基于WiFi的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧 靈，周賢軍

(暨南大學(xué)信息技術(shù)研究所，廣東 廣州 510075)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在樓宇監(jiān)控、交通系統(tǒng)等日常生活中，給人們的生活帶來便利和安全，隨著人們安全意識(shí)的上升，普通居民住宅也大量的采用了視頻監(jiān)控設(shè)備，使得視頻監(jiān)控設(shè)備的市場(chǎng)前景越來越被看好。

目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要兩種方案:PC機(jī)帶視頻采集設(shè)備方案和嵌入式方案。這兩種方案各有優(yōu)勢(shì)，PC方案只需要在自家的PC機(jī)上安裝相應(yīng)的軟件和USB視頻采集卡就可以實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控，嵌入式方案就是將整個(gè)系統(tǒng)使用嵌入式CPU來替代PC的工作。

本文針對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)提出了一種基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，該方案采用USB視頻采集設(shè)備采集視頻圖像，視頻圖像通過S3C6410處理器集成的硬解碼實(shí)現(xiàn)圖像視頻的壓縮，然后通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻圖像到PC終端，由PC機(jī)上QT制作的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的保存和播放。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)就是使用WiFi無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送視頻圖像，使得視頻監(jiān)控系統(tǒng)更靈活，而且在PC機(jī)監(jiān)控軟件視頻圖像的處理和保存上采用了循環(huán)隊(duì)列的形式處理，使得整個(gè)視頻圖像的網(wǎng)絡(luò)接收和播放同時(shí)進(jìn)行，從而大大提高整個(gè)系統(tǒng)的視頻處理的效率。實(shí)驗(yàn)證明，所提出來的方案能夠得到清晰、穩(wěn)定、流暢的視頻圖像。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，整個(gè)視屏監(jiān)控系統(tǒng)分為服務(wù)器和客戶端兩個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)[1]。首先，服務(wù)器通過視頻采集模塊采集視頻圖像數(shù)據(jù)，然后將采集的視頻圖像數(shù)據(jù)幀進(jìn)行JPEG圖片壓縮處理，最后通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)，由客戶端負(fù)責(zé)接收?qǐng)D片數(shù)據(jù);其次，客戶端一直通過網(wǎng)絡(luò)接口接收服務(wù)器傳輸過來的圖片數(shù)據(jù)，并將接收到的監(jiān)控圖片數(shù)據(jù)在客戶端顯示出來。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖

1.1 視頻圖像的采集實(shí)現(xiàn)

視頻圖片的采集是視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要模塊，動(dòng)態(tài)視頻需要連續(xù)播放至少24幀漸變的圖片。目前，視頻監(jiān)控領(lǐng)域中，視頻信號(hào)一般為通過視頻采集卡或外置USB視頻攝像頭采集模擬視頻數(shù)據(jù)[2]。Linux 2.6以上內(nèi)核提供了V4L2 API接口，USB采集的圖片數(shù)據(jù)可以直接通過API函數(shù)采集和存儲(chǔ)，V4L2 API接口在使用之前需要初始化，主要是設(shè)置視頻圖像的幀格式，有兩個(gè)結(jié)構(gòu)體用來定義視頻圖像幀格式:

其中fmt.type可以指定捕捉圖像數(shù)據(jù)流類型，fmt.fmt.pix.width 指定圖像的寬度 fmt.fmt.pix.height設(shè)置圖像的高度，fmt.fmt.pix.pixelformat設(shè)置圖像的存儲(chǔ)格式，通過對(duì)這些參數(shù)的初始化，就可以初始化視頻圖像數(shù)據(jù)幀格式，從而為V4L2 API提供Linux操作系統(tǒng)處理圖像數(shù)據(jù)的接口參數(shù)。整個(gè)圖像數(shù)據(jù)在Linux操作系統(tǒng)下采集處理流程如圖2所示。

