引言
　　
　　高性能、低功耗嵌入式CPU和高可靠性網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的面世，使得、視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等運(yùn)算數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用在嵌入式設(shè)備中實(shí)現(xiàn)成為可能。傳統(tǒng)的基于同軸電纜的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、可靠性低且價(jià)格昂貴，因而出現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器等遠(yuǎn)程Web視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在本嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，使用高性能ARM9芯片作微處理器，控制video4linux實(shí)現(xiàn)USB攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集，采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)JPEG壓縮后，在ARM9芯片的控制下通過2.4GHz無線發(fā)送/接收模塊進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸;視頻傳輸模塊再將視頻數(shù)據(jù)通過串口或網(wǎng)絡(luò)提交給視頻應(yīng)用服務(wù)端，zui后由視頻應(yīng)用服務(wù)端將接收到的壓縮數(shù)據(jù)幀重組、復(fù)合成視頻圖像，實(shí)現(xiàn)無線視頻監(jiān)控。
　　
　　1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
　　
　　整個(gè)系統(tǒng)由視頻采集終端、2.4G無線發(fā)送模塊、2.4G無線接收模塊、視頻傳輸和視頻應(yīng)用服務(wù)端等5個(gè)模塊組成。視頻采集終端包括以S3C2410X為核心的中央控制和數(shù)據(jù)處理中心，以及USBCamera數(shù)據(jù)采集單元。中央控制和數(shù)據(jù)處理中心主要完成視頻采集終端控制和視頻圖像壓縮，并將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)編碼處理后，通過SIO發(fā)送到nRF2401無線發(fā)射模塊。
　　
　　視頻傳輸模塊主要包括：以S3C2410X為核心的中央控制和數(shù)據(jù)處理中心以及將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l應(yīng)用服務(wù)端的MAC接口和UART接口。視頻傳輸模塊的中央控制和數(shù)據(jù)處理中心主要完成以下任務(wù)：nRF2401將接收到的視頻數(shù)據(jù)提交給SIO模塊，S3C2410X先解碼SIO模塊數(shù)據(jù)，再通過UART接口或MAC接口將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l應(yīng)用服務(wù)端。
　　
　　視頻應(yīng)用服務(wù)端從串口或網(wǎng)絡(luò)接口接收視頻數(shù)據(jù)，并將其重組、復(fù)合成視頻圖像。
　　
　　1.1視頻采集終端硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　在本設(shè)計(jì)中，充分利用了S3C2410X所繼承的片上資源，只需要擴(kuò)充SDRAM、NandFlash、4X4ArrayKeyboard、USBHost、EthernetInterface、RS232Interface、JTAG、Power等模塊。視頻采集終端是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊之一，主要完成視頻捕獲和圖像壓縮。
　　　　
　　2視頻采集模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　
　　視頻捕獲模塊是整個(gè)視頻采集終端的核心。它通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)調(diào)度V4L（video4linux）和影像設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來完成視頻捕獲。V4L是Linux影像系統(tǒng)與嵌入式影像的基礎(chǔ)，是Linuxkernel里支持影像設(shè)備的一組APIs，配合適當(dāng)?shù)囊曨l采集卡與視頻采集卡驅(qū)動(dòng)程序，V4L可以實(shí)現(xiàn)影像采集、AM/FM無線廣播、影像CODEC、頻道切換等功能。目前，V4L主要應(yīng)用在影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)里，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，比如：遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控、等。V4L為2層式架構(gòu)，zui上層為V4L驅(qū)動(dòng)程序，zui下層則是影像設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
　　
　　在Linux操作系統(tǒng)中，外部設(shè)備都作為設(shè)備文件來管理，因此，對(duì)外部設(shè)備的操作就轉(zhuǎn)變成對(duì)設(shè)備文件的操作。視頻設(shè)備文件位于/dev/目錄下，一般情況下為video0。當(dāng)攝像頭通過USB接口連接到視頻采集終端后，在程序中調(diào)用V4LAPIs對(duì)設(shè)備文件video0的讀操作即可實(shí)現(xiàn)攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集。其主要過程如下：
　　
　　1）打開設(shè)備文件：intv4l_open（char*dev,v4l_device*vd）{}打開影像源的設(shè)備文件;
　　
　　2）初始化picture：intv4l_get_picture（v4l_device*vd）{}獲取輸入的影像信息;
　　
　　3）初始化channel：intv4l_get_channels（v4l_device*vd）{}獲取每個(gè)channel的信息;
　　
　　4）對(duì)channel設(shè)置norm：intv4l_set_norm（v4l_device*vd,intnorm）{}對(duì)所有的channel設(shè)置norm;
　　
　　5）設(shè)備地址映射：v4l_mmap_init（v4l_device*vd）{}返回存放圖像數(shù)據(jù)的地址;
　　
　　6）初始化mmap緩沖區(qū)：intv4l_grab_init（v4l_device*vd,intwidth,intheight）{};
　　
　　7）視頻捕獲同步：intv4l_grab_sync（v4l_device*vd）{};
　　
　　8）視頻捕獲：intdevice_grab_frame（）{}。
　　
