摘要：提出了基于AT91RM9200微處理器的嵌入式Linux視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻服務(wù)器設(shè)計(jì)方法。采用韓國(guó)Pentamicro公司的視頻芯片AT2042對(duì)數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行MPEG-4壓縮編碼，生成MPEG-4碼流。為實(shí)現(xiàn)交互性的要求，在嵌入式WEB服務(wù)器中采用CGI技術(shù)，對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控端的控制信息分析處理，實(shí)現(xiàn)B／S模式的交互功能和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，該系統(tǒng)視頻圖像的質(zhì)量得到改進(jìn)，開(kāi)發(fā)便捷，成本低廉，應(yīng)用范圍廣。
關(guān)鍵詞：視頻服務(wù)器；AT91RM9200；嵌入式Linux；MPEG-4；視頻監(jiān)控

    視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面的特征廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重要場(chǎng)所的監(jiān)控越來(lái)越引起人們的關(guān)注和重視。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖像的壓縮解壓都是基于PC機(jī)，在穩(wěn)定性，可靠性方面都受到限制。近年來(lái)，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式設(shè)備體積小、集成度高、高效可靠、可移植、功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)使得基于嵌入式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸取代
了傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。筆者所介紹的嵌入式視頻服務(wù)器是建立在嵌入式WEB服務(wù)器的基礎(chǔ)上，基于AT91RM9200微處理器，采用Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，由專(zhuān)門(mén)的視頻芯片接收數(shù)字視頻數(shù)據(jù)完成壓縮編碼，生成MPEG-4碼流，通過(guò)內(nèi)部總線傳送到WEB服務(wù)器上，遠(yuǎn)程授權(quán)用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器觀看WEB上的圖像信息，控制圖像獲取方式。該系統(tǒng)保證了圖像質(zhì)量，客戶(hù)端零維護(hù)，開(kāi)發(fā)便捷，成本低廉。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)分為硬件和軟件2個(gè)部分。硬件部分分為4個(gè)模塊：視頻采集模塊，視頻壓縮編碼模塊，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和其他輔助功能模塊。系統(tǒng)采用B／S模式。軟件部分分為視頻圖像采集的驅(qū)動(dòng)程序，WEB服務(wù)器程序，CGI和用戶(hù)瀏覽器的網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)4部分。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件部分
    本系統(tǒng)采用Atmel公司的AT91RM9200微處理器。該處理器是高性能，低功耗的32位RISC微處理器，最高主頻為180MHz，32位外部數(shù)據(jù)總線支持8／16／32位數(shù)據(jù)寬度，可對(duì)64 MB空間尋址。內(nèi)部集成豐富的外設(shè)資源，MMU管理單元，16 kB SRAM和128 kB ROM，各種外圍接口，適用本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。AT91RM9200微處理器的作用是在系統(tǒng)上電時(shí)配置芯片的相關(guān)功能寄存器，正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行總體控制，如接受視頻數(shù)據(jù)流，配置網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)本地存儲(chǔ)等功能。
2．1 視頻采集模塊
    本模塊的作用是把模擬視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻，產(chǎn)生符合編碼芯片接口標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)。采用的是Tl公司的TVP5150低功耗視頻A／D轉(zhuǎn)換芯片。TVP5150支持NTSC／PAL／SECAM 3種格式，可以輸出ITU-R BT．656和ITU-R BT．601兩種信號(hào)，考慮到編碼芯片的標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)采用ITU-RBT．656格式8為數(shù)據(jù)串行傳輸。TVP5150的AIPIA為模擬信號(hào)輸入端，接收攝像頭的模擬視頻信號(hào)輸人。行同步脈沖和場(chǎng)同步脈沖分別對(duì)應(yīng)HSYNC和VSYNC，分別連接編碼芯片的HSYNIN和VSYNIN2個(gè)引腳，實(shí)現(xiàn)圖像的行同步和場(chǎng)同步操作。YOUT[7：0]為數(shù)據(jù)輸出引腳，將數(shù)字視頻信號(hào)送到編碼芯片的數(shù)據(jù)接收端。SCL和SDA分別為I2C接口的串行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)引腳，AT91RM9200對(duì)TVP5150的內(nèi)部寄存器的訪問(wèn)是通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)的。
2．2 視頻壓縮編碼模塊
    動(dòng)態(tài)圖像被數(shù)字化處理成YUV格式，數(shù)據(jù)量非常大。未經(jīng)壓縮的CIF格式的RGB數(shù)據(jù)至少需要58．01 Mb／s，因此視頻數(shù)據(jù)在傳輸和處理的過(guò)程中必須經(jīng)過(guò)壓縮。視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)有MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，M-JPEG和H．26x系列。本系統(tǒng)采用的是MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)。MPEG(Moving Pictures Experts Group)，該專(zhuān)家組成立于1988年，致力于運(yùn)動(dòng)圖像的編碼標(biāo)準(zhǔn)化工作。MPEG-4是該專(zhuān)家組研制出來(lái)的于1999年正式成為ISO和IEC聯(lián)合制定的國(guó)際編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4與其他編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，相同比特率下，具有更高的視覺(jué)質(zhì)量，可以在低帶寬的信道上傳輸。本系統(tǒng)采用韓國(guó)Pentamicro公司的壓縮／解壓芯片AT2042．AT2042接收經(jīng)過(guò)TVP5150進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。AT2042支持視頻壓縮和音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，支持CBR和VBR兩種碼率。采用ITU-R 656接口標(biāo)準(zhǔn)。工作原理：在AT91RM9200的控制下，要進(jìn)行壓縮編碼的數(shù)據(jù)經(jīng)AT2042的FIFO口輸入。AT2042的解壓是壓縮的逆過(guò)程。本系統(tǒng)中，AT2042的數(shù)據(jù)接收端VIN[7：0]接收TVP5150的YOUT[7：0]端輸出的數(shù)據(jù)，同時(shí)AT2042的HSYNI N和VSYNIN信號(hào)分別和TVP5150的HSYN和VSYN相連，實(shí)現(xiàn)圖像的行同步和場(chǎng)同步操作。接收來(lái)的數(shù)據(jù)送到AT2042的壓縮編碼處理單元，壓縮編碼后送到芯片外部的SDRAM中存儲(chǔ)，通過(guò)片內(nèi)的SDRAM控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部SDRAM的訪問(wèn)，并通過(guò)HPI與AT91RM9200微處理器進(jìn)行通信，以便遠(yuǎn)程監(jiān)控端的實(shí)時(shí)監(jiān)控。視頻壓縮編碼框圖如圖2所示。

