引言

    高性能、低功耗嵌入式CPU和高可靠性網絡操作系統的面世，使得可視電話、視頻會議、遠程視頻監控等運算數據量大的應用在嵌入式設備中實現成為可能。傳統的基于同軸電纜的視頻監控系統結構復雜、穩定性差、可靠性低且價格昂貴，因而出現了嵌入式網絡視頻服務器等遠程Web視頻監控系統。在本嵌入式無線視頻監控系統中，使用高性能ARM9芯片作微處理器，控制video4linux實現USB攝像頭視頻數據采集，采集的視頻數據經JPEG壓縮后，在 ARM9芯片的控制下通過2.4GHz無線發送/接收模塊進行視頻數據傳輸；視頻傳輸模塊再將視頻數據通過串口或網絡提交給視頻應用服務端，最后由視頻應用服務端將接收到的壓縮數據幀重組、復合成視頻圖像，實現無線視頻監控。

    1 系統組成結構

    整個系統由視頻采集終端、2.4G無線發送模塊、2.4G無線接收模塊、視頻傳輸和視頻應用服務端等5個模塊組成。 其組成結構如圖1所示：

   
圖1 嵌入式無線視頻監控系統結構框圖

    視頻采集終端包括以S3C2410X為核心的中央控制和數據處理中心，以及USB Camera數據采集單元。中央控制和數據處理中心主要完成視頻采集終端控制和視頻圖像壓縮，并將需要傳輸的數據經編碼處理后，通過SIO發送到 nRF2401無線發射模塊。

    視頻傳輸模塊主要包括：以S3C2410X為核心的中央控制和數據處理中心以及將視頻數據傳輸到視頻應用服務端的MAC接口和UART接口。視頻傳輸模塊的中央控制和數據處理中心主要完成以下任務：nRF2401將接收到的視頻數據提交給SIO模塊，S3C2410X先解碼SIO模塊數據，再通過UART 接口或MAC接口將視頻數據傳輸到視頻應用服務端。

    視頻應用服務端從串口或網絡接口接收視頻數據，并將其重組、復合成視頻圖像。

    1.1 視頻采集終端硬件結構

    在本設計中，充分利用了S3C2410X所繼承的片上資源，只需要擴充SDRAM、Nand Flash、4X4 Array Keyboard、USB Host、Ethernet Interface、RS232 Interface、JTAG、Power等模塊。視頻采集終端是整個系統的核心模塊之一，主要完成視頻捕獲和圖像壓縮，其硬件邏輯結構框圖如圖2所示：

    
圖2 視頻采集終端硬件邏輯框圖

    2 視頻采集模塊設計與實現

    視頻捕獲模塊是整個視頻采集終端的核心。它通過嵌入式Linux操作系統調度V4L (video4linux)和影像設備驅動程序來完成視頻捕獲。V4L 是Linux影像系統與嵌入式影像的基礎，是Linux kernel里支持影像設備的一組APIs，配合適當的視頻采集卡與視頻采集卡驅動程序，V4L可以實現影像采集、AM/FM無線廣播、影像CODEC、頻道切換等功能。目前，V4L 主要應用在影像串流系統與嵌入式影像系統里，其應用范圍相當廣泛，比如：遠程教學、遠程醫療、視頻會議、視頻監控、可視電話等。V4L為2層式架構，最上層為V4L驅動程序，最下層則是影像設備驅動程序。

    在Linux操作系統中，外部設備都作為設備文件來管理，因此，對外部設備的操作就轉變成對設備文件的操作。視頻設備文件位于/dev/目錄下，一般情況下為video0。當攝像頭通過USB接口連接到視頻采集終端后，在程序中調用V4L APIs對設備文件video0的讀操作即可實現攝像頭視頻數據采集。其主要過程如下：

    1) 打開設備文件： int v4l_open(char *dev, v4l_devICe *vd){}打開影像源的設備文件；

    2) 初始化picture： int v4l_get_picture(v4l_device *vd){} 獲取輸入的影像信息；

    3) 初始化channel：int v4l_get_channels(v4l_device *vd){} 獲取每個channel的信息；

    4) 對channel設置norm：int v4l_set_norm(v4l_device *vd, int norm){} 對所有的channel設置norm；

    5) 設備地址映射：v4l_mmap_init(v4l_device *vd){} 返回存放圖像數據的地址；

    6) 初始化mmap緩沖區： int v4l_grab_init(v4l_device *vd, int width, int height){}；

    7) 視頻捕獲同步： int v4l_grab_sync(v4l_device *vd){}；

    8) 視頻捕獲： int device_grab_frame(){}。

    通過以上操作，即可將攝像頭視頻數據采集到內存。采集到內存的視頻數據既可采用文件的形式保存，也可將其壓縮后封裝進數據包，通過網絡傳輸到數據處理中心。本設計采用后一種處理方法，即：先將采集的視頻數據進行JPEG壓縮，再將其封裝進數據包傳輸到視頻應用服務端處理。

