視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化等方面的特征廣泛應用于各種場合。隨著通信技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，通過網(wǎng)絡進行重要場所的監(jiān)控越來越引起人們的關注和重視。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，在穩(wěn)定性，可靠性方面都受到限制。近年來，隨著嵌入式技術的發(fā)展，嵌入式設備體積小、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器是建立在嵌入式WEB 服務器的基礎上，基于AT91RM9200微處理器，采用Linux 實時操作系統(tǒng)，由專門的視頻芯片接收數(shù)字視頻數(shù)據(jù)完成壓縮編碼，生成MPEG-4 碼流，通過內(nèi)部總線傳送到WEB 服務器上， 遠程授權用戶可以通過網(wǎng)絡瀏覽器觀看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，客戶端零維護，開發(fā)便捷，成本低廉。

1 系統(tǒng)的整體設計

整個系統(tǒng)分為硬件和軟件2 個部分。硬件部分分為4 個模塊：視頻采集模塊，視頻壓縮編碼模塊，網(wǎng)絡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)動程序，WEB 服務器程序，CGI 和用戶瀏覽器的網(wǎng)頁設計4 部分。系統(tǒng)整體結構如圖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180 MHz，32 位外部數(shù)據(jù)總線支持8/16/32 位數(shù)據(jù)寬度，可對64 MB 空間尋址。內(nèi)部集成豐富的外設資源，MMU 管理單元，16 kB SRAM 和128 kB ROM，各種外圍接口，適用本系統(tǒng)的開發(fā)。AT91RM9200 微處理器的作用是在系統(tǒng)上電時配置芯片的相關功能寄存器，正常運行時進行總體控制，如接受視頻數(shù)據(jù)流，配置網(wǎng)絡接口，實現(xiàn)本地存儲等功能。

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準的數(shù)字視頻信號。采用的是TI 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， 考慮到編碼芯片的標準， 本系統(tǒng)采用ITU-RBT.656 格式8 為數(shù)據(jù)串行傳輸。TVP5150 的AIPIA 為模擬信號輸入端，接收攝像頭的模擬視頻信號輸入。行同步脈沖和場同步脈沖分別對應HSYNC 和VSYNC，分別連接編碼芯片的HSYNIN 和VSYNIN2 個引腳， 實現(xiàn)圖像的行同步和場同步操作。YOUT［7:0］為數(shù)據(jù)輸出引腳，將數(shù)字視頻信號送到編碼芯片的數(shù)據(jù)接收端。SCL 和SDA 分別為I2C 接口的串行時鐘和數(shù)據(jù)引腳，AT91RM9200 對TVP5150 的內(nèi)部寄存器的訪問是通過I2C 總線實現(xiàn)的。

2.2 視頻壓縮編碼模塊

動態(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)在傳輸和處理的過程中必須經(jīng)過壓縮。視頻編碼標準有MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，M-JPEG 和H.26x 系列。本系統(tǒng)采用的是MPEG-4標準。MPEG（Moving Pictures ExpertsGroup），該專家組成立于1988 年，致力于運動圖像的編碼標準化工作。MPEG-4 是該專家組研制出來的于1999 年正式成為ISO 和IEC 聯(lián)合制定的國際編碼標準。MPEG-4 與其他編碼標準相比，相同比特率下，具有更高的視覺質(zhì)量，可以在低帶寬的信道上傳輸。本系統(tǒng)采用韓國Pentamicro 公司的壓縮/解壓芯片AT2042，AT2042 接收經(jīng)過TVP5150 進行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準，支持CBR 和VBR 兩種碼率。采用ITU-R 656 接口標準。

工作原理：在AT91RM9200 的控制下，要進行壓縮編碼的數(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AT2042 的HSYNIN 和VSYNIN 信號分別和TVP5150 的HSYN 和VSYN 相連，實現(xiàn)圖像的行同步和場同步操作。接收來的數(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， 通過片內(nèi)的SDRAM 控制器可以實現(xiàn)對外部SDRAM的訪問， 并通過HPI 與AT91RM9200 微處理器進行通信，以便遠程監(jiān)控端的實時監(jiān)控。視頻壓縮編碼框圖如圖2 所示。

圖2 視頻壓縮編碼框圖

2.3 網(wǎng)絡傳輸模塊

本模塊是采用LAN91C11構建嵌入式以太網(wǎng)，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?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 微處理器通過地址、數(shù)據(jù)、控制線和片選信號線對LAN91C11 進行通信和控制。網(wǎng)絡傳輸硬件連接原理圖如圖3 所示。AT91RM9200發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先置發(fā)送使能信號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 的時鐘信號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)。EMDI0 和EMDC 分別控制芯片的讀寫。數(shù)據(jù)從DMA通道發(fā)送。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先設置好傳輸控制寄存器和傳輸傳輸?shù)刂芳拇嫫?，從指定的存儲區(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，請求DMA 中斷，由AT91RM9200 處理。

