??國內(nèi)外市場上主要推出的是數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字視頻監(jiān)控兩類產(chǎn)品［1］。前者的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，在實際工程中得到了廣泛應用。后者是新近崛起的以計算機技術(shù)及圖像視頻壓縮技術(shù)為核心的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在解決模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的部分弊端的基礎(chǔ)上迅速崛起。在互聯(lián)網(wǎng)的普遍推廣和網(wǎng)絡帶寬逐漸提高的背景下，視頻監(jiān)控技術(shù)飛速發(fā)展，出現(xiàn)了集多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)于一體的嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)。 ??目前國內(nèi)嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究有了很大的發(fā)展，但是國內(nèi)對嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究還比較少。本文介紹了自主開發(fā)的基于ARM的嵌入式無線視頻采集系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案采用S3C2410嵌入式處理器和ARMLinux操作系統(tǒng)，利用通過自行開發(fā)的視頻服務器軟件，通過3G無線上網(wǎng)卡完成客戶端與視頻服務器的通信。介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、服務器端軟件的總體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動程序的構(gòu)建、圖像的采集和壓縮以及傳輸模塊的設(shè)計，并進行了測試。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)采用H.264編碼技術(shù)在保證視頻傳輸質(zhì)量的同時具有良好的帶寬適應能力。 ? ??1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) ? ??本系統(tǒng)由監(jiān)控現(xiàn)場攝像頭、嵌入式視頻服務器、客戶端三部分組成。監(jiān)控現(xiàn)場的攝像頭實現(xiàn)圖像的采集，并把采集的圖像信息通過內(nèi)部總線傳送給嵌入式視頻服務器。嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于S3C2410處理器、H.264壓縮、Web服務器和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，它的主要功能是對攝像頭采集到的圖像進行H.264壓縮編碼，并對編碼后的圖像通過3G無線網(wǎng)絡進行傳輸?？蛻舳酥饕瓿蓤D像的接收和解壓縮，用戶可以通過Web瀏覽器訪問嵌入式視頻服務器來觀看攝像頭采集到的圖像，從而實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控。嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 ? ?? 圖1 嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖 ? ??2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ? ??系統(tǒng)硬件由圖像傳感器MI360、3G無線模塊MC8630、圖像壓縮芯片ZC0301、芯片S3C2410、以太網(wǎng)、SDRAM等芯片組成。S3C2410具有低功耗、精簡而出色的全靜態(tài)設(shè)計等特點，具備MMU存儲器管理功能，擁有獨立的16 KB指令和16 KB數(shù)據(jù)緩存，在高性能和低功耗特性方面提供了可靠的性能。無線模塊選用中興3G模塊 MC8630，數(shù)據(jù)速率為前向：3.1 Mb/s max，反向：1.8 Mb/s max。 ??為了降低成本，簡化設(shè)計，本方案選用中星微的ZC0301作為視頻壓縮編碼芯片，Vimicro ZC0301主要由系統(tǒng)控制、圖像信號處理、次取樣和水平掃描、JPEG編碼器和USB設(shè)備控制五大功能模塊組成。CMOS圖像傳感器選擇美光的 MI360，它采用VGA標準（30萬像素），感光面積為1/4英寸，有效像素649H×489H，采用低噪聲技術(shù)，噪聲等級達到CCD標準。MI360 和ZC0301壓縮編碼芯片完成視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮和編碼。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。 ? ?? 圖2 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ? ??3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) ? ??本嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件由攝像頭驅(qū)動模塊、圖像采集模塊、H.264圖像壓縮模塊、嵌入式Web服務器組成。