    3 視頻壓縮模塊設計

    由于視頻采集模塊采集的視頻數據信息量較大，如果直接通過網絡傳輸，則會增加數據傳輸系統的負擔，大大降低數據傳輸效率。為此，本設計采用JPEG —Joint Photographic Experts Group壓縮編碼算法對視頻數據進行壓縮。JPEG是一個適用于彩色、單色多灰度、連續色調靜止數字圖像的壓縮標準，是靜態數字圖像壓縮的國際標準，不僅適用于靜止圖像壓縮，而且適用于電視圖像序列的幀內圖像壓縮。由于JPEG壓縮采用的是全彩影像標準，其主要處理過程包括：色彩模型轉換、離散余弦— DCT變換、重排DCT結果、量化、編碼等。

    在本設計中，采用最基本的JPEG算法，其主要步驟為：首先，通過離散余弦變換（DCT）去除數據冗余；其次，使用量化表對DCT系數進行量化；最后，采用Huaffman可變字長編碼對量化后的DCT系數進行編碼，使其熵達到最小。通過實驗，數據壓縮效果良好，圖像壓縮率可以達到70%左右。

    4 nRF2401無線發射、接收模塊設計

    本設計采用nRF2401 2.4GHz無線收發芯片完成視頻數據的無線傳輸。nRF2410是一款單片射頻收發芯片，工作在2.4GHz~2.5GHz ISM頻段，該芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶振和調制解調器等功能模塊，其輸出功率和通信頻道等參數都可以通過程序進行配置。內置的 DuoCeiver接收器使nRF2401可以使用同一天線同時接收兩個不同頻道的數據，這為視頻數據的傳輸提供了有利條件。

    nRF2401在發送和接收數據時主要完成以下操作：

    1）初始化發送端和接收端：主要完成I/O端口的配置，使能發送器/接收器，啟動計數器等；

    2）發送器/接收器配置：先打開配置方式，再配置發送/接收器，最后使能收發功能；

    3）接收包/接收包處理：

    4）發送/接收數據：完成數據包的發送/接收操作；

    5）讀取A/D轉換結果：等待AD轉換完成后，讀取A/D轉換結果數據，并開始接受新的轉換；

    5 視頻傳輸模塊設計

    視頻傳輸模塊收到無線接收模塊遞交的視頻數據后，可以通過串口或網絡接口將其傳輸到視頻應用服務端，本設計采用網絡接口進行數據傳輸。目前，互聯網上傳輸視頻數據大多采用UDP協議。UDP協議提供非連接、不可靠的數據傳輸，由于接收端只對收到的UDP數據包進行簡單的完整性校驗，丟棄有錯誤的數據包，因此數據傳輸速度較快。然而，為了提高數據傳輸的準確性和減少因使用UDP協議而額外增加的、繁瑣的數據確認操作，本設計選用面向連接的、可靠的數據傳輸協議—TCP。視頻傳輸模塊與視頻應用服務端之間的通信過程如圖3所示：

    6 視頻應用服務端—視頻顯示模塊設計與實現

    視頻應用服務端采用Borland C++ Builder6.0完成監控視頻的合成(如果視頻應用服務端采用Linux操作系統，則可以使用Kylix完成相同的功能)。由于BCB的Image類可以完成精確到像素的圖像處理能力，可以將BMP、Drawing、自定義圖形等顯示成圖像。因此，Socket API 從網絡接收視頻數據后，首先將接收到的JPEG圖像轉換成BMP，然后將其傳送給Image對象，Image對象最后處理視頻數據、生成圖像視頻并將其顯示出來。

    7 結束語

    本文提出了一種基于ARM S3C2410X的嵌入式無線視頻監控系統設計。采用嵌入式Linux操作系統進行視頻采集、壓縮和打包并通過nRF2401無線發射、接收模塊進行視頻數據無線傳輸，最后通過TCP/IP網絡將視頻數據從視頻傳輸模塊傳輸到視頻應用服務端，構成一套完整的無線視頻監控系統。由于系統的核心工作采用高性能嵌入式處理器完成，因此該系統具有結構簡單、性能穩定、成本低廉等優點，在油田、油氣井無線視頻監控，智能家居等領域具有廣闊的應用前景。

    本文作者創新點:將視頻監控從有線系統延伸到無線系統，提出了構建無線視頻局域網的一種方法，此方法在智能家居等領域具有廣闊的應用前景。

    參考文獻：

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