基于视频监控系统的设计及其实现.doc

摘要

伴随计算机技术和图像处理技术发展，数字视频监控系统得到了广泛应用。伴随嵌入式技术和网络技术发展，出现了基于嵌入式和Internet视频监控系统。介绍了基于ARM微处理器嵌入式网络视频监控系统组成，着重叙述了监控系统原理、设计方案，硬件模块和软件模块实现方法。
关键字：嵌入式系统；远程监控；图像处理；IP组播；数据压缩

一、序言

监控系统作为现代企业不可缺乏关键组成部分，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、远程教等很多领域，能够有效地避免安全隐患发生，保障职员人身安全和企业资产不受损失，实现无人值守。
早期模拟监控系统不能联网，只能和监控中心进行点对点通信，伴随图像和视频处理技术、网络技术和自动控制技术发展，视频监控系统已过渡到数字化网络监控。它以数字视频压缩、传输、存放和播放为关键，采取优异数字图像压缩编／解码技术和传输技术，将智能图像处理和识别技术用于图像显示、调整、跟踪，依据现场环境智能调整摄像机位置及清楚度，对物体进行跟踪识别，对图像进行分析和处理。此视频监控系统是经过在一些地点安装摄像头等视频采集设备对现场进行拍摄监控，然后经过一定传输网络将视频采集设备采集到视频信号传送到指定监控中心，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，依据系统各部分功效不一样，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、实施层、支撑层、采集层。当然，因为设备集成化越来越高，对于部分系统而言，一些设备可能会同时以多个层身份存在于系统中。
1、表现层
表现城是我们最直观感受到，它展现了整个视频监控系统品质。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全部属于这一层。
2、控制层
控制层是整个视频监控系统关键，它是系统科技水平最明确表现。通常我们控制方法有两种——模拟控制和数字控制。模拟控制是早期控制方法，其控制台通常由控制器或模拟控制矩阵组成，适适用于小型局部视频监控系统，这种控制方法成本较低，故障率较小。但对于中大型视频监控系统而言，这种方法就显得操作复杂且无任何价格优势了，这时我们更为明智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控制关键，它将复杂模拟控制操作变为简单鼠标点击操作，将巨大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，控制主机价格十分昂贵、模块浪费情况、系统可能出现全线瓦解危机、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音视频信号加以分配、放大、分割等等处理，有机将表现层和控制层加以连接。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全部属于这一层。
4、传输层
传输层相当于视频监控系统血脉。在小型视频监控系统中，我们最常见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。值得一提是，新出现传输层介质——网线光纤。大多数人在数字安防监控上存在一个误区，她们认为控制层使用数字控制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，数字信号在现在已趋成熟网络上跑，理论上是无衰减，这就确保远程监控图像无损失显示，这是模拟传输无法比拟。当然，高性能回报也需要高成本投入，这是纯数字视频监控系统无法普及最关键原因之一
5、实施层
指令命令对象，在一些时候，它和我们后面所说支撑诚、采集层不太好截然分开，我们认为受控对象即为实施层设备。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支撑，保护和支撑采集层、实施层设备。它包含支架、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关键原因，也是系统成本开销最大地方。它包含镜头、监控摄像报警传感器等等。
二、数字视频监控系统组成

监控中心含有电视墙、磁盘阵列、服务器、交换机和路由器等网络设备，还能够经过多级级联组成多级监控系统。监控站点关键由视频服务器和摄像机组成，整个系统组网灵活；能够突破地域限制，进行大规模、远距离实时图像监控和报警处理。图1所表示。
监控系统软件包含用户端、服务器端软件两部分和相
互之间通信。
在实际工作中，依据实际情况，在需要地方安装对应前
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)
和对应软件系统。

三、视频服务器硬件实现

图1中每个监控站点关键由摄像头、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，图2所表示。其中网络视频服务器以嵌入式微处理器为关键，由视频采集编码模块、网络功效模块、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关键，采取SAMSUNG微处理$3C4510B该微处理器内置了ARM企业设计16／32位ARMTTDMI内核，能够实施32位ARM指令或16位Thumb指令，操作频率最高达50MHz，专为以太网通信系统集线器和路由器而设计，提供了8K字节Cache和以太网控制器，内置2通道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端口含有低成和高性能特点。

3．2云台控制器

云台控制器配有标准RS232接口，和视频服务器串口相连，由视频服务器对云台进行控制。监控中心或授权用户能够经过网络发送命令给视频服务器，经过视频服务器上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开合，从而实现对云台上、下、左、右、自动等动作控制和摄像头变焦、变倍、拉伸等控制。
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择Omnivition企业彩色数字图像传感器OV7620，负责采集摄像机发送来模拟视频数据并进行模数转换，然后将处理后数字化视频YUV数据存人数据缓冲器1。该芯片支持VGA／QVGA两种格式图像，最高像素达326688：帧速率可达30fps，数据格式包含YCrCb 4：2：2，GRB 4：2：2，RGB Raw Data三种，可调整图像亮度、对比度、饱和度等，支持CCIR601，CCIR656，ZV port等数字视频接El，在功效及图像品质上达成要求。

视频数据压缩部分功效是从数据缓冲存放器1中读出YUV格式视频数据，进行MPEG4格式压缩，然后经过数据总线将数据存放到另一个缓冲存放器2中，由$3C4510B进行处理。该压缩芯片采取美国Vweb企业生产VW，这是一个常见实时视音频压缩／解压缩芯片，兼容MPEG一1、2、4，H．263标准，含有很高实用性和性价比，计算能力强大，能够以每秒25帧或30帧采样速度对视频信号进行实时、动态捕捉和压缩。VW芯片在图像压缩完成后或当数据缓冲存放器半满时，会产生中止，通知系统图像压缩任务己经完成，或缓冲区等候取走数据，方便存放新数据。

