基于视频监控系统的设计与实现

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摘要随着计算机技术和图像处理技术的发展，数字视频监控系统得到了广泛应用。随着嵌入式技术和网络技术的发展，出现了基于嵌入式和Internet的视频监控系统。介绍了基于ARM微处理器的嵌入式网络视频监控系统的组成，着重阐述了监控系统的原理、设计方案，硬件模块和软件模块的实现方法。关键字：嵌入式系统；远程监控；图像处理；IP组播；数据压缩一、前言监控系统作为现代企业不可缺少的重要组成部分，已广泛应用于交通、医院、银行、家居、视频会议和视频点播、证券、远程教等诸多领域，可以有效地避免安全隐患的发生，保障员工人身安全和企业资产不受损失，实现无人值守。早期的模拟监控系统不能联网，只能与监控中心进行点对点通信，随着图像与视频处理技术、网络技术和自动控制技术的发展，视频监控系统已过渡到数字化的网络监控。它以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心，采用先进的数字图像压缩编／解码技术和传输技术，将智能图像处理与识别技术用于图像显示、调整、跟踪，根据现场环境智能调节摄像机的位置及清晰度，对物体进行跟踪识别，对图像进行分析和处理。此视频监控系统是通过在某些地点安装摄像头等视频采集设备对现场进行拍摄监控，然后通过一定的传输网络将视频采集设备采集到的视频信号传送到指定的监控中心，视屏信号送往基于三星S3C2440芯片作为处理服务器，外接LCD屏做为显示端.但就监控业界而言，系统组成一直没得到明确的划分，这使工程商和用户之间谈到视频监控系统时沟通很不方便。对于视频监控系统，根据系统各部分功能的不同，我们将整个视频监控系统划分为七层——表现层、控制层、处理层、传输层、执行层、支撑层、采集层。当然，由于设备集成化越来越高，对于部分系统而言，某些设备可能会同时以多个层的身份存在于系统中。1、表现层表现城是我们最直观感受到的，它展现了整个视频监控系统的品质。如监控电视墙、监视器、高音报警喇叭、报警自动驳接电话等等都属于这一层。2、控制层控制层是整个视频监控系统的核心，它是系统科技水平的最明确体现。通常我们的控制方式有两种——模拟控制和数字控制。模拟控制是早期的控制方式，其控制台通常由控制器或者模拟控制矩阵构成，适用于小型局部视频监控系统，这种控制方式成本较低，故障率较小。但对于中大型视频监控系统而言，这种方式就显得操作复杂且无任何价格优势了，这时我们更为明智的选择应该是数字控制。数字控制是将工控计算机作为监控系统的控制核心，它将复杂的模拟控制操作变为简单的鼠标点击操作，将巨大的模拟控制器堆叠缩小为一个工控计算机，将复杂而数量庞大的控制电缆变为一根串行电话线。它将中远程监控变为事实、为Internet 远程监控提供可能。但数字控制也不是那么十全十美，控制主机的价格十分昂贵、模块浪费的情况、系统可能出现全线崩溃的危机、控制较为滞后等等问题仍然存在。3、处理层处理层或许该称为音视频处理层，它将有传输层送过来的音视频信号加以分配、放大、分割等等处理，有机的将表现层与控制层加以连接。音视频分配器、音视频放大器、视频分割器、音视频切换器等等设备都属于这一层。4、传输层传输层相当于视频监控系统的血脉。在小型视频监控系统中，我们最常见的传输层设备是视频线、音频线，对于中远程监控系统而言，我们常使用的是射频线、微波，对于远程监控而言，我们通常使用Internet这一廉价载体。值得一提的是，新出现的传输层介质——网线光纤。大多数人在数字安防监控上存在一个误区，他们认为控制层使用的数字控制的视频监控系统就是数字视频监控系统了，其实不然。纯数字视频监控系统的传输介质一定是网线或光纤。信号从采集层出来时，就已经调制成数字信号了，数字信号在目前已趋成熟的网络上跑，理论上是无衰减的，这就保证远程监控图像的无损失显示，这是模拟传输无法比拟的。当然，高性能的回报也需要高成本的投入，这是纯数字视频监控系统无法普及最重要的原因之一5、执行层指令的命令对象，在某些时候，它和我们后面所说的支撑诚、采集层不太好截然分开，我们认为受控对象即为执行层设备。比如：云台、镜头、解码器、球等等6、支撑层顾名思义，支撑层是用于后端设备的支撑，保护和支撑采集层、执行层设备。它包括支架、防护罩等等辅助设备。7.采集层采集层是整个视频监控系统品质好坏的关键因素，也是系统成本开销最大的地方。它包括镜头、监控摄像报警传感器等等。二、数字视频监控系统的组成监控中心具有电视墙、磁盘阵列、服务器、交换机和路由器等网络设备，还可以通过多级级联构成多级监控系统。监控站点主要由视频服务器和摄像机组成，整个系统组网灵活；可以突破地域限制，进行大规模、远距离的实时图像监控和报警处理。如图1所示。监控系统的软件包括客户端、服务器端软件两部分以及相 互之间的通信。