基于arm的視頻采集系統(tǒng)

1、基于 ARM 的視頻采集系統(tǒng) 目錄 一 設(shè)計要求 1 二 設(shè)計作用與目的 1. 三 所用設(shè)備及軟件 1. 四 系統(tǒng)設(shè)計方案 2. 4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計 2. 4.2 系統(tǒng)工作原理 2 五 系統(tǒng)硬件設(shè)計 2. 5.1 整體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2. 5.2 個單元電路設(shè)計 3. 5.2.1 S3C4510主控器模塊 3. 5 .2 . 2外圍電路模塊 5. 六 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 7. 6.1 主程序流程設(shè)計 7. 6.2 攝像頭驅(qū)動程序設(shè)計 8. 6.3 圖像采集模塊的設(shè)計 8. 6.4 JPEG圖像壓縮模塊的設(shè)計9. 6.5 嵌入式 WEB 服務(wù)器設(shè)計 1.0. 6.6 網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計 1.0. 七 仿真

2、調(diào)試 1.1. 八 設(shè)計中的問題與方法 1.1. 九 嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)心得 0. 十 參考文獻(xiàn) 0 基于 ARM 的視頻采集系統(tǒng) 一 設(shè)計要求 輸入信號為1路AV視頻信號，要求系統(tǒng)能對1路輸入信號進行實時采集、數(shù)字化處 理、壓縮、存儲，要保證一定的錄像質(zhì)量。根據(jù)設(shè)計題目的要求，選擇確定 ARM 芯片型 號、視頻采集芯片型號，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計和程序設(shè)計。其中包括視頻采集整體設(shè)計，系 統(tǒng)硬件設(shè)計，系統(tǒng)軟件設(shè)計等幾大主體部分，從而完成整個采集系統(tǒng)的設(shè)計。 二 設(shè)計作用與目的 數(shù)字視頻采集系統(tǒng)是以計算機或嵌入式系統(tǒng)為中心、視頻處理技術(shù)為基礎(chǔ)，是符合圖 像數(shù)據(jù)壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)。綜合利用圖像傳感器、計算機網(wǎng)絡(luò)

3、、自動控制和人工智能等技術(shù) 的一種新型監(jiān)控系統(tǒng)。由于數(shù)字視頻采集系統(tǒng)對視頻圖像進行了數(shù)字化，所以與傳統(tǒng)的模 擬視頻采集系統(tǒng)相比，數(shù)字采集系統(tǒng)具有許多優(yōu)點。數(shù)字化的視頻系統(tǒng)可以充分利用計算 機的快速處理能力，對其進行壓縮、分析、存儲和顯示。數(shù)字化視頻處理技術(shù)提高了圖像 的質(zhì)量與監(jiān)控效率， 使系統(tǒng)易于管理和維護。 整個系統(tǒng)是模塊化結(jié)構(gòu)， 體積小， 易于安裝、 使用和維護。正是由于數(shù)字視頻采集技術(shù)具有傳統(tǒng)模擬采集技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，而且符 合當(dāng)前信息社會中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢，所以數(shù)字視頻采集技術(shù)正在逐步 取代模擬采集技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。嵌入式系統(tǒng)以體積小、實時性強、性價比高、 穩(wěn)

4、定性好等特點在社會的各個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。 三 所用設(shè)備及軟件 攝像頭，S3C4510平臺及其之上運行的采集、壓縮、傳輸程序。PC機及其之上的接收 解壓回放程序 。 Linux 軟件開發(fā)平臺。 四系統(tǒng)設(shè)計方案 4.1系統(tǒng)總體設(shè)計 首先需要對系統(tǒng)進行總體規(guī)劃，將系統(tǒng)劃分成幾個功能模塊，確定各個模塊的實現(xiàn)方 法。整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用 C/S結(jié)構(gòu)，從主體上分為兩部分：服務(wù)器端和客戶端。服務(wù)器 端主要包括S3C4510平臺上運行的采集、壓縮、傳輸程序，客戶端的接收、解壓、回放程 序的接收、解壓、回放程序以太網(wǎng)傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控服務(wù)器上。如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖 1）所示, 視頻圖像采集和打包發(fā)送在服務(wù)器端完成

