基于Linux及S3C2440A的嵌入式远程视频监控系统的设计

吴 健，赵建军，朱继珍

(昆明理工大学 理学院，云南 昆明 650500)

随着网络、通信和数字信息技术的不断发展，监控系统的组成模式也在快速变化和发展中，当前网络技术与嵌入式系统技术的结合催生了全新的基于嵌入式Web服务器的监控系统。与传统的视频采集监控系统相比，它具有可靠性高、组网方便、可远程监控等优点，因而更适用于机要部门、工厂、市场、交通运输的安防监控系统中[1]。

本文介绍了一种以S3C2440A开发板为基础的嵌入式远程监控系统的实现，该系统基于嵌入式Web服务器技术，在嵌入式硬件平台和Linux操作系统下进行。采用ov511芯片的网眼300CMOS摄像头进行数字图像采集，利用JPEG图像压缩编码方式，进行视频图像入侵检测，可以直接在以太网上解码显示。

1 视频监控系统总体设计

1.1 系统总体结构

硬件系统是嵌入式系统的核心，它是承载软件的实体，软件通过它来控制各种接口。本系统中硬件的总体构架包括系统存储器、外围接口电路、电源及复位电路等几个部分。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

1.2 S3C2440A处理器概述

本系统使用的微处理器是三星公司生产的S3C2440A芯片，该芯片采用ARM公司的ARM920T的32 bit CPU核，并集成了ARM结构的MMU单元，各有16 KB的指令缓存和数据缓存，最大寻址空间为1 GB，主频为400 MHz(最 高 可 达 533 Hz)。

S3C2440A提供了丰富的片内资源：64 MB SDRAM、256 MB NandFlash、2 MB 的 NOR Flash、LCD 控 制 器(STN/TFT)、DM9000E型网卡、4通道的 DMA、3通道的异步串口(UART)、两通道的高速同步串行口(SPI)、4通道的带脉宽调制的PWM定时器和1通道内部定时器/看门狗定时器、双端口的USB(主机)、1端口的 USB(设备)、8通道 10 bit ADC、触摸屏接口、锁相环(PLL)片上时钟发生器、通用I/O端口、相机接口、SD卡和MMC卡接口。其支持各种型号的ROM引导 (Nor/NandFlash，EEPROM或其他)，1.2 V内核供电，1.8 V/2.5 V/3.3 V存储器供电，3.3 V外部I/O供电，具备16 KB的I-Cache和16 KB D Cache/MMU微处理器。

2 系统软件开发平台的建立

本系统使用Linux操作系统，编译环境采用交叉编译调试方式。内核采用Linux 2.6.30.4版本，使用Cramfs根文件系统。

2.1 嵌入式交叉编译环境搭建

在裁剪和定制嵌入式Linux之前，必须先建立起编译环境。由于一般的嵌入式开发系统的存储空间有限，因此通常使用交叉编译环境。简单地说，交叉编译就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码，即在宿主机(PC机)安装开发工具，编辑、编译开发板上的引导程序(Bootloader)、内核和根文件系统，使其能在开发板上运行。本系统使用的编译系统为arm-linux-gcc-3.4.1版本。

2.2 Linux系统的移植

从网上下载标准的Linux-2.6.30.4版本内核，使用解压命令 #tra xvfj linux2.6.30.4tra.bz-C/opt/EmbedSky/，然后解压到PC的“opt/EmbedSky”目录下。由于系统还不支持ARM，因此必须在系统中添加对ARM的支持，进入内核源码， 修改 “Makefile” 文件， 将 “ARCH？=(SUBARCH)”修改为“ARCH=arm”，将“CROSS_COMPILE？=”修改为“CROSS_COMPILE=arm_linux_”，进行保存。在配置单中导入对内核的默认配置，再在此基础上选择需要的功能，如 Nand Flash、Video4Linux编程接口函数，MTD设备、USB设备的支持及Cramfs文件系统的支持。再使用Cramfs制作工具mkcramfs把根文件目录制作成映像文件，最后安装DM9000E芯片网卡的驱动程序，即完成了系统移植。

3 视频数据处理模块设计

3.1 基于V4L的视频采集设计

Linux对于视频数据采集设备的支持是通过Video4Linux(V4L)来实现的。V4L是在Linux下用于视频和音频数据的API接口，它为视频设备的应用程序提供了一系列的接口函数。这些视频设备包括市场上常见的电视捕获卡和USB接口的摄像头等[2]。

在编写图像采集程序时，根据需要定义一个结构体来保存采集过程中需要的各种参数。该结构体如下：

图2 视频采集流程图

从上面的结构体可以看出，想要完成视频数据的采集，首先要获得对应视频采集设备的信息和图像的信息，同时需要对采集的窗口、颜色模式和帧的状态进行初始化，然后才能进行视频图像的采集。视频采集流程如图2所示。

