基于WinCE的ARM視頻監(jiān)控系統(tǒng)解析
2008/02/26
設計一種嵌入式系統(tǒng)，以WinCE操作系統(tǒng)和ARM硬件平臺為核心實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)控;通過無線網(wǎng)絡把視頻圖像傳輸?shù)街鳈C端，以實現(xiàn)分析、存儲及顯示等功能。
數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機或嵌入式系統(tǒng)為中心、視頻處理技術為基礎組建的的一種新型監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用符合圖像數(shù)據(jù)壓縮的國際標準，綜合利用圖像傳感器、計算機網(wǎng)絡、自動控制和人工智能等技術。由于數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)對視頻圖像進行了數(shù)字化，所以與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比，數(shù)字監(jiān)控具有許多優(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)是模塊化結構，體積小，易于安裝、使用和維護。正是由于數(shù)字視頻監(jiān)控技術具有傳統(tǒng)模擬監(jiān)控技術無法比擬的優(yōu)點，而且符合當前信息社會中數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化的發(fā)展趨勢，所以數(shù)字視頻監(jiān)控技術正在逐步取代模擬監(jiān)控技術，廣泛應用于各行各業(yè)。嵌入式系統(tǒng)以體積小、實時性強、性價比高、穩(wěn)定性好等特點在社會的各個領域中得到了廣泛應用。筆者設計的一種嵌入式系統(tǒng)，以WinCE操作系統(tǒng)和ARM硬件平臺為核心實現(xiàn)了對
現(xiàn)場的實時監(jiān)控，并通過無線網(wǎng)絡把視頻圖像傳輸?shù)街鳈C端，以實現(xiàn)分析、存儲和顯示等功能。
1.系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)主要由操作系統(tǒng)定制、視頻圖像采集、視頻圖像無線傳輸三部分組成。系統(tǒng)的核心芯片選用基于ARM920T內(nèi)核的S3C2410嵌入式微處理器，軟件環(huán)境選用Microsoft Windows CE操作系統(tǒng)。系統(tǒng)首先通過USB攝像頭采集現(xiàn)場實時視頻信息，并對其進行壓縮。然后，使用兩塊無線網(wǎng)卡在ARM開發(fā)板與上位機之間構建一個無線局域網(wǎng)絡，從而將壓縮的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C端，終端用戶即可在主機端通過流媒體播放程序查看遠程視頻影像。視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結構框圖如圖l所示。
圖l、視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結構框圖
2.操作系統(tǒng)的定制
系統(tǒng)硬件平臺的核心芯片選用了S3C2410處理器，最高頻率可達203 MHz。S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用O.18μm制造工藝的32位微控制器。該處理器具有較高的集成度，簡化了應用系統(tǒng)的硬件設計，提高了系統(tǒng)的可靠性。開發(fā)扳上還擴展了4MB的NOR
Flash、64 MB的NAND Flash和64 MB的DRAM。
系統(tǒng)選用了Microsoft Willdows CE(簡稱“WinCE”)操作系統(tǒng)。WinCE是一個緊湊的、高效且可擴展的32位操作系統(tǒng)，適用于各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。它擁有多線程、多任務和確定性的實時、完全搶占式優(yōu)先級的操作系統(tǒng)環(huán)境，專門面向只有有限資源的硬件系統(tǒng);同時，它的模塊化設計方式使得系統(tǒng)開發(fā)人員和應用開發(fā)人員能夠為多種多樣的產(chǎn)品來定制它，可以選擇、組合和配置WinCE的模塊和組件來創(chuàng)建用戶版的操作系統(tǒng)。