攝像頭驅(qū)動模塊實現(xiàn)攝像頭在 Linux操作系統(tǒng)下的正常工作，并為應用程序提供接口。圖像采集程序獲取攝像頭傳送過來的圖像信息并進行暫存。H.264壓縮模塊完成對原始圖像的編碼處理。嵌入式Web服務器實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡傳輸。嵌入式Web服務器一般由5個主要模塊組成：嵌入式HTTP引擎、安全模塊、應用程序接口、文件系統(tǒng)和配置模塊［2］。由于開發(fā)平臺采用的為ARMLinux，具有成熟的文件系統(tǒng)，提供文件訪問的接口，可以直接使用文件系統(tǒng)提供的讀寫接口訪問嵌入式Web資源文件，不需要另外設(shè)計文件系統(tǒng)。嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。 ? ?? 圖3 嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu) ? ??3.1 攝像頭驅(qū)動程序設(shè)計 ??圖像的采集工作由圖像傳感器MI360和視頻壓縮芯片ZC0301完成，ZC0301通過USB接口和S3C2410相連，因此驅(qū)動程序主要是對 Linux下USB驅(qū)動程序的開發(fā)，ZC0301的驅(qū)動獨立開發(fā)難度較大，主要是既要考慮圖像采集芯片的驅(qū)動，還要考慮USB的驅(qū)動，且Vimicro沒有公布ZC0301的詳細技術(shù)資料。Linux下ZC0301的驅(qū)動程序有開源代碼，根據(jù)本系統(tǒng)的開發(fā)平臺進行修改、移植、重新編譯內(nèi)核等操作可以完成 ZC0301的驅(qū)動程序。 ??3.2 圖像采集模塊設(shè)計 ??Video4linux（V4L）是Linux的影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是Linux Kernel中支持影像設(shè)備的一組APIs，配合適當?shù)囊曨l采集卡與視頻采集卡驅(qū)動程序，可以實現(xiàn)影像采集、AM/FM無線廣播、影像CODEC、視頻切換等功能。Video4linux為二層式架構(gòu)，上層為Video4linux驅(qū)動程序本身，下層架構(gòu)則是影像設(shè)備的驅(qū)動程序。這里用到的是 Video4linux的上層驅(qū)動程序，即Video4linux本身所提供給程序開發(fā)人員的APIs［3］。Video4linux視頻圖像采集流程如圖4所示。 圖4 視頻圖像采集流程圖 ? ??3.3 H.264圖像壓縮模塊設(shè)計 ??H.264是ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）和ISO/IEC活動圖像編碼專家組（MPEG）的聯(lián)合視頻組（JVT）開發(fā)的一個新的數(shù)字視頻編碼標準［4］。在技術(shù)上，H.264標準有很多優(yōu)勢，如統(tǒng)一的VLC符號編碼，高精度、多模式的位移估計，基于4×4塊的整數(shù)變換、分層的編碼語法等。這些措施使得H.264算法具有很高的編碼效率，在相同的重建圖像質(zhì)量下能夠比H.263降低50%左右的碼率。 ??H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡適應性強，增加了差錯恢復能力，能夠很好地適應IP和無線網(wǎng)絡［5］。H.264能以較低的數(shù)據(jù)速率傳送基于IP的視頻流，在視頻質(zhì)量、壓縮效率和數(shù)據(jù)包恢復丟失等方面，超越了現(xiàn)有的MPEG-2、MPEG-4和H.26x視頻通信標準，更適合窄帶傳輸，是目前監(jiān)控系統(tǒng)最為理想的信源壓縮編碼標準。 ??相對于有線網(wǎng)絡而言，無線網(wǎng)絡狀況更不穩(wěn)定，除去網(wǎng)絡流量所造成的傳輸速率的波動外，設(shè)備的移動速度和所在位置也會嚴重地影響到傳輸速率。其次，無線信道的環(huán)境也要比有線信道惡劣得多，數(shù)據(jù)的誤碼率也要高許多，而高壓縮的碼流對傳輸錯誤非常敏感，還會造成錯誤向后面的圖像擴散，因此無線流媒體在信源和信道編碼上需要很好的容錯技術(shù)。錯誤恢復的工具隨著視頻壓縮編碼技術(shù)的提高在不斷改進。舊的標準（H.261、H.263、MPEG-2的第二部分）中，使用片和宏塊組的劃分、幀內(nèi)編碼宏塊、幀內(nèi)編碼片和幀內(nèi)編碼圖像來防止錯誤的擴散。之后改進的標準（H.263+，MPEG-4）中，使用多幀參考和數(shù)據(jù)分割技術(shù)來恢復錯誤。H.264標準在以前的基礎(chǔ)上提出了三種關(guān)鍵技術(shù)來進行錯誤的恢復，分別是參數(shù)集合、靈活的宏塊次序（FMO）和冗余片（RS）。 FMO是H.264的一大特色，可以是一幀中的宏塊順序分割，使分割后的片的尺寸小于無線網(wǎng)絡的MTU尺寸，避免在網(wǎng)絡層再進行一次數(shù)據(jù)分割，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)念~外開銷。 ??3.4 嵌入式Web服務器設(shè)計 ??本系統(tǒng)選用適合嵌入式系統(tǒng)的Boa服務器，它是單任務HTTP服務器，占用空間小，另外支持動態(tài)Web技術(shù)的CGI技術(shù)，源代碼開放，性能高。嵌入式Boa服務器移植到Linux系統(tǒng)中的網(wǎng)上相關(guān)資料很多，不再贅述。下面重點介紹應用程序接口CGI程序設(shè)計。