn)方式），對(duì)緩存進(jìn)行映射，建立緩存隊(duì)列。4structv4l2_bufferbufunsignedchar*mem_listmem_

9、list=(uchar*)calloc(NB_BUFFER,sizeof(uchar);inti=0;圖設(shè)置緩存子圖5.處理數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)設(shè)備設(shè)置VIDIOC_STREAMO和VIDIOC_STREAMOF來(lái)控制設(shè)備開(kāi)始/停止采集數(shù)據(jù)，在設(shè)置開(kāi)始和停止之間通過(guò)對(duì)緩存的輪換讀取獲得設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理（這里的數(shù)據(jù)處理主要做對(duì)圖像壓縮和傳輸兩部分工作會(huì)在后面做詳細(xì)介紹）。通過(guò)利用VIDIOC_QBU和VIDIOC_DQBU兩個(gè)控制位來(lái)對(duì)緩沖隊(duì)列進(jìn)行入/出隊(duì)列的控制，從而獲得設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)。詳見(jiàn)圖。5structv4l2_bufferbufmemset(&buf,0,sizeof(buf);

10、=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE=V4L2_MEMORY_MMAPioctl(fd,VIDIOC_STREAMON,&buf)數(shù)據(jù)處理ioctl(fd,VIDIOC_STREAMON,&buf)Nerror圖數(shù)據(jù)處理子圖Server:數(shù)據(jù)處理功能完成圖像壓縮，建立web服務(wù)供客戶端訪問(wèn)。對(duì)攝像頭采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次huffman編碼把圖片轉(zhuǎn)換成jpeg或者jpg格式（這個(gè)步驟也可以在客戶端完成，但是瀏覽器不支持此種實(shí)現(xiàn)）。建立一個(gè)基于TCP/IP的web服務(wù)器，當(dāng)有客戶端連接本服務(wù)時(shí)利用HTTP協(xié)議發(fā)送轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)技術(shù)概要本模塊主要涉及到對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)的壓縮以及基于C語(yǔ)

11、言的網(wǎng)絡(luò)和多線程的編程。關(guān)于圖像壓縮的部分在本項(xiàng)目中不做研究所以只是簡(jiǎn)單的調(diào)用已有接口。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能以及多任務(wù)的處理功能的實(shí)現(xiàn)都是本項(xiàng)目要涉及到的重要內(nèi)容，這里需要對(duì)基于C語(yǔ)言的TCP編程和多線程編程比較熟悉，可以參考UNIX環(huán)境高級(jí)編程。程序邏輯本模塊的作用實(shí)際是上一個(gè)模塊中的“數(shù)據(jù)處理”部分。由于設(shè)備采集到到的每一幀數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)huffman編碼以后會(huì)變成一張完整的圖片，所以我們?cè)谙旅姘l(fā)送數(shù)據(jù)的部分要做一個(gè)簡(jiǎn)單的封裝，下面分別給出程序流程圖（圖）和數(shù)據(jù)封裝格式（圖）。startYendContent-type:typeContent-length:length空行圖數(shù)據(jù)處理http響應(yīng)頭：

12、boundary幀頭部圖片數(shù)據(jù)boundary幀頭部圖片數(shù)據(jù)boundaryJFContent-type:typeContent-length:lengthi空行圖服務(wù)端幀封裝結(jié)構(gòu)Client:獲取數(shù)據(jù)功能向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，根據(jù)服務(wù)器的響應(yīng)信息接收數(shù)據(jù)并根據(jù)響應(yīng)信息按照一定的格式接收數(shù)據(jù)。與服務(wù)器建立基于TCP的連接，向服務(wù)器發(fā)送http請(qǐng)求，接收服務(wù)器返回的響應(yīng)信息，技術(shù)概要本模塊主要涉及到基于TCP的客戶端編程，關(guān)于各戶端編程的方法比較靈活，在語(yǔ)言框架選擇方面也比較廣泛，像JavaGUIMFC、QT等都可以實(shí)現(xiàn)。在這里我們QT為例來(lái)實(shí)現(xiàn)客戶端程序。程序邏輯這里主要涉及到TCP客戶端編程和對(duì)

13、服務(wù)器數(shù)據(jù)分較程式化有統(tǒng)一的編程步驟和一般流程，數(shù)據(jù)分割需要根據(jù)服務(wù)端數(shù)據(jù)發(fā)送情況的來(lái)確定。絡(luò)編程流程割，TCP客戶端的編程比TCP網(wǎng)絡(luò)編程流程（圖）和數(shù)據(jù)分割步驟（圖圖TCP網(wǎng)ocket()socket。bind()listen()I?從socket中讀取一行onnect()SERVERrecl三次握CLIENTrite()accept()ad()Nite()Yose()ose()start圖客戶端數(shù)據(jù)分割流程Client:顯示功能通過(guò)信號(hào)控制QT控件刷新圖片。我們看到連續(xù)的圖像是由一張一張的單獨(dú)的圖片不斷刷新形成的，所以本模塊主要功能是接收上一模塊的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)后將新的圖像數(shù)據(jù)加載到控件并刷新控件，從而形成連續(xù)的圖像。技術(shù)概要本模塊主要涉及到QT的編程和使用，包括對(duì)一些控件的控制和線程控制由于循環(huán)顯示圖像時(shí)候會(huì)阻塞圖形界面，所以用