2．3 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊
    本模塊是采用LAN91C11構(gòu)建嵌入式以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐?。LAN91C11是SMSC公司推出的快速以太網(wǎng)控制器。芯片上集成MAC和PHY，符合IEEE802．3／802．U-100Base-Tx／10Base-T規(guī)范。AT91RM9200微處理器通過(guò)地址、數(shù)據(jù)、控制線和片選信號(hào)線對(duì)LAN91C11進(jìn)行通信和控制。網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件連接原理圖如圖3所示。AT91RM9200發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先置發(fā)送使能信號(hào)ETXEN有效。數(shù)據(jù)發(fā)送端ETX[1：0]與LAN91C11的TXD[1：0]引腳相連接。以AT91RM9200的時(shí)鐘信號(hào)EXTCK發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的接收端ERX[1：0]與LAN91C11的RXD[1：0]引腳相連接，接收視頻數(shù)據(jù)。EMD10和EMDC分別控制芯片的讀寫(xiě)。數(shù)據(jù)從DMA通道發(fā)送。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先設(shè)置好傳輸控制寄存器和傳輸傳輸?shù)刂芳拇嫫?，從指定的存?chǔ)區(qū)取數(shù)據(jù)，并且記錄發(fā)送完的字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完之后，LAN19C11產(chǎn)生中斷信號(hào)，請(qǐng)求DMA中斷，由AT91RM9200處理。

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2．4 其他輔助功能模塊
   該模塊包括Fiafh、SDRAM、以太網(wǎng)接口、串口和USB接口。用來(lái)實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序的存儲(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)傳輸，本地存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程控制。

