嵌入式视频监控系统视频服务器的设计与实现

摘要：提出了基于AT91RM9200微处理器的嵌入式Linux视频监控系统的视频服务器设计方法。采用韩国Pentamicro公司的视频芯片AT2042对数字视频数据进行MPEG-4压缩编码，生成MPEG-4码流。为实现交互性的要求，在嵌入式WEB服务器中采用CGI技术，对远程监控端的控制信息分析处理，实现B／S模式的交互功能和系统的远程控制。与传统的设计方法相比，该系统视频图像的质量得到改进，开发便捷，成本低廉，应用范围广。
关键词：视频服务器；AT91RM9200；嵌入式Linux；MPEG-4；视频监控

    视频监控系统以其数字化、网络化和智能化等方面的特征广泛应用于各种场合。随着通信技术和网络技术的发展，通过网络进行重要场所的监控越来越引起人们的关注和重视。传统的视频监控系统图像的压缩解压都是基于PC机，在稳定性，可靠性方面都受到限制。近年来，随着嵌入式技术的发展，嵌入式设备体积小、集成度高、高效可靠、可移植、功耗低等一系列优点使得基于嵌入式的视频监控系统逐渐取代
了传统的视频监控系统。笔者所介绍的嵌入式视频服务器是建立在嵌入式WEB服务器的基础上，基于AT91RM9200微处理器，采用Linux实时操作系统，由专门的视频芯片接收数字视频数据完成压缩编码，生成MPEG-4码流，通过内部总线传送到WEB服务器上，远程授权用户可以通过网络浏览器观看WEB上的图像信息，控制图像获取方式。该系统保证了图像质量，客户端零维护，开发便捷，成本低廉。

1 系统的整体设计
    整个系统分为硬件和软件2个部分。硬件部分分为4个模块：视频采集模块，视频压缩编码模块，网络传输模块和其他辅助功能模块。系统采用B／S模式。软件部分分为视频图像采集的驱动程序，WEB服务器程序，CGI和用户浏览器的网页设计4部分。系统整体结构如图1所示。

2 系统硬件部分
    本系统采用Atmel公司的AT91RM9200微处理器。该处理器是高性能，低功耗的32位RISC微处理器，最高主频为180MHz，32位外部数据总线支持8／16／32位数据宽度，可对64 MB空间寻址。内部集成丰富的外设资源，MMU管理单元，16 kB SRAM和128 kB ROM，各种外围接口，适用本系统的开发。AT91RM9200微处理器的作用是在系统上电时配置芯片的相关功能寄存器，正常运行时进行总体控制，如接受视频数据流，配置网络接口，实现本地存储等功能。
2．1 视频采集模块
    本模块的作用是把模拟视频转换成数字视频，产生符合编码芯片接口标准的数字视频信号。采用的是Tl公司的TVP5150低功耗视频A／D转换芯片。TVP5150支持NTSC／PAL／SECAM 3种格式，可以输出ITU-R BT．656和ITU-R BT．601两种信号，考虑到编码芯片的标准，本系统采用ITU-RBT．656格式8为数据串行传输。TVP5150的AIPIA为模拟信号输入端，接收摄像头的模拟视频信号输人。行同步脉冲和场同步脉冲分别对应HSYNC和VSYNC，分别连接编码芯片的HSYNIN和VSYNIN2个引脚，实现图像的行同步和场同步操作。YOUT[7：0]为数据输出引脚，将数字视频信号送到编码芯片的数据接收端。SCL和SDA分别为I2C接口的串行时钟和数据引脚，AT91RM9200对TVP5150的内部寄存器的访问是通过I2C总线实现的。
2．2 视频压缩编码模块
    动态图像被数字化处理成YUV格式，数据量非常大。未经压缩的CIF格式的RGB数据至少需要58．01 Mb／s，因此视频数据在传输和处理的过程中必须经过压缩。视频编码标准有MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，M-JPEG和H．26x系列。本系统采用的是MPEG-4标准。MPEG(Moving Pictures Experts Group)，该专家组成立于1988年，致力于运动图像的编码标准化工作。MPEG-4是该专家组研制出来的于1999年正式成为ISO和IEC联合制定的国际编码标准。MPEG-4与其他编码标准相比，相同比特率下，具有更高的视觉质量，可以在低带宽的信道上传输。本系统采用韩国Pentamicro公司的压缩／解压芯片AT2042．AT2042接收经过TVP5150进行A／D转换的数字视频数据。AT2042支持视频压缩和音频压缩标准，支持CBR和VBR两种码率。采用ITU-R 656接口标准。工作原理：在AT91RM9200的控制下，要进行压缩编码的数据经AT2042的FIFO口输入。AT2042的解压是压缩的逆过程。本系统中，AT2042的数据接收端VIN[7：0]接收TVP5150的YOUT[7：0]端输出的数据，同时AT2042的HSYNI N和VSYNIN信号分别和TVP5150的HSYN和VSYN相连，实现图像的行同步和场同步操作。接收来的数据送到AT2042的压缩编码处理单元，压缩编码后送到芯片外部的SDRAM中存储，通过片内的SDRAM控制器可以实现对外部SDRAM的访问，并通过HPI与AT91RM9200微处理器进行通信，以便远程监控端的实时监控。视频压缩编码框图如图2所示。