圖2 Linux操作系統(tǒng)下采集圖片數(shù)據(jù)處理流程

如圖2所示，圖像數(shù)據(jù)采集是通過Linux操作系統(tǒng)來控制操作的，USB視頻采集模塊在Linux操作系統(tǒng)下被視為一個(gè)文件。首先，打開這個(gè)視頻文件，然后設(shè)置圖像信息與格式，就是初始化兩個(gè)定義視頻圖像幀格式的結(jié)構(gòu)體參數(shù)，在初始化視頻圖像信息與格式之后，再將存放圖像信息的緩存映射到用戶空間，也可以使用read操作函數(shù)將圖像數(shù)據(jù)直接讀到內(nèi)存緩存buffer中，而內(nèi)存映射方式可以使得內(nèi)核與用戶進(jìn)程之間通過映射文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存，可以減少系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)開銷，圖像存儲(chǔ)空間映射完成之后，用戶就可以直接讀取圖像數(shù)據(jù)了，也即采集圖像數(shù)據(jù)，這里設(shè)置了緩存中保存圖片的張數(shù)上限MAX_NUM，用來控制視頻圖像每秒播放圖像數(shù)據(jù)幀數(shù)量。Linux操作系統(tǒng)的V4L2 API接口函數(shù)通過ioctl來操作圖像數(shù)據(jù)的采集，通過該函數(shù)將圖像數(shù)據(jù)一幀一幀地讀取到映射好的存儲(chǔ)空間，首先，調(diào)用ioctl(fd，VIDIOC_QBUF，＆buffer)初始化buffer，使得該buffer適合存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)幀格式的圖像數(shù)據(jù)，讓圖像緩存塊進(jìn)入采集隊(duì)列，然后調(diào)用ioctl(fd，VIDIOC_QUERYBUF，＆buffer)將相關(guān)信息會(huì)保存到buffer里，然后調(diào)用 yuyv[i]=(char*)mmap(0，buffer.length，PROT_READ|OT_WRITE，MAP_SHARED，fd，buffer.m.offset)可以將buffer中的數(shù)據(jù)映射到用戶空間，其中i是圖像在內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的偏移量，這樣圖像數(shù)據(jù)就以YUV格式保存到了yuyv[i]數(shù)組中了，圖像數(shù)據(jù)就讀取到了用戶空間了。

1.2 視頻圖像JPEG硬解碼在S3C6410上的實(shí)現(xiàn)

由于S3C6410內(nèi)部集成了JPEG硬編解碼，解碼速度快，圖像損耗小。因此，這里采用S3C6410內(nèi)部集成了JPEG硬編解碼器對(duì)USB采集的YUV格式視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行JPEG硬解碼。解碼時(shí)用到的1個(gè)重要結(jié)構(gòu)體:

這個(gè)結(jié)構(gòu)體控制了JPG解碼的所有參數(shù)，其中，JPG解碼格式可以選擇JPG_444，JPG_422，JPG_420等格式，這里使用JPG_422，解碼質(zhì)量選擇可以選擇幾個(gè)不同等級(jí)，質(zhì)量高等級(jí)就相應(yīng)的圖片壓縮比例小，圖片相對(duì)損耗也小，圖像解碼寬度和高度設(shè)置對(duì)應(yīng)解碼出來JPG圖像的大小比例，解碼數(shù)據(jù)大小是指解碼的YUV圖片數(shù)據(jù)大小，可以使用sizeof(yuyv)計(jì)算。JPG硬解碼處理流程圖如圖3所示。

圖3 JPG硬解碼處理流程圖

首先，打開JPG硬解碼設(shè)備，調(diào)用fd=open("/dev/s3c－jpg"，O_RDWR)，然后映射stream區(qū)域，作為JPG硬解碼內(nèi)核和用戶共享的區(qū)域，調(diào)用dsp_buf=mmap()，同時(shí)獲取該區(qū)域地址，調(diào)用frame_buf=(char*)ioctl(fd，IOCTL_JPG_GET_FRMBUF，dsp_buf)，再打開YUV文件，讀到內(nèi)存中，接著將YUV讀入內(nèi)存中的數(shù)據(jù)復(fù)制到frame_buf所指的內(nèi)存區(qū)域，最后調(diào)用write(jpg_fd，dsp_buf，param.fileSize)將YUV圖片解碼成JPG圖片，在此之前，需要設(shè)置好JPG解碼格式，即設(shè)置好控制JPG解碼結(jié)構(gòu)體的參數(shù)。