圖3 傳輸網(wǎng)絡硬件連接圖

2.4 其他輔助功能模塊

該模塊包括Flafh、SDRAM、以太網(wǎng)接口、串口和USB 接口。用來實現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核和應用程序的存儲，網(wǎng)絡傳輸，本地存儲和遠程控制。

3 系統(tǒng)軟件部分

嵌入式Linux 實時操作系統(tǒng)，穩(wěn)定、高效、易定制、易剪裁、開源代碼，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)動和應用程序，用戶應用程序。這里主要介紹MPEG-4 和CGI 技術的程序設計。

3.1 MPEG-4 壓縮編碼程序設計

本系統(tǒng)采用MPEG-4 標準對視頻圖像進行壓縮編碼。在實現(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門的壓縮芯片對視頻信號進行MPEG-4 編碼， 軟件壓縮就是使用壓縮軟件對視頻信號進行編碼。

AT2042 支持MPEG-4 壓縮標準。實現(xiàn)方法方面就是對其相關寄存器的配置，包括編碼模式、編碼像素點、編碼幀率和設置編碼流格式等方面。具體過程：系統(tǒng)上電啟動后，先配置AT2042 的相關寄存器，完成初始化工作后，通過I2C 總線對A/D 轉(zhuǎn)換芯片TVP5150 進行初始化配置。所有的寄存器配置工作完成之后，開始編碼過程。其中MPEG-4 數(shù)據(jù)流接收存儲程序有AT2042 的數(shù)據(jù)流緩沖器標志信號來控制。緩沖器接收數(shù)據(jù)滿之后置低RISC_INT0，AT91RM9200 主控制器通過DMA 通道把AT2042 發(fā)送過來的碼流通過網(wǎng)絡通道傳輸?shù)秸埱蟊O(jiān)控視頻圖像的監(jiān)控端。壓縮編碼的流程圖如圖4 所示。

圖4 壓縮編碼流程圖

3.2 CGI 程序設計

在嵌入式Linux 環(huán)境下，主要有3 種Web 服務器，分別是httpd、thttpd 和Boa。Httpd 功能最弱，不支持CGI、SSL 和認證。本系統(tǒng)需要交互操作， 必須使用動態(tài)Web 技術， 采用Boa。Boa 功能強大，支持CGI，支持SSL，支持認證。使用時只需交叉編譯，修改一下配置文件即可。CGI［7］即通用網(wǎng)關接口，是外部擴展應用程序與Web 服務器交互的標準?？蛻舳耸褂脼g覽器向服務器發(fā)送HTTP 請求， 服務器響應客戶端的請求后，引導腳本程序，對命令解析，將信息提交給后臺———CGI處理。具體到本系統(tǒng)，就是PC 機端通過瀏覽器輸入服務器的IP 地址，Web 服務器根據(jù)請求進行分析，如果沒有傳來參數(shù)，則調(diào)用get-status（）函數(shù)取得設備當前狀態(tài)顯示給瀏覽器。用戶根據(jù)操作界面提示完成相應的操作，填寫好表單設置設備參數(shù)并提交。CGI 解析信息后通過get-status（）函數(shù)設置新狀態(tài)，實現(xiàn)交互功能。例如調(diào)節(jié)編碼屬性，對相機控制等。

CGI 的輸入輸出基本語法：

M ETHOD 屬性指定將數(shù)據(jù)傳送到Web 服務器的方法，輸入方法有兩種。

1）GET 方法。此方法，表單數(shù)據(jù)會附加在所指向CGI腳本的URL 后一起發(fā)送給Web 服務器，Web 服務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 方法通過使用標準輸入（STDN）將表單數(shù)據(jù)傳送給Web 服務器，Web 服務器啟動指定的腳本，并將用戶提供的數(shù)據(jù)傳入該腳本。

ACTON 屬性定義要對表單數(shù)據(jù)進行處理的CGI 腳本URL。

CGI 輸出：CGI 輸出方式是將執(zhí)行結果送給標準輸出（STDOUT） 進行輸出， 執(zhí)行結果必須是瀏覽器能夠顯示的HTML 標準格式。流程圖如圖5 所示。

圖5 Web 服務器CGI 程序流程圖

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

4 結論

介紹了基于AT91RM9200 微處理器的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的視頻服務器設計，采用A/D 轉(zhuǎn)換芯片TVP5150 對模擬視頻數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理， 生成符合壓縮編碼芯片AT2042接口標準的視頻數(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 編碼標準，CGI 技術，實現(xiàn)可靠的圖像質(zhì)量的交互功能。