嵌入式动态图像监测系统设计与实现

谢发荣，张 力，陈宇星

(昆明理工大学信息工程与自动化学院计算机科学与技术系，昆明 650500)

1 监控系统总体方案

系统主要由图像采集端、嵌入式服务器、服务器端显示、监控终端4部分组成。系统结构如图1所示。图像采集端采用USB摄像头进行现场监控采集，嵌入式服务器移植Boa为Web服务器，用C语言编写CGI程序放在Web服务器上，监控客户端浏览器通过HTTP协议请求CGI网页，Web服务器接收到客户端请求，启动图像采集程序，采集程序可以把采集到的图片直接保存成文件，可以用JPEG压缩处理，也可以把图片显示在服务器端LCD上，同时Web服务器解析CGI网页后给客户端应答，在客户端网页上就能显示动态图像。此外可以在客户端网页上可视化地配置服务端采集程序图像帧率fps(frame per second)，图像分辨率，图像压缩比，图像显示格式，服务器端LCD上是否实时显示动态图像等。

图1 系统结构图

2 硬件、操作系统及驱动程序

系统采用的处理器是Samsung公司生产的ARM体系16/32位ARM920T的RISC处理器S3C2440A。ARM的主要特点是高性能，低功耗，低价格，符合嵌入式产品需求。系统用到的外设主要有USB摄像头和一个LCD等。有关该处理器的详细信息可到Samsung公司官网查看技术文档。操作系统内核主目录上的Makefile文件中有menuconfig，uImage，zImage等目标，在命令行上键入 make menuconfig得到一个可视化选择界面，可以选择要参与编译的选项，系统中使用到USB摄像头，因此要注意选择USB驱动支持和V4L2驱动选项，选择后保存可以生成.config文件，再键入make uImage可生成内核镜像文件，利用bootloader把内核镜像文件下载到开发板的NandFlash，在u－boot的引导下操作系统就可以运行起来了［2］。

3 V4L2采集图像以及JPEG压缩

3.1 V4L2 采集图像

Linux平台下第一代视频编程的接口是Video for Linux(V4L)，是为统一和规范各种视频设备引入的统一接口，是各设备提供商在为设备编写驱动时遵循的标准，也是编写视频应用程序要遵循的标准。在Linux C下这个标准以头文件的形式放于Linux内核中。在Linux中视频设备是设备文件，可以像访问普通文件一样对其读写，摄像头在/dev/video0下。因为系统中USB摄像头采用V4L2标准，所以以下主要介绍V4L2视频采集接口的编程方法。采集过程定义了一个结构如下。

typedef struct VideoBuffer{

void*start;//指向开始位置

size_t length;//长度

}VideoBuffer;//VideoBuffer类型定义一个缓冲，用来存放映射地址

采集流程如图2所示。初始化包括打开设备文件、查询设备是否具有特定的能力、设置图片属性(如图片亮度、对比度)、设置图片采集帧率。全部缓冲入队列的目的是让缓冲队列的个数为申请到的缓冲个数，一般为5个，缓冲个数太小则会影响采集速度，太大会占用太多内存。申请缓冲并映射包括向驱动申请缓冲，查询缓冲的大小和偏移量，定义一个VideoBuffer*类型数据并分配地址，根据缓冲大小和偏移量将驱动的缓冲映射到用户区域。采用内存映射操作内存就相当于操作文件，对于读取大量数据的文件是相当有效的，而采用直接读写文件的方式读写太频繁，造成读写效率低下速度慢［3－4］。是否可读利用select函数监控设备是否可读，若不可读或监控超时则结束程序，若可读则从队列里取出一个数据处理，再入队列以保持缓冲个数。

图2 V4L2采集流

3.2 JPEG 图像压缩

实验使用的USB摄像头只支持MJPEG格式，是一种动态压缩格式，相对JPEG压缩而言，可在一帧内对一部分压缩，压缩后传输，最后再补齐未压缩的，而JPEG压缩是对整个画面压缩，对每一帧的压缩也是采用JPEG压缩。因 V4L2中没有提供对MJPEG压缩的设置，分辨率640x480的一帧数据达90kB，若直接对其传输无法满足实时性要求，所以对MJPEG数据的处理是用JPEG算法对其解压，再用某些压缩算法压缩，系统仍采用JPEG压缩，在不影响视觉情况下，一帧大小达10KB左右。在Linux下可采用jpeglib开源库对数据进行解压和压缩处理，解压处理过程数据流向是从文件到内存，压缩过程数据流向是从内存到文件。JPEG解压过程和压缩过程可阅读jpeglib的文档。因程序在ARM Linux平台上运行，应该将jpeglib库做交叉编译，并将编译过的库拷贝到ARM Linux下。

4 图像显示

4.1 利用SDL库将图片显示到LCD上

Simple Direct Media Layer(简称SDL)是一个跨平台的多媒体库，是直接控制底层的多媒体硬件接口。SDL在嵌入式平台下使用FrameBuffer驱动。SDL是在GNU LGPL Version 2下发布的，这意味着可对SDL源代码修改而不用公开代码，免费用于商业软件，libSDL库可从官网下载［9－10］。用 SDL库可直接将BMP图片显示在LCD上，但要显示JPEG图片，先要把它解压才能显示到LCD上，JPEG解压过程如上节所述。根据SDL库的开发文档，显示过程为先创建屏幕层，再创建图层，在图层上放JPEG解压后的数据，再把图层放到屏幕层上即可显示，循环更改图像层的数据，即可实现动态显示图像。

