嵌入式系统设计课程作业
题目：基于嵌入式的视频监控系统设计
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2015年06月17日
基于嵌入式的视频监控系统设计
摘要： 该文介绍了一种基于WiFi 无线网络的嵌入式视频监控系统的设计。该设计的服务器端以ARM S3C2440A 微处理器，搭载Linux-2.6.38操作系统，该设计以Android 手机作为客户端的软/硬件平台。该设计基于TCP/IP网络传输协议作为网络视频通信系统。针对服务器端视频图像采集较慢的问题，提出了一种基于循环队列存储视频图像的方法，同时对视频数据进行拆包发送，提高了视频数据的传输效率。
关键词： 嵌入式；S3C2440A ；Linux ；Android ；wifi
视频监控系统是安全防范系统的组成部分, 它是一种防范能力较强的综
合系统。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。 近年来, 随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展, 涌现出大 量的嵌入式视频监控系统。
1. 概述
视频监控系统概述
视频监控是利用机器视觉和图像处理的方法对图像序列进行运动检测、运动目标分类、运动目标跟踪以及对监视场景中目标行为的理解与描述。其中, 运动检测、目标分类、目标跟踪属于视觉中的低级和中级处理部分, 而行为理解和描述则属于高级处理。运动检测、运动目标分类与跟踪是视频监控中研究较多的三个问题，而行为理解与描述则是近年来被广泛关注的研究热点, 它是指对目标的运动模式进行分析和识别, 并用自然语言等加以描述。
视频监控系统发展
视频监控技术的发展大致可分为四个阶段闭路电视系统构建的模拟系统、数字信号控制的模拟视频监控系统、数字硬盘录像设备为核心的视频监控系统和现在的数字网络视频监控系统。
第一代视频监控系统是采用闭路电视系统构建的模拟系统, 通过摄像机、监视器、磁带录像机等构成。由于模拟矩阵很难做到数十路的切换, 不能与报警系统联动, 不能对前端进行控制且价格昂贵、操作管理复杂、很难实现较大系统的要求, 己经逐渐被淘汰。
第二代视频监控系统是数字信号控制的模拟视频监控系统。数字信号控制的模拟视频监控系统又分为基于微处理器的视频切换控制加机的多媒体管理和基于机实现对矩阵主机的切换控制及对系统的多媒体管理两种类型。
第三代视频监控系统是以数字硬盘录像设备为核心的视频监控系统。90年代末, 随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展, 数字录像监控系统迅速崛起。数字监控录像系统通常分为两类：一类是基于pc 机组合的计算机多媒体工作方式，另一类是嵌入式数字监控录像系统。
基于pc 的视频监控录像系统的组成结构为：兼容/工控pc 机+视频采集卡+普通较可靠的操作系统平台应用软件，从系统的组成结构来分析：
a ，pc 机
兼容pc 机用于24小时不间断工作时, 其性能通常是不可靠的, 工控pc 机相对兼容pc 机的稳定性有一个档次上的提高, 适用于较复杂的工作环境。
b 、操作系统
以windows 为操作平台的系统一般来说,windows 的稳定性是有一定问题的, 如果同时应用软件又不是很规范, 这样就容易在使用过程中出现工作不稳定、死机等
问题, 而基于pc 机的视频监控录像系统其软件的实现是在等通用操作系统上, 同时系统文件、应用软件和图像文件都存储在硬盘上, 视频处理必须高密度输入大量数据, 同时硬盘要进行多工工作, 普通的硬盘逻辑已无法适应, 以致极易产 生系统的不稳定性, 造成死机现象
c 、应用软件
采用简易应用软件的系统是不能够应用安防领域的, 视频监控系统的应用软件能力上应支持多任务并发处理, 如监视、录像、回放、备份、报警、控制等的多工处理能力。
d 、视频采集卡
视频监控录像系统通常均为多路输入系统, 视频采集卡可采用多卡方式, 也可采用单卡方式。一般说, 单卡方式集成度高, 稳定性会优于多卡方式, 很多采用一路一卡的方式很容易形成硬件冲突, 其稳定性会有较大的影响。目前市场上也有部分为追求高帧数而设计采用多卡进行迭加的多路单卡设备, 但其仍在计算机的总线上进行传输、处理,pci 总线将是系统的瓶颈, 不可能会有质的飞跃。
2. 嵌入方式的数字监控录像系统
嵌入式系统的优缺点
a 、系统为专用系统, 所以系统小, 指令精简, 处理速度快。
b 、系统数据置于rom, 调用速度快, 不会被改变, 稳定性好。
c 、系统处理实时性好, 性能稳定。
d 、文件管理系统更适合于大量的视频数据。