5、，圖像的接收解包和回放將在客戶端完成。 圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 4.2系統(tǒng)工作原理 整個系統(tǒng)由現(xiàn)場攝像頭，嵌入式視頻服務(wù)器，客戶端三大主體部分組成。先由現(xiàn)場的 攝像頭實現(xiàn)圖像的采集，并把采集的圖像通過內(nèi)部總線傳輸給嵌入式視頻服務(wù)器，嵌入式 視頻服務(wù)器是一個由S3C4510處理器，圖片壓縮，WEB服務(wù)器和Linux操作系統(tǒng)組成的 綜合嵌入式系統(tǒng)，當(dāng)現(xiàn)場攝像頭采集圖像資料后送給視頻服務(wù)器后，其對傳送來的信號進 行JPEG壓縮編碼，并對編碼后的圖像通過in ternet進行傳輸。然后客戶端再進行圖像的接 收和解壓，從而用戶可以通過 WEB來觀看現(xiàn)場攝像頭采集的圖像實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻采集與監(jiān) 控。 五系統(tǒng)硬件設(shè)計

6、5.1整體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方案，主要包括以下幾個模塊：主控制器模塊、儲存電路模塊、 外圍接口電路模塊、電源和復(fù)位電路，如圖 2所示 圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 5.2個單元電路設(shè)計 5.2.1 S3C4510主控器模塊 主控器模塊是整個系統(tǒng)的核心，采用的S3C4510B處理器。Samsung公司的S3C4510B 是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價比 16/32位RISC微控制器，內(nèi)含一個由ARM公司設(shè)計 的16/32位ARM7TDMI RISC 處理器核，ARM7TDMI為低功耗、高性能的 16/32核，最 適合用于對價格及功耗敏感的應(yīng)用場合。 S3C4510B的引腳分布圖與結(jié)構(gòu)圖如圖 3

7、,圖4 所示 14 S9 星 nsff 富E一哼目 As 8 Ass 45g Q9 雖 壷 Mor ass *si4 低基性 nV 4Jh AA-H4I 蟲 ”c町c 4 OA .1 1 1 JI -1 1 30 r - 5 4 3 -? D i i, 3 噩謐盟融監(jiān)盂曙盤註噩牆I需湖剜掘器I牆liKSxis E51IRH樂 KKMtMMm S3C4510B 208-QFP 晶琴僅忌筑iS關(guān)世爼十二亡匸二ZE上已E*転富#石圭;iMN耳童盂常繼也囂#學(xué)嚳倉旦豈 =SM冒冒冒巨亙MB巨巨=11 V113 皿 hiuMJnil LUllflll nUMJil HUIIU 砒M nHISA 1ILM

8、 mcru WM) VST$x. 一巧 u- AiE u- AwiusE u u 2 .5C- u * Ay-=- u -$d u i T I u 99 o- NE o盍 u i UCMQaM-5s u uuilLJ u牘宀憧肓 M 1;仍晶 u 啟wr.ua Mu JQu u 一蛋-p u AJ.e u 山iAD* nu-曳wui u - u豐 u 315 u :毛上 uE-c di J尊二 nu- u m u 2 V Q uEtJI u- of u 圖3 S3C4510B的引腳分布圖 】眇1/0包赭t 4亍外部中斷請茨 H定時器涼出 外部 DllA-.ftTl 外詐細(xì)A蟲菩 18個誦用/)

9、 AEJITim 3旳 RISC CPU CPU 按口 ICE 豳 卜.!. SRAM FLASH 84byte -體化 Carhe 檸制的 4-Word 中斷猊劃晉 UART C 1 覽住定時H 0.1 MKM 1 用干JT輛nTAP腔制BE 2 通 ilHDLC 帯DKA BDHA RAJt 沖( 256TT) 沖( 256TT) CAM ( 12BT節(jié) Tx FIFO (旳至節(jié)1 Ih: FIFO (訪宇節(jié)) 以木聘控制器 2iillBDNA J 圖4S3C4510B結(jié)構(gòu)圖 勺堆 L5UJI 外部 1/04 遠(yuǎn)繪瑞口 蟲* B 5.2.2外圍電路模塊 外圍電路主要是以下幾個電路，復(fù)位電路

10、圖，電源電路圖以及JTAG電路，如圖5, 6, 7所示 圖5復(fù)位電路 圖6 電源電路 JTAG 1 CON vcffyo T 10k adddddd 2 1 J 3 6 5 8 10 9 u IL 1-1 13 CON2 Drc r c .-o TDI TMS TCK TDO iiTRST TDI TMS TCK / TOO 圖7 JTAG電路 六系統(tǒng)的軟件設(shè)計 6.1主程序流程設(shè)計 本嵌入式遠(yuǎn)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，JPEG圖像壓縮 模塊，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，嵌入式 WEB服務(wù)器組成。攝像頭驅(qū)動模塊的作用是使得攝像 頭在Linux操作系統(tǒng)下可以正常工作，為應(yīng)用程序的編寫提