2．3 网络传输模块
    本模块是采用LAN91C11构建嵌入式以太网，实现视频数据网络传输的通路。LAN91C11是SMSC公司推出的快速以太网控制器。芯片上集成MAC和PHY，符合IEEE802．3／802．U-100Base-Tx／10Base-T规范。AT91RM9200微处理器通过地址、数据、控制线和片选信号线对LAN91C11进行通信和控制。网络传输硬件连接原理图如图3所示。AT91RM9200发送数据时，首先置发送使能信号ETXEN有效。数据发送端ETX[1：0]与LAN91C11的TXD[1：0]引脚相连接。以AT91RM9200的时钟信号EXTCK发送视频数据。数据的接收端ERX[1：0]与LAN91C11的RXD[1：0]引脚相连接，接收视频数据。EMD10和EMDC分别控制芯片的读写。数据从DMA通道发送。在发送数据时，首先设置好传输控制寄存器和传输传输地址寄存器，从指定的存储区取数据，并且记录发送完的字节数，数据发送完之后，LAN19C11产生中断信号，请求DMA中断，由AT91RM9200处理。

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2．4 其他辅助功能模块
   该模块包括Fiafh、SDRAM、以太网接口、串口和USB接口。用来实现操作系统内核和应用程序的存储，网络传输，本地存储和远程控制。

3 系统软件部分
    嵌入式Linux实时操作系统，稳定、高效、易定制、易剪裁、开源代码，因此本系统采用Linux操作系统。软件部分分为Bootloader文件，Linux内核文件Linux驱动和应用程序，用户应用程序。这里主要介绍MPEG-4和CGI技术的程序设计。
3．1 MPEG-4压缩编码程序设计
    本系统采用MPEG-4标准对视频图像进行压缩编码。在实现MPEG-4编码的方式上，有硬件压缩和软件压缩两种。硬件压缩就是利用专门的压缩芯片对视频信号进行MPEG-4编码，软件压缩就是使用压缩软件对视频信号进行编码。AT2042支持MPEG-4压缩标准。实现方法方面就是对其相关寄存器的配置，包括编码模式、编码像素点、编码帧率和设置编码流格式等方面。具体过程：系统上电启动后，先配置AT2042的相关寄存器，完成初始化工作后，通过I2C总线对A／D转换芯片TVP5150进行初始化配置。所有的寄存器配置工作完成之后，开始编码过程。其中MPEG-4数据流接收存储程序有AT2042的数据流缓冲器标志信号来控制。缓冲器接收数据满之后置低RISC_INT0，AT91RM9200主控制器通过DMA通道把AT2042发送过来的码流通过网络通道传输到请求监控视频图像的监控端。压缩编码的流程图如图4所示。

3．2 CGI程序设计
    在嵌入式Linux环境下，主要有3种Web服务器，分别是httpd、thttpd和Boa。Httpd功能最弱，不支持CGI、SSL和认证。本系统需要交互操作，必须使用动态Web技术，采用Boa。Boa功能强大，支持CGI，支持SSL，支持认证。使用时只需交叉编译，修改一下配置文件即可。CGI即通用网关接口，是外部扩展应用程序与Web服务器交互的标准。客户端使用浏览器向服务器发送HTFP请求，服务器响应客户端的请求后，引导脚本程序，对命令解析，将信息提交给后台——CGI处理。具体到本系统，就是PC机端通过浏览器输入服务器的IP地址，Web服务器根据请求进行分析，如果没有传来参数，则调用get-status()函数取得设备当前状态显示给浏览器。用户根据操作界面提示完成相应的操作，填写好表单设置设备参数并提交。CGI解析信息后通过get-status()函数设置新状态，实现交互功能。例如调节编码属性，对相机控制等。
    CGI的输入输出基本语法：
    <FORM M ETHOD=get／post ACTOD=URL><／FORM>
    M ETHOD属性指定将数据传送到Web服务器的方法，输入方法有两种。
    1)GET方法。 此方法，表单数据会附加在所指向CGI脚本的URL后一起发送给Web服务器，Web服务器将接收到的表单数据赋予环境变量QU ERY-STR NG。
    2)POST方法。POST方法通过使用标准输入(STDN)将表单数据传送给Web服务器，Web服务器启动指定的脚本，并将用户提供的数据传入该脚本。
    ACTON属性定义要对表单数据进行处理的CGI脚本URL。
    CGI输出：CGI输出方式是将执行结果送给标准输出(STDOUT)进行输出，执行结果必须是浏览器能够显示的HTML标准格式。流程图如图5所示。

    CGI可以用shell脚本语言、Fottran、C语言等多种语言编写。本系统中采用C语言实现CGI的编写，执行速度快，安全性高。

4 结论
    笔者介绍了基于AT91RM9200微处理器的嵌入式监控系统的视频服务器设计，采用A／D转换芯片TVP5150对模拟视频数据进行数字化处理，生成符合压缩编码芯片AT2042接口标准的视频数据流。在AT91RM9100的控制和调度下，将视频数据发送到PC端。系统采用低编码率的MPEG-4编码标准，CGI技术，实现可靠的图像质量的交互功能。