1.3 WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)幀實(shí)現(xiàn)

UT_WiFi_C無線網(wǎng)卡模塊接口為SDIO，該模塊采用Marvell8686的單芯片解決方案，相關(guān)的驅(qū)動(dòng)Marvell官方提供，WiFi無線網(wǎng)卡啟動(dòng)以后，聯(lián)網(wǎng)過程和使用跟有線網(wǎng)絡(luò)基本一樣，也是使用網(wǎng)絡(luò)套接字實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈接和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸[3]。WiFi傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。

圖4 WiFi傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)流程圖

如圖所示，WiFi傳輸是視頻圖像數(shù)據(jù)幀處理過程是一個(gè)應(yīng)答過程。首先，由客戶端發(fā)送讀取視頻圖像幀頭信息申請(qǐng)，服務(wù)器接收到客戶端信息后，發(fā)送視頻圖像幀頭信息過去，客戶端在接收到幀頭信息之后可以根據(jù)幀頭信息設(shè)置和初始化保存視頻圖像幀的緩存區(qū)大小和對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位信息，然后服務(wù)器開始發(fā)送視頻圖像真實(shí)的數(shù)據(jù)信息，客戶端則負(fù)責(zé)接收和保存。

2 服務(wù)器視頻圖像的保存

服務(wù)器使用循環(huán)隊(duì)列形式保存視頻圖像信息數(shù)據(jù)，具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 服務(wù)器視頻圖像保存緩存存儲(chǔ)格式圖

圖5就是服務(wù)器視頻圖像保存緩存存儲(chǔ)格式圖。首先，服務(wù)器申請(qǐng)一塊能夠存放MAX_NUM×N幀視頻圖像數(shù)據(jù)幀大小的內(nèi)存buffer用來存放接收的視頻圖像數(shù)據(jù)幀，其中MAX_NUM用來控制每一秒鐘至少播放的視頻圖像數(shù)據(jù)幀的幀數(shù)，而N是指buffer能夠存放的這樣數(shù)據(jù)幀塊的數(shù)量。接收的視頻圖像數(shù)據(jù)幀不斷的被存放到該buffer中，第一次要求填滿該buffer，然后開始播放視頻圖像，每秒鐘播放MAX_NUM幀視頻圖像，當(dāng)播放到MAX_NUM×N/2幀時(shí)，這時(shí)開始發(fā)送消息，要求更新已經(jīng)播放的視頻圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)接著播放buffer中剩下沒有播放的視頻圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)再次播放到MAX_NUM×N/2幀時(shí)，再次要求更新已經(jīng)播放的視頻圖像數(shù)據(jù)，而之前要求更新的圖像數(shù)據(jù)這時(shí)候已經(jīng)更新完成了，可以繼續(xù)播放，如此循環(huán)播放。由于視頻更新使用的網(wǎng)絡(luò)接收視頻圖像數(shù)據(jù)線程，而播放視頻使用的是播放視頻線程，二者并行運(yùn)行，節(jié)約了整個(gè)服務(wù)器處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，大大的提高了存儲(chǔ)和播放的性能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