在WinCE產(chǎn)品開發(fā)中，主要有內(nèi)核定制和應用程序開發(fā)兩項非常重要的工作。微軟在兩方面都提供了良好的開發(fā)工具，即內(nèi)核定制工具Platform
Builder(簡稱“PB”)和應用程序開發(fā)工具Embedded Visual C++(簡稱“EVC”)。
在系統(tǒng)定制過程中，各部分的關系如圖2所示。
3.視頻圖像采集
3.1 攝像頭驅(qū)動
圖像采集模塊的硬件資源選用了當前市面上應用最廣泛的USB接口的中星微攝像頭。該款攝像頭造價低廉，成像效果好，用于本系統(tǒng)中體現(xiàn)出了較高的性價比。系統(tǒng)在進行視頻采集前，首先要檢測設定視頻源。系統(tǒng)啟動后，WinCE操作系統(tǒng)會自動檢測攝像頭是否連接好。本系統(tǒng)在定制WinCE操作系統(tǒng)時，通過修改操作系統(tǒng)配置和注冊表�？梢允瓜到y(tǒng)自動加載攝像頭在WinCE下的驅(qū)動程序ZC030x.dll。
系統(tǒng)自動加載驅(qū)動程序時，首先要將驅(qū)動程序復制到\WINDOWS文件夾下，然后向注冊表中寫入攝像頭的驅(qū)動信息：
其中，prefix為設備文件名，D11為驅(qū)動的文件名，Order為設備文件名索引。硬件配置完成后啟動操作系統(tǒng)，就可以自動加載驅(qū)動，運行應用程序進行圖像采集了。
3.2 圖像采集程序
中星微攝像頭采用了中星微301PLUS快速主控芯片。該芯片是一款高性能圖像壓縮芯片，輸出MIPEG視頻流數(shù)據(jù)。MIPEG(Motion JPEG)主要是基于靜態(tài)視頻壓縮發(fā)展起來的技術，特點是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨對某一幀進行壓縮，通�？蛇_到6：1的壓縮率。它的誤差穩(wěn)定性非常好，可以獲取清晰度很高的視頻圖像，而且還可以靈活設置各路視頻清晰度，壓縮幀數(shù)。
本系統(tǒng)直接從攝像頭驅(qū)動中獲取MJPEG視頻流數(shù)據(jù)，圖像采集流程如圖3所示。
圖像采集模塊用到的主要函數(shù)有：
- capInitCamera()用來初始化視頻設備，并獲取當前可用的視頻設備數(shù)目;
- capSetVideoFormat()設置視頻格式和分辨率。本系統(tǒng)使用的視頻格式為RGB24，分辨率為320×240像素;
- capGrabFrsme()從驅(qū)動中抓取1幀圖像，并存儲在緩存lpFrameBuffer中;
- capGetLastJpeg() 將抓取的MJPEG格式的圖像轉(zhuǎn)換成JPEG格式，送到無線發(fā)送模塊。
- capCloseCamera() 關閉視頻設備;
視頻采集部分還有查詢視頻采集格式、設置明暗度、設置對比度等相關函數(shù)，不再詳述。
4.視頻傳輸部分
4.1 配置無線網(wǎng)卡
圖像傳輸模塊主要是通過USB接口的無線網(wǎng)卡來實現(xiàn)的。該無線網(wǎng)卡可與S3C2410集成的USB主機接口直接相連，工作在2.4 GHz的ISM頻段，采用直接序列擴頻通信方式，遵從802.11g協(xié)議，傳輸速度可達54Mbps，室內(nèi)有效距離為100 m，能夠滿足局域網(wǎng)內(nèi)視頻傳輸?shù)囊�。本系統(tǒng)通過開發(fā)板和主機之間的無線網(wǎng)卡構建無線局域網(wǎng)絡，能夠?qū)崿F(xiàn)點對點的無縫連接，用戶通過此無線網(wǎng)絡可以實現(xiàn)文件傳輸、視頻通信等應用。
開發(fā)板端的無線網(wǎng)卡也需要加載驅(qū)動才能運行。本系統(tǒng)在定制WinCE操作系統(tǒng)時，首先將無線網(wǎng)卡的驅(qū)動程序復制到\WINDOWS文件夾下，然后向注冊表中寫入無線網(wǎng)卡的驅(qū)動信息。WinCE操作系統(tǒng)啟動后會自動檢測無線網(wǎng)卡是否連接好，并加載驅(qū)動程序，此時，就可以通過應用程序調(diào)用此無線網(wǎng)卡了。在無線傳輸時，注意要把開發(fā)板和主機設置在同一IP網(wǎng)段。
4.2 傳輸視頻數(shù)據(jù)