下面对V4L编程中使用的函数进行简单的介绍。

(1)打开视频设备，调用函数 int v4l_open(char*dev，v4l_device*vd)；函数调用成功后，返回的文件描述就代表了所捕获的设备硬件。

下面的几步都会用到ioctl()函数来和设备进行“对话”，ioctl是 input output control的缩写，函数原型是 int ioctl(int fd，ind cmd，…)。其中，fd表示设备的文件描述，cmd表示用于程序对设备的控制命令，省略号一般是一个类型的参数，也可省略。

(2)读取设备信息。用ioctl()函数读取struct video_capability中有关摄像头的信息。该函数成功返回后，将结果存放到vd-＞capability中。程序如下：

(3)读取视频信息。同样使用 ioctl()函数，从 struct video_picture中读取视频信息，函数成功返回后，将结果存放在vd-＞picture中。调用的函数如下：

(4)视频图像截取。有两种方法截取视频图像：直接读取设备(read())和内存映射方式(mmap())。本系统采用内存映射方式，mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现内存共享。将普通文件映射到进程的地址空间中，进程就可以像访问普通内存一样访问文件，无需再调用 read()、write()等操作。所调用的 mmap代码如下：

执行完mmap之后，便可以进行真正的图像采集，需要调用两次iotcl()函数，命令代码是 VIDIOCMCAPTURE和VIDIOCSYNC。VIDIOCMCAPTURE的作用是告知ioctl()将图像数据采集到mmap所映射的内存中。如果调用成功，就开始一帧图像的截取，VIDIOCSYNC用来判断这一帧的截取的否成功，若成功，就表明这一帧的截取已完成，可以开始下一帧的截取。本系统采用连续帧采集方式，具体的代码就不在这赘述了[3]。

3.2 视频数据压缩

在获得视频数据后，由于原始的图像数据量较大，网络带宽有限，需要在网络传输前进行压缩。本系统由于硬件条件的限制，为了达到远程视频监控的效果，采用基于MJPEG算法进行视频压缩。其主要特点是动态使用JPEG算法，基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行JPEG压缩，配合嵌入式Web服务器，采用基于Socket的编程，实现了面向用户端的视频监控[4]。

对于Linux下的JPEG图像数据压缩，可以使用Libjpeg库实现。Libjpeg是Linux下的一个标准而常用的库，它的功能是将图片以一定的压缩比率压缩成如JPEG格式的图片，或者对JPEG图片进行解压缩以及其他一些对JPEG图片进行处理的功能。Libjpeg的主要文件有jpeglib.h、libjpeg.a和libjpeg.so等。可以去网上下载Libjpeg的源码，取得文件 jpegsrc.v6b.tar.gz，放于/usr/src目录下。依次执行：

执行完上述命令后，jpeglib.h被拷到/usr/include目录下，libjpeg.a和 libjpeg.so被拷到/usr/local/lib目录下，至此，Libjpeg库的安装配置完成。

3.3 视频图像的入侵检测

视频序列检测是为了能够实现在监控过程中的自动报警。报警系统是视频监控系统中不可或缺的一部分。在数字视频监控系统中，图像序列的运动检测及报警不仅可以自行替代监视人员的部分工作，提高监视系统的自动化水平，而且还可以提高监控存储效率。

本视频监控系统主要是对视频是否有入侵对象进行分析检测，一旦画面上出现超过阈值的变化就会自动报警。

运动目标检测的方法主要可以分为帧差法、流光法和背景差法三种。本系统使用背景差法，因为视频监控系统主要使用规定的摄像机对场景进行监控，场景固定。背景差法的基本思想是通过输入图像与背景模型进行比较的方法检测运动目标[5]。

本文结合视频监控系统发展的方向，给出了一种基于嵌入式ARM的视频监控系统设计方案，并给出了系统的实现方法。本系统采用了基于模块的设计方法，各个模块之间相互独立，增强了系统的健壮性和灵活性，当需要更换其中一个模块时，其他模块并不需要进行很大的改动，有利于系统的更新换代。

[1]于明，范书瑞，普祥烨.ARM9嵌入式系统设计与开发教程[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2]张晓东，李秀娟，张杰.基于ARM的嵌入式远程监控系统设计[J].现代电子技术，2008，31(6)：22-23.

[3]杨颖，陈之龙，黄志.基于 USB摄像头的嵌入式远程视频监控系统[J].安防科技，2007(3)：24-26.

[4]苏日建，宋胜利.嵌入式图像采集系统的JPEG算法改进[J].重庆工学院学报，2006，20(11)：75-76.

[5]付思华，张小虎.基于序列图像的运动目标实时检测方法[J].光学技术，2004，30(2)：215-217.