在实际工作中，根据实际情况，在需要的地方安装相应的前端监控设备(彩色或黑白摄像机、固定或活动云台、定焦或变焦)和相应的软件系统。三、视频服务器的硬件实现图1中的每个监控站点主要由摄像头、云台控制器、网络视频服务器组成，可配置可变镜头、麦克风、扬声器等外设，如图2所示。其中网络视频服务器以嵌入式微处理器为核心，由视频采集编码模块、网络功能模块、实时时钟模块、摄像头云台控制模块等组成。3．1嵌入式微处理器嵌入式微处理器是硬件部分的核心，采用SAMSUNG的微处理$3C4510B该微处理器内置了ARM公司设计的16／32位ARMTTDMI内核，可以执行32位的ARM指令或16位的Thumb指令，操作频率最高达50MHz，专为以太网通信系统的集线器和路由器而设计，提供了8K字节的Cache和以太网控制器，内置2通道的HDLC(高级数据链路控制)，2个UART(通用异步收发)通道，32位定时器和18个通用可编程I／O端口具有低成和高性能的特点。3．2云台控制器 云台控制器配有标准RS232接口，与视频服务器的串口相连，由视频服务器对云台进行控制。监控中心或授权用户可以通过网络发送命令给视频服务器，通过视频服务器上的RS232串口，发送控制指令给云台控制器，控制云台中各个电源开关的开合，从而实现对云台上、下、左、右、自动等动作的控制以及摄像头的变焦、变倍、拉伸等的控制。3．3视频采集压缩模块设计视频采集压缩模块由视频数据采集和视频数据压缩两部分组成。视频数据采集芯片选用Omnivition公司的彩色数字图像传感器OV7620，负责采集摄像机发送来的模拟视频数据并进行模数转换，然后将处理后的数字化视频YUV数据存人数据缓冲器1。该芯片支持VGA／QVGA两种格式的图像，最高像素达326688：帧速率可达30fps，数据格式包括YCrCb4：2：2，GRB4：2：2，RGBRawData三种，可调节图像的亮度、对比度、饱和度等，支持CCIR601，CCIR656，ZVport等数字视频接El，在功能及图像品质上达到要求。视频数据压缩部分的功能是从数据缓冲存储器1中读出YUV格式的视频数据，进行MPEG4格式的压缩，然后通过数据总线将数据存储到另一个缓冲存储器2中，由$3C4510B进行处理。该压缩芯片采用美国Vweb公司生产的VW2010，这是一种常用的实时视音频压缩／解压缩芯片，兼容MPEG一1、2、4，H．263标准，具有很高的实用性和性价比，计算能力强大，可以以每秒25帧或30帧的采样速度对视频信号进行实时、动态的捕获和压缩。VW2010芯片在图像压缩完成后或当数据缓冲存储器半满时，会产生中断，通知系统图像压缩任务己经完成，或者缓冲区等待取走数据，以便存储新的数据。3．4网络接口模块设计网络接口模块负责与远程的通信，接收远程发送来的控制命令，或将压缩处理后的数据发送到网络中，它直接由$3C4510B芯片内集成的10／100M以太网接口控制器与以太网接口芯片RTL8201以及RJ45网络接口组成。以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口(Physi—calLayer,PHY)两大部分构成。$3C4510B内嵌一个以太网MAC控制器，支持媒体独立接口(MediaIndependentInterface，MII)和带缓冲的DMA接口，但并未提供物理层接口，故需外接网络协议芯片作为以太网的物理层接口，以提供以太网的接人通道。本系统采用的物理层接口芯片是Realtek公司生产的单片、单端口IO／IOOMRTL8201芯片，它提供MII接口和传统7线制网络接口，可以方便地与$3C4510B配合使用，再通过网络变压器接人RJ45与以太网相连。3．4实时时钟模块设计监控系统需要在出现报警或者发生特殊事件时，记录发生的时间。传统的数据记录方式是定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间，而且需要占用硬件资源，因此需采用实时时钟RTC(RealTimeClock)芯片。RTC通过电路板上的电池来供电，而不是通过电源来供电的，当关掉电源后，RTC仍然能够继续工作，以便在断电后仍然能保持时间。可以选择12小时模式或24小时模式。3.5cmos摄像头摄像头与实验板上cmos摄像头接口相连。 四、监控系统的软件结构及其实现4．1监控服务器端软件系统结构视频服务器上运行¨CLinux操作系统和应用程序，应用程序建立在斗CLinux操作系统基础之上，通过斗CLinux的设备驱动程序对硬件进行控制，如图3所示。服务器端软件开发采用宿主机／目标机模式，在宿主机上开发后，通过串口、以太网接口或JTAG接口将应用程序下载到数字视频服务器中。