3 系統(tǒng)軟件部分
    嵌入式Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，穩(wěn)定、高效、易定制、易剪裁、開(kāi)源代碼，因此本系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)。軟件部分分為Bootloader文件，Linux內(nèi)核文件Linux驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序，用戶(hù)應(yīng)用程序。這里主要介紹MPEG-4和CGI技術(shù)的程序設(shè)計(jì)。
3．1 MPEG-4壓縮編碼程序設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)視頻圖像進(jìn)行壓縮編碼。在實(shí)現(xiàn)MPEG-4編碼的方式上，有硬件壓縮和軟件壓縮兩種。硬件壓縮就是利用專(zhuān)門(mén)的壓縮芯片對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行MPEG-4編碼，軟件壓縮就是使用壓縮軟件對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行編碼。AT2042支持MPEG-4壓縮標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)方法方面就是對(duì)其相關(guān)寄存器的配置，包括編碼模式、編碼像素點(diǎn)、編碼幀率和設(shè)置編碼流格式等方面。具體過(guò)程：系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，先配置AT2042的相關(guān)寄存器，完成初始化工作后，通過(guò)I2C總線對(duì)A／D轉(zhuǎn)換芯片TVP5150進(jìn)行初始化配置。所有的寄存器配置工作完成之后，開(kāi)始編碼過(guò)程。其中MPEG-4數(shù)據(jù)流接收存儲(chǔ)程序有AT2042的數(shù)據(jù)流緩沖器標(biāo)志信號(hào)來(lái)控制。緩沖器接收數(shù)據(jù)滿之后置低RISC_INT0，AT91RM9200主控制器通過(guò)DMA通道把AT2042發(fā)送過(guò)來(lái)的碼流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通道傳輸?shù)秸?qǐng)求監(jiān)控視頻圖像的監(jiān)控端。壓縮編碼的流程圖如圖4所示。

3．2 CGI程序設(shè)計(jì)
    在嵌入式Linux環(huán)境下，主要有3種Web服務(wù)器，分別是httpd、thttpd和Boa。Httpd功能最弱，不支持CGI、SSL和認(rèn)證。本系統(tǒng)需要交互操作，必須使用動(dòng)態(tài)Web技術(shù)，采用Boa。Boa功能強(qiáng)大，支持CGI，支持SSL，支持認(rèn)證。使用時(shí)只需交叉編譯，修改一下配置文件即可。CGI即通用網(wǎng)關(guān)接口，是外部擴(kuò)展應(yīng)用程序與Web服務(wù)器交互的標(biāo)準(zhǔn)?？蛻?hù)端使用瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送HTFP請(qǐng)求，服務(wù)器響應(yīng)客戶(hù)端的請(qǐng)求后，引導(dǎo)腳本程序，對(duì)命令解析，將信息提交給后臺(tái)——CGI處理。具體到本系統(tǒng)，就是PC機(jī)端通過(guò)瀏覽器輸入服務(wù)器的IP地址，Web服務(wù)器根據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行分析，如果沒(méi)有傳來(lái)參數(shù)，則調(diào)用get-status()函數(shù)取得設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)顯示給瀏覽器。用戶(hù)根據(jù)操作界面提示完成相應(yīng)的操作，填寫(xiě)好表單設(shè)置設(shè)備參數(shù)并提交。CGI解析信息后通過(guò)get-status()函數(shù)設(shè)置新?tīng)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)交互功能。例如調(diào)節(jié)編碼屬性，對(duì)相機(jī)控制等。
    CGI的輸入輸出基本語(yǔ)法：
    <FORM M ETHOD=get／post ACTOD=URL><／FORM>
    M ETHOD屬性指定將數(shù)據(jù)傳送到Web服務(wù)器的方法，輸入方法有兩種。
    1)GET方法。 此方法，表單數(shù)據(jù)會(huì)附加在所指向CGI腳本的URL后一起發(fā)送給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器將接收到的表單數(shù)據(jù)賦予環(huán)境變量QU ERY-STR NG。
    2)POST方法。POST方法通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)輸入(STDN)將表單數(shù)據(jù)傳送給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器啟動(dòng)指定的腳本，并將用戶(hù)提供的數(shù)據(jù)傳入該腳本。
    ACTON屬性定義要對(duì)表單數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的CGI腳本URL。
    CGI輸出：CGI輸出方式是將執(zhí)行結(jié)果送給標(biāo)準(zhǔn)輸出(STDOUT)進(jìn)行輸出，執(zhí)行結(jié)果必須是瀏覽器能夠顯示的HTML標(biāo)準(zhǔn)格式。流程圖如圖5所示。

    CGI可以用shell腳本語(yǔ)言、Fottran、C語(yǔ)言等多種語(yǔ)言編寫(xiě)。本系統(tǒng)中采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)CGI的編寫(xiě)，執(zhí)行速度快，安全性高。

4 結(jié)論
    筆者介紹了基于AT91RM9200微處理器的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的視頻服務(wù)器設(shè)計(jì)，采用A／D轉(zhuǎn)換芯片TVP5150對(duì)模擬視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，生成符合壓縮編碼芯片AT2042接口標(biāo)準(zhǔn)的視頻數(shù)據(jù)流。在AT91RM9100的控制和調(diào)度下，將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端。系統(tǒng)采用低編碼率的MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)，CGI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可靠的圖像質(zhì)量的交互功能。