基于ARM的数字视频监控系统的设计

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                    引言
　　图像与视频监控系统是应用计算机与通信技术实现对目标地区信息监控的系统，常应用于交通、能源、公安、电信、军事等部门。随着图像与视频监控系统的应用领域不断扩大，远程图像与视频监控系统应运而生，它满足了远距离监控的要求。数字视频监控系统是以计算机或嵌入式系统为中心、视频处理技术为基础，是符合图像数据压缩的国际标准。综合利用图像传感器、计算机网络、自动控制和人工智能等技术的一种新型监控系统。由于数字视频监控系统对视频图像进行了数字化，所以与传统的模拟监控系统相比，数字监控具有许多优点。数字化的视频系统可以充分利用计算机的快速处理能力，对其进行压缩、分析、存储和显示。数字化视频处理技术提高了图像的质量与监控效率，使系统易于管理和维护。整个系统是模块化结构，体积小，易于安装、使用和维护。正是由于数字视频监控技术具有传统模拟监控技术无法比拟的优点，而且符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，所以数字视频监控技术正在逐步取代模拟监控技术，广泛应用于各行各业。嵌入式系统以体积小、实时性强、性价比高、稳定性好等特点在社会的各个领域中得到了广泛应用。基于ARM嵌入式的数字化远程监控是基于现代通信技术的一种新应用。本设计是一种嵌入式系统，以 ARM硬件平台为核心实现了对现场的实时监控，并通过无线网络把视频图像传输到主机端，以实现分析、存储和显示等功能，与传统的模拟监控系统相比：它的组网成本大大降低，系统体积重量大大减小，运行维护更容易。
1 监控系统方案介绍
　　远程监控系统的网络结构设计直接影响到系统的性能，目前监控系统网络的实现大致有三种方案。分别介绍如下：
　　（1）采用代理服务器的方法
　　代理服务器一般由PC来充当，一方面运行TCP/IP协议实现Internet接入功能，另一方面通过简单总线结构（RS232、RS485等）与嵌入式系统相连接。如图1所以。系统中只需要有一部分与代理服务器通信的代码即可。其优点是可以很方便地解决设备上网的问题，开发难度低；缺点是接入成本比较高，不利于大规模推广。该方案比较适合大型或较昂贵工业设备的上网需求，不适合用于低价格的设备。

　　（2）通过直接在嵌入式处理器上实现TCP/IP协议来实现Internet接入功能这种方案没有使用操作系统，大大节省了资源，但是对处理器的性能要求较高，同时增加了开发的难度，技术实现上也比较困难。