3．4网络接口模块设计

网络接口模块负责和远程通信，接收远程发送来控制命令，或将压缩处理后数据发送到网络中，它直接由$3C4510B芯片内集成10／100M以太网接口控制器和以太网接口芯片RTL8201和RJ45网络接口组成。
以太网接口电路关键由MAC控制器和物理层接口(Physi—calL ayer,PHY)两大部分组成。$3C4510B内嵌一个以太网MAC控制器，支持媒体独立接口(Media Independent Interface，MII)和带缓冲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物理层接口，以提供以太网接人通道。本系统采取物理层接口芯片是Realtek企业生产单片、单端口IO／IOOM RTL8201芯片，它提供MII接口和传统7线制网络接口，能够方便地和$3C4510B配合使用，再经过网络变压器接人RJ45和以太网相连。

3．4实时时钟模块设计

监控系统需要在出现报警或发生特殊事件时，统计发生时间。传统数据统计方法是定时采样，没有具体时间统计，所以只能统计数据而无法正确统计其出现时间，而且需要占用硬件资源，所以需采取实时时钟RTC(Real Time Clock)芯片。RTC经过电路板上电池来供电，而不是经过电源来供电，当关掉电源后，RTC仍然能够继续工作，方便在断电后仍然能保持时间。能够选择12小时模式或二十四小时模式。
3.5 cmos摄像头

摄像头和试验板上cmos摄像头接口相连。

四、监控系统软件结构及其实现

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，经过斗CLinux设备驱动程序对硬件进行控制，图3所表示。服务器端软件开发采取宿主机／目标机模式，在宿主机上开发后，经过串口、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。

视频服务器端软件关键功效是对摄像机摄取图像进行采集、压缩、存放、传送、播放等操作，当操作系统开启后，开启实时时钟，系统加载串口、USB等驱动模块，等候拍照完成，然后不停反复采集图片，发送图片操作。

4．2用户端软件

用户端指是监控中心或远端一个授权用户，能够接收来自视频监控服务器传送数据。其功效关键包含接收数据、浏览数据、播放图像(解压图形)，数据分析，文件存放。当用户端接收到数据后，首先依据协议数据规范对截获数据进行分析，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，并对其中用户信息和流量进行统计，再对这两个部分信息进行存放或传给对应显示模块。为了查看以前统计，在显示结果同时，也要把结果统计下来，保留在监控中心磁盘阵列上，以备以后取出查对检验。

4．3用户端和服务器端通信

多个不一样用户端有可能同时要求接收／查看一个通道图像，所以为了减轻网络负担，并提升数据传输率，采取组播技术。视频服务器发送一个信息，网络中多个IP站点能够同时接收该信息，这么能够降低网络流量，避免资源浪费。
对每个摄像头全部建立一个名字唯一组播组，每个想实时监控某摄像点主机全部申请加入该摄像点组播组，由视频服务器自动维护组员和组之间关系，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分配、用户端视频和其它信号采集参数设置和远程监控规则更新。在软件设计中经过使用socket编程，来实现底层数据控制和传输程序。系统中用户应用程序向服务器应用程序请求服务，建立连接。服务器应用程序通常在一个周知地址上侦听(1isten)服务请求。其关键步骤可经过图4来表示。

五、系统中关键技术介绍
5.1视频图像数据采集

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择Omnivition 企业彩色数字图像传感器OV7620负责采集摄像机发送来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两种格图像, 最高像素达326688, 帧速率可达30fps, 数据格式包含YCrCb 4:2:2, GRB 4:2:2, RGB Raw Data 三种, 可调整图像亮度、对比度、饱和度等,支持CCIR601, CCIR656, ZV port 等数字视频接口, 在功效及图像品质上达成要求。

5.2 视屏图像数据压缩

视频数据压缩部分功效是从数据缓冲存放器1 中读出YUV 格式视频数据, 进行MPEG4 格式压缩, 然后经过数据总线将数据存放到另一个缓冲存放器2 中, 由S3C2440 进行处理。该压缩芯片采取美国Vweb 企业生产VW, 这是一个常见实时视音频压缩/解压缩芯片, 兼容MPEG- 1、2、4, H.263 标准, 含有很高实用性和性价比, 计算能力强大, 能够以每秒25 帧或30 帧采样速度对视频信号进行实时、动态捕捉和压缩。VW 芯片在图像压缩完成后或当数据缓冲存放器半满时, 会产生中止, 通知系统图像压缩任务己经完成, 或缓冲区等候取走数据, 方便存放新数据。

5.3 移动目标识别（算法）

对复杂背景下多个移动物体进行目标快速识别和跟踪复合算法。该算法中采取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，能够显著提升目标识别速度和正确率。

5.4 视频图像数据传输

六、结束语

嵌入式视频监控系统不仅含有抗干扰能力强，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、存放和显示，充足利用现有网络资源等很多优点，而且含有体积小、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，采取组播技术实现视频信号在网上传输，在网络任意位置全部可实现对整个监控系统指挥、调度、存贮和授权控制。
创新见解：数字视频监控系统替换了模拟视频监控系统后，得到了广泛应用。伴随嵌入式技术和网络技术发展，出现了基于嵌入式和Intemet视频监控系统。该系统关键是以$3C4580为关键视频服务器，以TCP／IP网络为传输媒介，采取组播技术实现视频信号在网上传输，在网络任意位置全部可实现对整个监控系统指挥、调度、存贮、授权控制。

参考文件
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