11、供底層系統(tǒng)的編程接口。圖像 采集程序使用驅(qū)動程序提供的編程接口獲取攝像頭采集來的圖像信息并進行暫時存儲。 JPEG壓縮模塊的功能是完成對采集到的原始圖像信息進行編碼處理，使得圖像達(dá)到 最小化，清晰化，為網(wǎng)絡(luò)傳輸解決帶寬不足的問題。WEB服務(wù)器通過HTTP協(xié)議與遠(yuǎn)程 監(jiān)控計算機端的瀏覽器進行信息交流，它提供了應(yīng)用程序模塊的編程接口以及視頻監(jiān)控的 界面。嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 & 網(wǎng)絡(luò)傳輸 搗像機圖像采羞模塊 J1WG圖像爪縮枕塊 唳入式服務(wù)器 卡 應(yīng)用和.序接口 CG1 安全 網(wǎng)貞瀏覽器 攝像機眾動程序模塊 圖8系統(tǒng)軟件整體設(shè)計圖 6.2攝像頭驅(qū)動程序設(shè)計 圖像的采集是利用數(shù)字?jǐn)z像頭實

12、現(xiàn)的，通過USB串行總線和S3C4510相連，因此驅(qū) 動程序的開發(fā)主要是對 Linux系統(tǒng)下USB驅(qū)動程序的開發(fā)難度比較大。既要涉及圖像采 集芯片的驅(qū)動開發(fā)，還要涉及USB的驅(qū)動的開發(fā)。我們可以根據(jù)自己的系統(tǒng)開發(fā)平臺進 行相應(yīng)移植，重新配置編譯內(nèi)核等操作可以實現(xiàn)將驅(qū)動程序集成到Linux內(nèi)核中。 6.3圖像采集模塊的設(shè)計 Video4linux的簡稱是V4L，是Linux系統(tǒng)中的影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 它是Linux內(nèi)核里免支持影像設(shè)備的一組應(yīng)用程序的接口，配合恰當(dāng)?shù)囊曨l采集工具與視 頻采集工具的驅(qū)動程序，V4L可以實現(xiàn)視頻圖像的采集的功能，V4L為二層式結(jié)構(gòu)，上 層為V4L的驅(qū)

13、動程序，下層構(gòu)成則是影音設(shè)備的驅(qū)動程序。這里我們用到的是V4L的上 層驅(qū)動程序，即V4L本身所提供給程序開發(fā)人員的一組應(yīng)用程序開發(fā)接口Video4linux視 頻圖像采集流程如圖9所示。 開始 視頻設(shè)備開啟 獲取設(shè)備信息和圖像信息 初始化采集窗14顏色模幀狀態(tài) 捕捉視頻數(shù)據(jù) 關(guān)閉視頻設(shè)備 是沓終止視頻抄 圖像數(shù)據(jù)處理 結(jié)束 圖9視頻采集流程圖 6.4 JPEG圖像壓縮模塊的設(shè)計 JPEG是目前網(wǎng)絡(luò)最流行的壓縮格式，可以把圖像壓縮到最小的圖像格式，經(jīng)常用 potshot的人會知道，在存圖像格式時有個分級壓縮，共分為 11級壓縮，就是最小壓縮比 的10級壓縮，壓縮比例也可以到 5: 1,在壓縮比例

14、最大的0級壓縮可以達(dá)到40:1。 通常我們選用的8級壓縮壓縮比達(dá)到24： 1，這個比例壓縮出來的圖片我們?nèi)庋蹘缀?分辨不出和原圖的差距，雖然數(shù)據(jù)量大大的減少，但是圖像我們看不出有任何的變化。接 收到圖像數(shù)據(jù)后進行JPEG壓縮再進行相關(guān)處理。 圖10 JPEG編碼流程圖 6.5嵌入式 WEB服務(wù)器設(shè)計 嵌入式WEB服務(wù)器一般由五個主要模塊組成：嵌入式 HTTP引擎，安全模塊，應(yīng)用 程序接口，文件系統(tǒng)和配置模塊由于本嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng)選用ARMlin嵌入 式操作系統(tǒng)，它的文件系統(tǒng)比較成熟，提供了可以使文件訪問的接口，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，解決了專