　　（3）采用一个基于ARM Linux 的网络监控系统
　　这种方案和第二种方案类似，但是它只用嵌入式ARM Linux 操作系统，在操作系统上运行TCP/IP 协议。目前大多数嵌入式操作系统都带有TCP/IP协议栈，这降低了开发的难度，实现起来比较灵活。由于嵌入式操作系统的运行需要占用相当的处理器资源和存储器空间，对硬件配置也有较高的要求。采用第三种方案，可以节省开发时间、缩短开发周期。监控系统一般都还要在控制现场配置一台工控机或高性能微机做服务器，用来存储中间数据，处理实时性要求较高的事件，响应监控终端的监控请求。
2 监控系统硬件设计
　　采用基于ARM嵌入式的网络监控系统，它采用TCP/IP网络协议标准，系统组网简单，传输数据量大，速度快，整个系统结构简单。尺寸微小、价格低廉。远程计算机可做到无需额外程序，通过WEB浏览器就能对设备进行检测，而且应用程序易于开发、实现信息的完整共享。在该系统中ARM负责程序控制和网络通信，图像和视频采集模块负责数据获取和处理。当数据或命令数据传输过来后，ARM系统进行命令处理后，将命令数据传输或显示在LCD上，同时系统负责将处理的结果经过网络接口上传出去。系统接收到数据命令后，经过算法处理后，驱动D/A输出或根据A/D输入进行数据处理后，将结果传给ARM。系统具有以下几个基本功能：数据采集、数据分析和处理、程序控制、网络传输。
2.1 ARM视频监控平台
　　ARM的系统扩展槽和设备扩展槽，用于为ARM系统添加如以太网接口、海口数据存储接口和PCMCIA等接口，或者用于其他的功能开发板，为ARM系统扩展了CMOS图像获取功能和VGA显示功能。
　　其中，VGA接口是通过电阻网络实现4096色彩色显示。与SRAM访问相关的寄存器有：SDRAM控制寄存器、读地址低16位、读地址高16位、读出数据寄存器、写地址低16位、写地址高16位、写入数据寄存器；与CMOS图像采集有关的寄存器有CMOS采集控制寄存器、CMOS采集状态寄存器；与VGA显示有关的寄存器是VGA显示控制寄存器。它具有以下特点：
　　（1）实时性好，能满足数据采集和数据处理的实时性要求。
　　（2）性价比高，在满足要求的情况下，系统成本应尽量低。
　　（3）可控性好，能够实现远距离控制和数据传输。
2.2数据采集模块
　　视频源信号来自于一个高集成度的CMOS数字图像传感器模块MB86S20，它是富士通的产品。MB86S02不但集成了CMOS图像传感阵列、自动增益信号放大器、模数转换器，还包括了色彩信号处理和微型镜头，包含了图像采集的所有前端处理，可以直接输出数字信号。
　　MB86S02是基于CMOS工艺，使用有源像素的传感器，与传统的CCD传感器相比有如下不同点。
（1）成像过程
　　ccd和cmos使用相同的光敏材料，因而受光后产生电子的基本原理相同，但是读取过程不同：ccd是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，整个电路非常复杂，读出速率慢；cmos 则以类似 dram的方式读出信号，电路简单，读出速率高。
（2）集成度
　　采用特殊技术的ccd读出电路比较复杂，很难将a/d转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能集成到一块芯片上，一般需要 3～8 个芯片组合实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压。借助于大规模集成制造工艺，cmos图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上，多数cmos图像传感器同时具有模拟和数字输出信号。
（3）电源、功耗和体积
　　ccd需多种电源供电，功耗较大，体积也比较大。cmos只需一个单电源(3v"5 v)供电，其功耗相当于ccd的1/10，高度集成cmos芯片可以做的相当小。
（4）性能指标
　　ccd技术已经相当成熟，而 cmos正处于蓬勃发展时期，虽然目前高端cmos图像质量暂时不如ccd，但有些指标（如传输速率等方面）已超过ccd。由于cmos具有诸多优点，国内外许多机构已经应用cmos图像传感器开发出众多产品。本文主要介绍已商品化的cmos图像传感器的发展现状以及最新发展动态，希望对下游产品的开发有所帮助
　　CMOS技术的最大优点是每一个像素单元可以集成一个或多个晶体管，这样就具有了低功耗和小型化的优点，非常适用于手持设备，可以降低系统功耗、体积，提高电池效率；它的高度集成性大大简化了图像应用系统的设计。
　　MB86S02的主要特性如下：
　　l/7英寸图像传感器，有效像素为352×288共11万像素；
　　超低功耗30mW@15fps；
　　输出8位CMOS电平并行数字信号，YCbCr422或YUV422格式；
　　色彩信号处理包括：自动增益、自动曝光、自动白平衡、Gamma校正等；
　　寄存器设置通过标准I2C串行接口；
　　支持CIF(352×288)QCIF(176×144)格式；
　　CCIR656标准头输出；
　　抗闪烁功能；
　　低功耗模式；
　　掉电模式功耗3μw；
　　嵌入式处理器通过与MB86S02 CMOS图像模块的连接，读取图像数据后通过同步SRAM接口存储在外部高速SRAM中，然后还可以由UART模块或RTL8019模块把已经存储的图像数据发送到PC，最后PC上的接收程序将显示接收的图像。通过调试板上的按键可以选择采集图像、地址复位、串口发送、网口发送这几种功能。
3 监控系统软件设计
　　ARM处理器获取图像信息，执行压缩程序，压缩后的文件通过公共电话线路传递到监控主机端。由于系统采用相同的图像分辨率和常量表，所以文件头都相同。为了减少传输数据量，不传送文件头，文件头在监控主机端由软件自动添加。
　　本系统还使用调制解调器通过公共电话网来简历远程数据连接，在远程图像监控终端处的调制解调器处于待命状态，它使用“ATS0=3&D0W&W1”命令设置为自动应答方式，在3次振铃后自动摘机，经历“数据风暴”以后与主叫方建立连接。监控中心的调制解调器由监控软件控制拨号建立连接或者挂断连接。
　　数据连接建立好后ARM会收到“CONNECT”字符串，表明通信线路连接成功，此时就可以像使用普通串口一样使用调制解调器建立的远程数据连接。ARM接收到从监控中心发来的采集命令后，依次完成图像采集、压缩处理，然后通过串口以ASCII码形式直接发送图像数据到监控中心，完成一次操作后等待下一个采集命令。
　　在应用中需要从MODEM接收图像数据，并将它加上文件头以标准JPEG图像或MPEG视频格式存储于本地硬盘上。在对话框相应位置还要显示出刚接收的图像，这就需要相应的解码程序，可以不需要自己编写，Windows操作系统包含对JPEG或MPEG格式的支持。MsCOMM控件是Microsoft 通信控制器6.0，它包含在VC 6.0中。通过MsCOMM控件可以方便地访问PC的串行通信口。对MODEM的访问是通过串口实现的，外置的MODEM通过真正的PC串口连接，内置的MODEM则通过一个虚拟串口来进行控制。
4 结束语
　　视频监控技术在政治、经济、军事、文化设施的安全防范中有着举足轻重的作用，随着多媒体和计算机网络技术的发展，视频监控系统经历了模拟监控和数字监控的发展阶段，目前已到了网络数字视频监控阶段。基于ARM处理器的低成本数字化远程图像监控系统，是一个高可靠性、高效率的用于嵌入式系统开发的软件、硬件工作平台，它使用集成数字化视频采集模块，直接获得数字化影像信号；图像压缩不使用专用的压缩芯片，而是在高速处理器内部由压缩软件实现；最后打包经由公共电话网发送。
　　本文着重从ARM嵌入式图像视频监控应用开发和流程给出了解决方案，建立了低开发成本与方便易使用的嵌入式图像视频系统。使用ARM嵌入式处理器和Linux操作系统，开发出可实际应用的远程视频监控系统，适用于低分辨率、低成本、长距离的监控应用。它的特点和优点主要有：
　　构建了ARM嵌入式处理器开发平台，提出了嵌入式系统的低成本开发流程。
　　前端使用便宜的一体化高集成度数字化视频采集 模块，简化了系统前端的设计，大大降低了前端成本。
　　编写简单的嵌入式操作系统程序，动态加载应用程序，加快其执行速度。
　　信号处理使用由高速、高性能的ARM处理器构建的嵌入式系统，通过软件来实现图像压缩。