視頻監(jiān)控設(shè)備流程圖如圖6所示[4]。

圖6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

首先，服務(wù)器和客戶端初始化，并配置好相互連接的網(wǎng)絡(luò)套接字，客戶端通過有限連網(wǎng)，用來連接服務(wù)器WiFi無線網(wǎng)絡(luò);服務(wù)器在配置好網(wǎng)絡(luò)之后，開始偵聽客戶端請(qǐng)求，如果客戶端請(qǐng)求視頻圖像數(shù)據(jù)接收，服務(wù)器開始采集視頻圖像數(shù)據(jù)，由于視頻圖像播放必須在1 s里連續(xù)播放至少24幀圖像數(shù)據(jù)才能夠保證連續(xù)平滑的視覺效果，所以，需要設(shè)置一個(gè)視頻數(shù)據(jù)幀采集控制標(biāo)志位MAX_NUM，由它來控制視頻幀的采集數(shù);當(dāng)視頻數(shù)據(jù)幀采集完成時(shí)，即大于MAX_NUM時(shí)，開始JPEG視頻圖像硬解碼，S3C6410內(nèi)部集成了JPEG硬編解碼，可以直接對(duì)USB采集的YUV格式視頻圖像進(jìn)行JPG解碼，比軟件直接解碼損耗低，而且速度快;視頻圖像解碼之后，就可以開始發(fā)送視頻圖像數(shù)據(jù)了，發(fā)送視頻數(shù)據(jù)幀使用了MAX_NUM×N/2這個(gè)標(biāo)志位來控制，這主要是配合客戶端視頻圖像數(shù)據(jù)幀循環(huán)緩存更新設(shè)置的，如果傳輸視頻數(shù)據(jù)幀大于或等于MAX_NUM×N/2，就需要更新視頻圖像數(shù)據(jù)了，如果客戶端重新請(qǐng)求更新圖像數(shù)據(jù)，開始新的視頻圖像采集和發(fā)送。在客戶端，在接收到視頻圖像數(shù)據(jù)幀之后，將數(shù)據(jù)保存在循環(huán)緩存區(qū)，這個(gè)緩存區(qū)里面可以存放MAX_NUM×N幀數(shù)據(jù)，第一次接收數(shù)據(jù)需要將這個(gè)緩存區(qū)填滿視頻圖像數(shù)據(jù)幀，然后開始播放，每次播放完成MAX_NUM×N/2幀視頻圖像數(shù)據(jù)幀之后，向服務(wù)器發(fā)送更新已經(jīng)播放的視頻圖像數(shù)據(jù)，然后接著播放還沒有播放的MAX_NUM×N/2幀數(shù)據(jù)，這樣循環(huán)請(qǐng)求和更新緩存區(qū)保存的視頻圖像數(shù)據(jù)幀，并循環(huán)播放緩存區(qū)視頻圖像數(shù)據(jù)，由于視頻播放和網(wǎng)絡(luò)接收視頻圖像數(shù)據(jù)是兩個(gè)獨(dú)立的線程可以并發(fā)執(zhí)行，這樣就使得視頻的傳輸和播放同時(shí)在進(jìn)行，在播放前一段視頻圖像時(shí)更新后一段視頻圖像，在播放后一段視頻圖像時(shí)更新前一段視屏圖像，整個(gè)循環(huán)進(jìn)行，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)視頻處理的效率。

4 系統(tǒng)仿真與測(cè)試

系統(tǒng)仿真測(cè)試分為服務(wù)器和客戶端兩個(gè)終端的仿真測(cè)試。圖7是服務(wù)器終端仿真測(cè)試圖，采用S3C6410開發(fā)板作為CPU控制整個(gè)服務(wù)器的運(yùn)行，包含USB攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，圖像視頻數(shù)據(jù)幀的JPG硬解碼和WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸圖片數(shù)據(jù)。圖8是客戶端視頻監(jiān)控畫面，客戶端的視頻監(jiān)控軟件是基于QT平臺(tái)的C++用戶圖形化界面開發(fā)工具開發(fā)的，其中，operation菜單鍵可以控制視頻圖像抓取和播放，setting負(fù)責(zé)設(shè)置軟件的初始化參數(shù)信息。整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果證明，視頻圖像的顯示和抓取流暢，畫面效果清晰、平滑，說明整個(gè)設(shè)計(jì)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理高效。

5 結(jié)束語

針對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，提出了一種基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)解決方案。該方案解決了USB視頻圖像采集問題，并通過S3C6410內(nèi)部集成的JPG硬解碼實(shí)現(xiàn)了視頻圖像的壓縮處理，最后通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)將視頻圖像發(fā)送到客戶端，在客戶端采用視頻圖像循環(huán)保存和顯示，最終實(shí)現(xiàn)了視頻圖像清晰、穩(wěn)定、平滑顯示，整個(gè)設(shè)計(jì)正確、高效。

[1]張偉男，張溢華.基于無線傳輸?shù)囊苿?dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2009，33(3):79－81.

[2]趙文敏，余文芳，邢建國.一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2009，26(8):67－69.

[3]熊平，劉剛，莊彩云，等.基于WiFi技術(shù)的嵌入式病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2011，28(1):2447－2449.

[4]王小紅，周淵平，方曉翠.嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù)，2011，44(6):105－109.