15、門設(shè)計文件系統(tǒng)的麻煩。本系 統(tǒng)中嵌入式服務(wù)器選用適合嵌入式系統(tǒng)的 Boa服務(wù)器，它是單任務(wù)的嵌入式HTTP服務(wù)器， 它占用內(nèi)存小，另外支持動態(tài) CGI技術(shù)，源代碼開放，功能強大。 6.6網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計 對于網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的情況，要想實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中視頻傳輸流暢的最好方法 是采用流媒體傳輸技術(shù)。流媒體是一種可以使音頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和其它多媒體數(shù)據(jù) 能在In ternet上以實時的、不需要下載等待的方式便可以播放的技術(shù)?，F(xiàn)在我們在網(wǎng)上看 的視頻的技術(shù)都是流媒體技術(shù)。因為目前的網(wǎng)絡(luò)帶寬還不足以承擔(dān)相對比較龐大的網(wǎng)絡(luò)多 媒體，音視頻等多媒體信息必須要經(jīng)過預(yù)先的處理才能進行網(wǎng)絡(luò)的傳輸。傳輸之前的預(yù)處 理工

16、作主要包括兩個方面：一是需要降低數(shù)據(jù)的流量；二是采用目前比較先進的高效的壓縮 算法進行數(shù)據(jù)的壓縮。流媒體是在目前來說是一種比較新的媒體格式，應(yīng)用前景非常廣泛。 視頻監(jiān)控系統(tǒng)對傳輸?shù)膶崟r性要求比較高，因此流媒體技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)視頻采集系統(tǒng)中的應(yīng)用 也會越來越廣泛。本次設(shè)計用到的流媒體傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議是實時傳輸協(xié)議(RTP)，實時傳輸 控制協(xié)議 (RTCP)。 七 仿真調(diào)試 在 PC 機和開發(fā)板之間連接好電源、串口、網(wǎng)線。采用 NFS 方式啟動根文件系統(tǒng)，打 開電源，啟動u-boot，配置環(huán)境變量，ping通虛擬機，把制作好的內(nèi)核通過tftp服務(wù)器下 載到開發(fā)板內(nèi)存 31000000地址處：tftp 31

17、000000 uimage,這樣內(nèi)核從此啟動： bootm 31000000。連接USB攝像頭，當(dāng)系統(tǒng)起來時，在開發(fā)板連接USB攝像頭，出現(xiàn)如下信息：New USB device fou nd,”等信息，表明USB攝像頭已經(jīng)成功加載了驅(qū)動 八 設(shè)計中的問題與方法 本設(shè)計雖然實現(xiàn)了嵌入式視頻服務(wù)器的功能，但是還存在不少的問題需要后續(xù)工作來 解決： 1、壓縮算法的研究，本系統(tǒng)采用JPGE壓縮算法，相對目前比較流行的H.264和MPGE4 壓縮算法，還有很大的差距，在遠(yuǎn)程視頻傳輸時采用上述兩種壓縮算法優(yōu)勢比較明顯。 2、動態(tài) ip 地址的解析，由于目前用戶大多采用家庭寬帶上網(wǎng)，而寬帶上網(wǎng)的 ip 一

18、 般都是動態(tài)ip，本系統(tǒng)如果加入動態(tài)ip解析后應(yīng)用的范圍將會大大增加，由于無線上網(wǎng) 也是采用的動態(tài)ip，加入動態(tài)ip解析后對與無線視頻服務(wù)器的開發(fā)也是必須要做的工 作。 九 嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)心得 通過本次課程設(shè)計，使我加強了對 ARM 的掌握和理解，鞏固了我在嵌入式系統(tǒng)及 應(yīng)用課程中所學(xué)的基本理論知識和實驗技能，使我對嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程有了更 深入的了解，進一步激發(fā)了我對所學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣；提高了我的動手能力以及檢索資料 的能力。對于以后的學(xué)習(xí)與工作都是極大的幫助。在設(shè)計的過程和設(shè)計說明書的撰寫過程 中，老師和同學(xué)給予了我熱心的幫助和大力的支持，給我提了諸多的寶貴意見，拓寬了我 的思路。 十 參考文獻(xiàn) 1 陳文智 .嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理與實踐清華大學(xué)出版社， 2005 2 劉富強 .數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用北京 : 機械工業(yè)出版社 2003 3 林艷，陳新.基于TCP八P的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計福建電腦，2005