e 、该类系统目前四路以上机型还较为少见。
f 、在网络功能、音视频同步等方面也难令人满意。
第四代视频监控系统一数字网络视频监控系统
1. 数字网络视频监控系统的原理
数字网络视频监控系统的关键设备是网络视频信号采集终端也被称为视频服务器, 网络视频信号采集终端采用嵌入式实时多任务操作系统。摄像机送来的视频信号在网络视频信号采集终端数字化后由高效压缩芯片压缩, 通过内部总线送到网络接口发送到网络上, 网络上用户可以直接用在pc 机上用浏览器观看网络视频信号采集终端传送过来的摄像机所拍摄的图像, 授权用户还可以通过计算机网络透过网络视频信号采集终端控制摄像机镜头和云台的动作或对系统进行配置操作。由于把视频压缩和网络功能集中到一个体积很小的设备内, 可以直接连入 局域网, 达到即插即用, 省掉多种复杂的电缆, 安装方便仅需设置一个ip 地址, 用户也无需安装任何硬件设备, 仅通过pc 机用浏览器即可观看。
2. 数字网络视频监控系统与其它监控系统的比较
a 、布控区域广阔
数字网络视频监控系统的网络视频信号采集终端直接连入网络, 没有线缆长度和信号衰减的限制, 同时网络是没有距离概念的, 彻底抛弃了地域的概念, 扩展布控区域。
b 、系统具有几乎无限的无缝扩展能力，所有设备都以地址进行标识, 增加设备只是意味着地址的扩充。
c 、可组成非常复杂的监控网络
采用基于网络视频信号采集终端为核心的监控系统, 在组网方式上与传统的模拟监控和基于平台的监控方式有极大的不同, 由于视频信号采集终端输出己完成模
拟到数字的转换并压缩, 采用统一的协议在网络上传输, 支持跨网关、
跨路由器的远程视频传输。
d 、性能稳定可靠, 无需专人管理
视频信号采集终端实际上基于嵌入式电脑技术, 采用嵌入式实时多任务操作系统, 又由于视频压缩和网络功能集中到一个体积很小的设备内, 直接连入局域网或广域网, 即插即看, 系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高, 也无需专人管理, 非常适合于无人值守的环境。
e 、当监控中心需要同时观看较多的摄像机图像时, 对网络带宽就会有一定的要求。
2. 视频监控系统硬件设计方案
本节主要介绍了监控系统的硬件开发平台, 描述了统电路模块构成、硬件电路原理, 并给出了系统硬件总体设计方案。
整个系统的硬件电路主要包括以下几个模块, 网卡cs8900a,nandFlash 存储器k9f1208,USB 接口,JTARG 接口，UART 接口, 电源、复位电路等。
3. 视频监控系统软件设计方案
监控系统功能模块可以划分为智能视频监控和实时视频监控两部分。它们在系统中的结构框图如图所示
视频监控报警：
基于v4L 的API 进行轮循图像采集, 并基于差影法进行运动检测, 发现物体闯入监控区域后, 触发短信报警程序, 同时保存报警时刻所采集到的图像。
实时视频监控：基于ffmpeg 视频压缩库和嵌入式web 服务器boa 实现视频实时监控, 用户可以通过普通播放器在网络上监控目标区域的活动情况。
嵌入式操作系统的选用
虽然嵌入式操作系统并不总是必须的, 因为程序完全可以在裸板上运行，但对于复杂的系统, 为使其具有任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理和中断处理的能力, 提供多任务处理, 更好的分配系统资源的功能, 很有必要针对特定的硬件平台和实际应用移植操作系统。
本项目意在设计一个价格低廉, 应用灵活的视频监控系统, 使用embedded Linux 有以下依据：
1. 源代码开放、易于获得、网络功能强大等特点正好满足我们的需要。
2. 并且互联网上有相当多的开源软件可供我们使用。
3. 使用embedded Linux技术开发使得我们可以将整个开发重心从硬件与汇编程序转移到应用软件上。
结论：
1. 目前视频监控系统实时性不理想, 可扩展dsp 芯片进行视频编解码, 利用其高效的编解码能力可大大提高系统实时性能
2系统已具备网络视频服务器功能。通过浏览器可以浏览设备的网页。下一步可以在网页上嵌入cgi 程序控制摄像头, 这样用户在ie 中输入摄像头ip, 进入页面后就可以直接远程调整摄像头视频采集参数等, 实现网络控制。
3. 在本嵌入式视频监控系统基础上, 可以扩展到多路摄像头监控, 并跟踪、定位和识别运动物体和进行3d 视频监控。
本论文在嵌入式操作系统移植以及嵌入式开发方面做了一定的工作。现在的智能手机或经常用到嵌入式操作系统及图形用户界面, 本系统接上触摸屏后, 就类似于一个掌上机。因而, 系统的研究成果可直接应用到智能手机、研究开发中。