實時傳輸協(xié)議RTP(Real time Transport Protocol)是一種實時流式傳輸協(xié)議，能夠保證媒體信號帶寬與當前網(wǎng)絡狀況相匹配，在一對一(umcast，單播)或者一對多 (multicast，多播)的網(wǎng)絡環(huán)境中實現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)的實時傳輸。RTP通常使用UDP來進行多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。整個RTP協(xié)議由兩個密切相關的部分組成：RTP數(shù)據(jù)協(xié)議和RTCP控制協(xié)議。
針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收發(fā)要求，采用了開源代碼JRT-PLIB提供的RTP協(xié)議棧。JRTPLIB是一個面向?qū)ο蟮腞TP庫，完全遵循RFC1889設計。開發(fā)人員只要初步了解RTP協(xié)議就可以開發(fā)出高質(zhì)量的音/視頻傳輸程序。把它移植到EVC上，稍作修改就可以應用在WinCE操作系統(tǒng)的ARM開發(fā)板上了。
4.2.1 建立RTP的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收
JRTPLIB 提供的RTPSession類可以實現(xiàn)RTP的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。RTP數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的初始化步驟基本相同。首先設置時間戳、最大的RTP包尺寸、數(shù)據(jù)超時等會話參數(shù)，然后設置基端口(注意這個端口必須是偶數(shù)，默認值為5000)。在設置好這些參數(shù)之后，就可以使用RTPSession的Create方法建立RTP數(shù)據(jù)接收和發(fā)送了。
數(shù)據(jù)發(fā)送端使用RTPIPv4Address(intIP，PORT_DATA)建立一個新的地址，再使用AddDestination將這個地址增加到發(fā)送的地址列表中。然后，調(diào)用SendPacket函數(shù)發(fā)送RTP數(shù)據(jù)。
在數(shù)據(jù)接收端建立RTP會話并且增加了目標地址后，就可以從目標地址接收數(shù)據(jù)了。此時將調(diào)用OnRtpPacket函數(shù)接收RTP數(shù)據(jù)，在這個函數(shù)里取得裝載數(shù)據(jù)并使用。在OnRTPPacket函數(shù)中，調(diào)用函數(shù)zc030x_OutPicture(&m_pDlg->frame)，對接收到的數(shù)據(jù)進行解碼。最后，調(diào)用函數(shù)StretchDIBits()，在當前窗口中顯示視頻圖像。
4.2.2 RTP的控制協(xié)議——RTCP
RTCP(Real-time Transport Control Protocol)和RTP一起提供流量控制和擁塞控制服務。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包。RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料，因此，服務器可以利用這砦信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率達到最佳效果。
JRTPLIB是一個高度封裝的RTP庫，調(diào)用PollData()或者SendPacket()方法后，JRTPLIB能夠自動對到達的RTCP數(shù)據(jù)報進行處理，并在需要時發(fā)送RTCP數(shù)據(jù)報，從而確保整個RTP會話過程的正確性。在RTP數(shù)據(jù)收發(fā)中，也可以通過調(diào)用RTPSession類提供的方法選擇當前RTP會話需要發(fā)送的控制信息，并對控制信息進行設置。
結語
本系統(tǒng)基于S3C2410平臺和WinCE操作系統(tǒng)，通過USB攝像頭采集現(xiàn)場實時視頻信息，并對其進行壓縮。然后，用兩塊無線網(wǎng)卡在開發(fā)板與上位機之間構建無線局域網(wǎng)絡，使用實時流式傳輸方式實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸。整個系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、安裝簡便、成本低廉等特點，可以應用在遠程監(jiān)控、工業(yè)控制、視頻會議、可視電活等諸多領域。
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