基于arm的視頻采集系統(tǒng)本科論文

基于ARM的視頻采集系統(tǒng)目錄一設(shè)計(jì)要求 2二設(shè)計(jì)作用與目的 2三所用設(shè)備及軟件 2四系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 34.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 34.2系統(tǒng)工作原理 3五系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 35.1整體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 35.2個(gè)單元電路設(shè)計(jì) 45.2.1S3C4510主控器模塊 45.2.2外圍電路模塊 6六系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 86.1主程序流程設(shè)計(jì) 86.2攝像頭驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 96.3圖像采集模塊的設(shè)計(jì) 96.4JPEG圖像壓縮模塊的設(shè)計(jì) 106.5嵌入式WEB服務(wù)器設(shè)計(jì) 116.6網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì) 11七仿真調(diào)試 12八設(shè)計(jì)中的問(wèn)題與方法 12九嵌入式系統(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(hào)為1路AV視頻信號(hào)，要求系統(tǒng)能對(duì)1路輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、數(shù)字化處理、壓縮、存儲(chǔ)，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(hào)、視頻采集芯片型號(hào)，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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。綜合利用圖像傳感器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)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(duì)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(duì)其進(jìn)行壓縮、分析、存儲(chǔ)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且符合當(dāng)前信息社會(huì)中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)，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)定性好等特點(diǎn)在社會(huì)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(tái)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。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(duì)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(tái)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，圖像的接收解包和回放將在客戶端完成。采集圖像采集圖像數(shù)據(jù)壓縮打包發(fā)送接收回放圖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(chǎng)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(chǎng)的攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像的采集，并把采集的圖像通過(guò)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(chǎng)攝像頭采集圖像資料后送給視頻服務(wù)器后，其對(duì)傳送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行JPEG壓縮編碼，并對(duì)編碼后的圖像通過(guò)internet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(guò)WEB來(lái)觀看現(xiàn)場(chǎng)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)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(chǔ)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SDRAMSDRAMNANDflash串口JTAG口攝像頭S3C4510(主控芯片)網(wǎng)口電源復(fù)位電路圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖5.2個(gè)單元電路設(shè)計(jì)5.2.1S3C4510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ARM7TDMIRISC處理器核，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，最適合用于對(duì)價(jià)格及功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。S3C4510B的引腳分布圖與結(jié)構(gòu)圖如圖3，圖4所示圖3S3C4510B的引腳分布圖圖4S3C4510B結(jié)構(gòu)圖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電源電路圖7JTAG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(dòng)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(dòng)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(xiě)提供底層系統(tǒng)的編程接口。圖像采集程序使用驅(qū)動(dòng)程序提供的編程接口獲取攝像頭采集來(lái)的圖像信息并進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)。JPEG壓縮模塊的功能是完成對(duì)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(wèn)題。WEB服務(wù)器通過(guò)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8。圖8系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)圖6.2攝像頭驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)圖像的采集是利用數(shù)字?jǐn)z像頭實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)USB串行總線和S3C4510相連，因此驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)主要是對(duì)Linux系統(tǒng)下USB驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)難度比較大。既要涉及圖像采集芯片的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，還要涉及USB的驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)。我們可以根據(jù)自己的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)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)動(dòng)程序，下層構(gòu)成則是影音設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。這里我們用到的是V4L的上層驅(qū)動(dòng)程序，即V4L本身所提供給程序開(kāi)發(fā)人員的一組應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)接口Video4linux視頻圖像采集流程如圖9所示。圖9視頻采集流程圖6.4JPEG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(huì)知道，在存圖像格式時(shí)有個(gè)分級(jí)壓縮，共分為11級(jí)壓縮，就是最小壓縮比的10級(jí)壓縮，壓縮比例也可以到5：1，在壓縮比例最大的0級(jí)壓縮可以達(dá)到40:1。通常我們選用的8級(jí)壓縮壓縮比達(dá)到24：1，這個(gè)比例壓縮出來(lái)的圖片我們?nèi)庋蹘缀醴直娌怀龊驮瓐D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10JPEG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(wèn)的接口，可以直接使用文件系統(tǒng)提供的讀寫(xiě)接口訪問(wèn)嵌入式WEB資源文件，解決了專門設(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(dòng)態(tài)CGI技術(shù)，源代碼開(kāi)放，功能強(qiáng)大。6.6網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)對(duì)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Internet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)。現(xiàn)在我們?cè)诰W(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(duì)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(guò)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(lái)說(shuō)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(duì)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(huì)越來(lái)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(kāi)發(fā)板之間連接好電源、串口、網(wǎng)線。采用NFS方式啟動(dòng)根文件系統(tǒng)，打開(kāi)電源，啟動(dòng)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(guò)tftp服務(wù)器下載到開(kāi)發(fā)板內(nèi)存31000000地址處：tftp31000000uimage，這樣內(nèi)核從此啟動(dòng)：bootm31000000。連接USB攝像頭，當(dāng)系統(tǒng)起來(lái)時(shí)，在開(kāi)發(fā)板連接USB攝像頭，出現(xiàn)如下信息:"NewUSBdevicefound，”等信息，表明USB攝像頭已經(jīng)成功加載了驅(qū)動(dòng)八設(shè)計(jì)中的問(wèn)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(wèn)題需要后續(xù)工作來(lái)解決：1、壓縮算法的研究，本系統(tǒng)采用JPGE壓縮算法，相對(duì)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(shì)比較明顯。2、動(dòng)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一般都是動(dòng)態(tài)ip，本系統(tǒng)如果加入動(dòng)態(tài)ip解析后應(yīng)用的范圍將會(huì)大大增加，由于無(wú)線上網(wǎng)也是采用的動(dòng)態(tài)ip，加入動(dòng)態(tài)ip解析后對(duì)與無(wú)線視頻服務(wù)器的開(kāi)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(guò)本次課程設(shè)計(jì)，使我加強(qiáng)了對(duì)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(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，使我對(duì)《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(duì)所學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣；提高了我的動(dòng)手能力以及檢索資料的能力。對(duì)