　　通過以上操作，即可將攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集到內(nèi)存。采集到內(nèi)存的視頻數(shù)據(jù)既可采用文件的形式保存，也可將其壓縮后封裝進(jìn)數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。本設(shè)計(jì)采用后一種處理方法，即：先將采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行JPEG壓縮，再將其封裝進(jìn)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)揭曨l應(yīng)用服務(wù)端處理。
　　
　　3視頻壓縮模塊設(shè)計(jì)
　　
　　由于視頻采集模塊采集的視頻數(shù)據(jù)信息量較大，如果直接通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，則會(huì)增加數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，大大降低數(shù)據(jù)傳輸效率。為此，本設(shè)計(jì)采用JPEG—JointPhotographicExpertsGroup壓縮編碼算法對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。JPEG是一個(gè)適用于彩色、單色多灰度、連續(xù)色調(diào)靜止數(shù)字圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，是靜態(tài)數(shù)字圖像壓縮的標(biāo)準(zhǔn)，不僅適用于靜止圖像壓縮，而且適用于電視圖像序列的幀內(nèi)圖像壓縮。由于JPEG壓縮采用的是全彩影像標(biāo)準(zhǔn)，其主要處理過程包括：色彩模型轉(zhuǎn)換、離散余弦—DCT變換、重排DCT結(jié)果、量化、編碼等。
　　
　　在本設(shè)計(jì)中，采用zui基本的JPEG算法，其主要步驟為：首先，通過離散余弦變換（DCT）去除數(shù)據(jù)冗余;其次，使用量化表對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化;zui后，采用Huaffman可變字長(zhǎng)編碼對(duì)量化后的DCT系數(shù)進(jìn)行編碼，使其熵達(dá)到zui小。通過實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)壓縮效果良好，圖像壓縮率可以達(dá)到70%左右。
　　
　　4nRF2401無線發(fā)射、接收模塊設(shè)計(jì)
　　
　　本設(shè)計(jì)采用nRF24012.4GHz無線收發(fā)芯片完成視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸。nRF2410是一款單片射頻收發(fā)芯片，工作在2.4GHz~2.5GHzISM頻段，該芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶振和調(diào)制解調(diào)器等功能模塊，其輸出功率和通信頻道等參數(shù)都可以通過程序進(jìn)行配置。內(nèi)置的DuoCeiver接收器使nRF2401可以使用同一天線同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)，這為視頻數(shù)據(jù)的傳輸提供了有利條件。
　　
　　nRF2401在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)主要完成以下操作：
　　
　　1）初始化發(fā)送端和接收端：主要完成I/O端口的配置，使能發(fā)送器/接收器，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器等;
　　
　　2）發(fā)送器/接收器配置：先打開配置方式，再配置發(fā)送/接收器，zui后使能收發(fā)功能;
　　
　　3）接收包/接收包處理：
　　
　　4）發(fā)送/接收數(shù)據(jù)：完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送/接收操作;
　　
　　5）讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果：等待AD轉(zhuǎn)換完成后，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)，并開始接受新的轉(zhuǎn)換;
　　
　　5視頻傳輸模塊設(shè)計(jì)
　　
　　視頻傳輸模塊收到無線接收模塊遞交的視頻數(shù)據(jù)后，可以通過串口或網(wǎng)絡(luò)接口將其傳輸?shù)揭曨l應(yīng)用服務(wù)端，本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。目前，互聯(lián)網(wǎng)上傳輸視頻數(shù)據(jù)大多采用UDP協(xié)議。UDP協(xié)議提供非連接、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸，由于接收端只對(duì)收到的UDP數(shù)據(jù)包進(jìn)行簡(jiǎn)單的完整性校驗(yàn)，丟棄有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包，因此數(shù)據(jù)傳輸速度較快。然而，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和減少因使用UDP協(xié)議而額外增加的、繁瑣的數(shù)據(jù)確認(rèn)操作，本設(shè)計(jì)選用面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議—TCP。視頻傳輸模塊與視頻應(yīng)用服務(wù)端之間的通信過程如圖3所示：
　　
　　6視頻應(yīng)用服務(wù)端—視頻顯示模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　
　　視頻應(yīng)用服務(wù)端采用BorlandC++Builder6.0完成監(jiān)控視頻的合成（如果視頻應(yīng)用服務(wù)端采用Linux操作系統(tǒng)，則可以使用Kylix完成相同的功能）。由于BCB的Image類可以完成到像素的圖像處理能力，可以將BMP、Drawing、自定義圖形等顯示成圖像。因此，SocketAPI從網(wǎng)絡(luò)接收視頻數(shù)據(jù)后，首先將接收到的JPEG圖像轉(zhuǎn)換成BMP，然后將其傳送給Image對(duì)象，Image對(duì)象zui后處理視頻數(shù)據(jù)、生成圖像視頻并將其顯示出來。
　　
　　7結(jié)束語
　　
　　本文提出了一種基于ARMS3C2410X的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行視頻采集、壓縮和打包并通過nRF2401無線發(fā)射、接收模塊進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)無線傳輸，zui后通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)將視頻數(shù)據(jù)從視頻傳輸模塊傳輸?shù)揭曨l應(yīng)用服務(wù)端，構(gòu)成一套完整的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。由于系統(tǒng)的核心工作采用高性能嵌入式處理器完成，因此該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在油田、油氣井無線視頻監(jiān)控，智能家居等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。