4.2 CGI C程序设计将图片到网页上

CGI(Common Gateway Interface)是通用网关接口，是Web服务器提供交互式信息服务的标准接口。Web服务器上执行CGI程序后把输出结果(特定功能的HTML代码)给浏览器显示［1］。CGI可用任何语言来编写，但由于C语言是编译执行的，执行速度快，并且具有很好的移植性，所以嵌入式Linux平台下用C语言写CGI是首选。Web服务器通过调用 CGI程序实现和 Web浏览器的交互，POST方式时CGI通过标准输入STDIN从Web服务器获得输入数据，GET方式时CGI通过环境变量从Web服务器获得输入数据，CGI处理输入的数据后，Web服务器将CGI执行结果(HTML文件)通过stdout给浏览器。编写CGI程序前，要移植Web服务器Boa，它是一个小巧、高性能的自由软件，广泛应用于嵌入式系统［6、8］，移植过程可参考其文档。系统中浏览器和Web服务器交互的方法采用GET方法。根据以上介绍，C语言编写CGI程序时用函数getenv()获得环境变量作为输入数据，CGI各个环境变量的作用可参考相关文献［1］，环境变量REQUEST_METHOD为浏览器和Web服务器交互方法，QUERY_STRING为GET方法时通过URL传递参数字符串［5、7］。输出 html给 Web服务器解析的方法有两种，第一种，用标准输出函数如printf()，puts()，fprintf()，fwrite()等把HTML代码输出到标准输出stdout，前两个函数就是直接输出到标准输出，而后两个函数要指明stdout，Web服务器对其解析并返回给浏览器。第二种，对于现成的HTML文件，CGI提供了重定向输出，printf("Location: ../image.htm ")。系统采用第二种方法，把动态显示图片网页做成image.htm。

以下制作显示图像页面image.htm。动态显示图片的方法很多。方法一使用Java Applet不断刷新;方法二用＜mata content－type=refresh content=n＞定时n秒刷新整个页面;方法三用JavaScript脚本语言定时调用网页重载函数setInterval(“window.location.reload()”，600)［8］; 方 法 四 使 用 框 架IFRAM。比较这些方法，方法一可实现动态图像流畅显示，由于Applet程序在浏览器的虚拟机中运行，开发者须确保客户端安装适当版本的Java运行环境。方法二和三都定时刷新整个页面，使Web服务器负担加重且图片显示不流畅。方法四因采用局部刷新页面，效果比方法二、三好，Web服务器负担减轻，但实现复杂，需要两个以上网页嵌套。系统利用JavaSctipt和图像预加载技术实现动态图像显示。

图片预加载技术是指在显示图片前从服务器上加载图片，显示图片时直接从浏览器缓存里显示而不必从服务器下载。用JavaScript实现图片预加载的原理是在HTML中建一个＜img＞图片，在内存中建立10个Image对象(因在图像采集端采集到的图像0.jpg…9.jpg)。预加载时指定每一张图像的src属性，因每次预加载都要从服务器端下载，所以在src属性的地址后面加上随机数Math.random()防止预加载使用缓存。在显示图片前都调用预加载函数，并指明HTML＜img＞的src属性就为预加载图片地址，二者地址要相同，否则显示图片时浏览器又要从服务器端下载图片。可适当调整调用预加载函数时间间隔来达到最佳效果，系统使用800ms。比较而言，使用Javascript和图像预加载技术是一种实现简单又效果明显的方法。把以上图像预加载的过程写到image.htm文件，当浏览器请求开始监控时就重定向到image.htm实现了动态图像监控。CGI程序调用监控程序，为确保只有一个监控程序运行，利用了文件锁技术，把监控程序和一个文件相关联，建立一个文件并把监控程序的进程号写入文件，在第一次调用监控程序时给文件加排它锁，若第二次启动读写该文件内容就会被拒绝，则不会再启动监控程序，做到了只有一个监控程序运行。

5 实验结果

在浏览器中输入网址即可打开监控主页，可设置系统参数，如采集分辨率、亮度、帧率等，单击开始监控按钮进入监控页面。此时开发板上的LCD和网页都在动态的显示监控图像。如图3所示，LCD在显示动态图像，网页上也在显示动态图像。单击停止按钮，操作系统发送一个停止信号给采集进程，监控结束。

图3 动态图像监控效果

6 结 束 语

系统利用V4L2编程对USB摄像头采集图片，把采集到的图片用JPEG算法压缩，使图片压缩比可控，并用SDL库将采集到的图像显示在LCD液晶屏上，同时利用JavaScript和图片预加载技术实现了网页动态图像的流畅显示，可在浏览器端观看动态的、实时的图像。除了利用Ajax技术刷新网页中的局部图像，图片预加载技术也是刷新局部图像的好方法。这种方法是一种简单、经济、可行的方法，既可实现动态监控，又可大大减短开发周期。下一步可以把采集到的图像压缩成视频传输或存储，或对图像进行分析以实现智能的数字监控系统。

［1］黄光奇.CGI编程指南［M］.北京:电子工业出版社，1999.

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［5］王芳，王凯，王先超.基于ARM－Linux与DS18B20的温度监测系统［J］.计算机工程与设计，2010(12):3－4.

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