视频服务器端软件的主要功能是对摄像机摄取的图像进行采集、压缩、存储、传送、播放等操作，当操作系统启动后，启动实时时钟，系统加载串口、USB等驱动模块，等待拍照的完成，然后不断重复采集图片，发送图片的操作。4．2客户端软件客户端指的是监控中心或者远端的一个授权用户，可以接收来自视频监控服务器传送的数据。其功能主要包括接收数据、浏览数据、播放图像(解压图形)，数据分析，文件存储。当客户端接收到数据后，首先根据协议数据规范对截获的数据进行分析，剥离出协议头，分析下层数据，一层层进行直至得到最终用户数据，并对其中的用户信息和流量进行统计，再对这两个部分信息进行存储或传给相应的显示模块。为了查看以前的记录，在显示结果的同时，也要把结果记录下来，保存在监控中心的磁盘阵列上，以备日后取出核对检查。4．3客户端与服务器端的通信多个不同的客户端有可能同时要求接收／查看一个通道的图像，因此为了减轻网络负担，并提高数据传输率，采用组播技术。视频服务器发送一个信息，网络中的多个IP站点可以同时接收该信息，这样可以减少网络流量，避免资源浪费。 对每个摄像头都建立一个名字唯一的组播组，每个想实时监控某摄像点的主机都申请加入该摄像点的组播组，由视频服务器自动维护组员和组之间的关系，明确知道某报文是否应发送到某个子网。视频监控器还负责组播地址和端口的分配、客户端视频和其他信号采集参数的设置以及远程监控规则的更新。在软件设计中通过使用socket编程，来实现底层的数据控制和传输程序。系统中客户应用程序向服务器应用程序请求服务，建立连接。服务器应用程序一般在一个周知地址上侦听(1isten)服务请求。其主要的流程可通过图4来表示。五、系统中的关键技术介绍5.1视频图像数据的采集视频采集压缩模块由视频数据采集和视频数据压缩两部分组视频数据采集芯片选用Omnivition公司的彩色数字图像传感器OV7620负责采集摄像机发送来的模拟视频数据并进行模数转换,然后将字化视频YUV数据存入数据缓冲器1。该芯片支持VGA/QVGA两种格的图像,最高像素达326688,帧速率可达30fps,数据格式包括YCrCb4:2:2,GRB4:2:2,RGBRawData三种,可调节图像的亮度、对比度、饱和度等,支持CCIR601,CCIR656,ZVport等数字视频接口,在功能及图像品质上达到要求。5.2视屏图像数据的压缩视频数据压缩部分的功能是从数据缓冲存储器1中读出YUV格式的视频数据,进行MPEG4格式的压缩,然后通过数据总线将数据存储到另一个缓冲存储器2中,由S3C2440进行处理。该压缩芯片采用美国Vweb公司生产的VW2010,这是一种常用的实时视音频压缩/解压缩芯片,兼容MPEG-1、2、4,H.263标准,具有很高的实用性和性价比,计算能力强大,可以以每秒25帧或30帧的采样速度对视频信号进行实时、动态的捕获和压缩。VW2010芯片在图像压缩完成后或当数据缓冲存储器半满时,会产生中断,通知系统图像压缩任务己经完成,或者缓冲区等待取走数据,以便存储新的数据。5.3移动目标的识别（算法） 对复杂背景下的多个移动物体进行目标快速识别与跟踪的复合算法。该算法中采用对连续图像进行差影计算来确定移动目标区域，从而能去除复杂背景干扰，可以明显提高目标识别的速度和准确率。5.4视频图像数据的传输六、结束语嵌入式视频监控系统不仅具有抗干扰能力强，适合远距离传输，能够加密，可用计算机对图像信息进行压缩、分析、存储和显示，充分利用现有网络资源等诸多优点，而且具有体积小、功耗低、易于安装、使用方便和便于维护等优点。该系统以TCP／IP网络为传输媒介，采用组播技术实现视频信号在网上的传输，在网络的任意位置都可实现对整个监控系统的指挥、调度、存贮和授权控制。创新观点：数字视频监控系统取代了模拟视频监控系统后，得到了广泛应用。随着嵌入式技术和网络技术的发展，出现了基于嵌入式和Intemet的视频监控系统。该系统的核心是以$3C4580为核心的视频服务器，以TCP／IP网络为传输媒介，采用组播技术实现视频信号在网上的传输，在网络的任意位置都可实现对整个监控系统的指挥、调度、存贮、授权控制。参考文献[1]景慧燕．一种嵌入式移动视频监控系统的设计[J]．电视技术．2005，11．91-93[2】何小敏，张小花．智能化远程图像监控系统的研究及其应用【J]．组合机床与自动化加工技术．2004(9)．13—15[3]景绍学，李正明，宋永献等．$3C4510B在远程网络视频监控中的应用[J】微计算机信息2006，8-2：14—16【4]徐兵．基于Web的远程视频监控系统在自动化中的设计与应用[J】微计算机信息．2006，10—1：286—287[5]黄贤英，田淑宁．包装车间数字化无线视频监控系统的研究与实现[J1．包装工程．2006，4：207—208[6】胡勇华，谢宝昌，李军．基于ARM的无线视频监控系统的设计【J]．电工技术．2006，3：48—50