基于OMAP5912远程视频监控系统的设计

引言

　　目前视频监控系统已广泛应用于各领域，数字化和网络化已成为视频监控系统的发展方向。本设计采用OMAP5912 处理器[1]设计和实现了基于B/S模式的远程视频监控系统，不仅解决了传统模拟视频监控系统的弊端，而且弥补了单核处理器在视频编码方面的不足。

　　OMAP5912是由ARM926EJ-S MPU内核和TMS320C55x DSP内核组成的双核处理器, ARM926 可满足控制和接口方面的处理需要，而且支持广泛的操作系统，而C55x 系列DSP可提供对低功耗应用的实时多媒体处理的支持。因此，将OMAP5912用于视频监控系统中时，可以利用ARM核实现人机接口、控制和通讯，利用DSP核实现视频编码，从而可以组成一个高速、清晰、低功耗、具有良好人机交互的视频监控系统。

　　系统总体结构

　　系统总体结构框图如图1所示。系统以OMAP5912电路板和摄像头为硬件，以Montavist Linux操作系统，摄像头驱动程序、H.264编码器、网络通信程序为软件，以带IE浏览器的PC机为监控端。在服务器端OMAP5912的ARM核通过驱动程序启动摄像头进行视频采集，利用DSP/BIOS Bridge将获得的视频传送给DSP核，DSP核利用优化后的H.264编码器对视频编码，然后将编码后的视频回送给ARM核，ARM核通过网络通信程序与监控端进行数据交换。用户监控端对视频解码并播放视频，同时可以通过IE浏览器对摄像头进行控制及参数设置。

　　系统硬件设计

　　系统硬件设计即为OMAP5912电路板的设计，设计中，电源管理芯片采用TPS65010；DDR采用K4X56163PE芯片；NOR FLASH采用两MT28F128J3FS-12芯片；音频CODEC芯片采用TLV320AIC23；以太网接口芯片采用LAN91C96；另外还设计有USB接口、UART接口、音频输入输出接口、JATG/Multi-ICE仿真调试接口及四个扩展接口。OMAP5912 电路板原理框图如图2所示。

图2  OMAP5912电路板原理框图

　　系统软件设计

　　系统实现的功能是采集视频并进行远程传输，软件部分设计主要包括软件平台的构建、摄像头驱动程序的实现、视频采集和视频编码的实现、嵌入式WEB服务器的构建、视频网络传输的实现。

　　1）开发平台的建立

　　在应用程序开发前，首先需要在OMAP5912电路板中建立起软件平台，主要步骤如下：

　　（1）在PC机中安装MontaVista Linux嵌入式操作系统。
　　（2）移植u_boot到目标板中
　　（3）Linux内核配置并增加如下两个模块：
　　①Multimedia devices→<*>Video For Linux→[*]V4L information in proc filesystem；
　　②USB Support→USB Multimedia devices→<*>USB OV511 Camera support；
　　修改一些参数，其中最重要的是修改Makefile文件：
　　ARCH:= OMAP
　　CROSS_COMPILE=arm_v4t_le-
　　最后执行如下命令生成内核镜像文件：
　　#make dep #创建内核依赖关系
　　#make clean #清除中间文件
　　#make uImage  #创建内核镜像文件（4）使用tftp方式下载内核镜像文件 [p]

　（5）挂载根文件系统
　　在应用程序的开发过程中，一般通过网络以N FS方式来挂载在L inux主机上的文件系统, 这样就不必要每次有改动都要重新烧写文件系统的镜像文件。它的实现基于对主机进行相应的配置并启动N FS 服务, 向Linux 主机的/etc/exports文件添加下列一行：
　　/home/luowei/montavista/filesys *(rw,no_root_squash,no_all_squash,sync)
　　并运行下列命令使得设置生效：
　　#exportfs –a
　　#service nfs restart
　　说明：/home/luowei/montavista/filesys为本人宿主机上的根文件系统，可以根据实际情况修改。
　　（6）系统测试
　　在/home/luowei/montavista/filesys/home建立一个hello.c文件，并使用如下命令编译成目标板可执行文件hello：
　　/opt/montavista/previewkit/arm/v4t_le/bin/arm_v4t_le-gcc –o hello hello.c
　　进入目标板上相同目录并执行./hello，若能正确运行，表明系统搭建成功。
　　2）视频采集和编码
　　（1）摄像头驱动程序设计
　　驱动程序的作用在于把设备映射为一个特殊的设备文件, 用户程序可以像对其它文件一样对此设备文件进行操作[2]。系统的摄像头驱动程序包括摄像头打开模块Camera_Open()、摄像头控制模块（包括中断请求，摄像头初始化、启动、摄像头寄存器设置、DMA请求及启动）和摄像头关闭模块Camera_Release()。然后将驱动程序定义在struct file_operations中，供内核Video4Linux的API函数调用。考虑到Linux自带OV511的驱动程序，设计采用OV511芯片的网眼摄像头OV3000。
　　（2）视频采集
　　设计使用Video4Linux模块[5]提供的API函数进行视频采集，主要函数包括：
　　①dev = open(Camera_Open ,O_ RDWR);打开视频捕获设备。
　　②ioctl (dev , VIDIOCGCAP , &vid_
　　caps) 获取该视频设备的相关性能。
　　③ioctl (dev , VIDIOCGCHAN , &vid_
　　chnl);获取摄像头通道的相关参数。
　　④ioctl (dev , VIDIOCGFBUF , &vid_
　　buf) ;获取帧缓冲的属性。
　　⑤ioctl (dev , VIDIOCGPICT , &vid_pi);获取图片采集的设置。
　　⑥ioctl (dev , VIDIOCSPICT , &vid_pic);设置图片采集的相关参数,包括颜色深度、调色板类型、亮度、对比度等。
　　⑦ioctl (dev , VIDIOCSWIN , &vid_win);设置图像采集的视区参数。
　　⑧fwrite (m_buf ,1 ,230400 ,p) ;采集的数据存入。
　　⑨ioctl ( dev , VIDIOCMCAPTURE ,
　　&vid_mmap);开始俘获一帧。
　　设计中使用内存映射mmap()[3]方式截取视频帧，即先使用ioctl()函数获得摄像头存储缓冲区的帧信息，之后修改video_mmap中的设置，接着使用mmap()把摄像头对应设备文件映射到内存区，完成视频采集。
　（3）视频编码
　　设计采用OMAP5912的DSP核进行视频编码，能充分发挥OMAP5912的双核优势。在编码器的选择上，考虑到H.264和以前的视频编码标准（如H.263和MPEG-4）相比，在压缩性能上有较大的提高，本设计选择适合嵌入式系统的x264-20060612版本H.264编码器。考虑到监控视频场景的特点，选择如下编码方案：
　　①H.264的baseline，不采用B帧编码和CABAC；
　　②搜索范围选取16；
　　③量化参数选取32；
　　④1/2像素插值；
　　⑤只使用1个参考帧；
　　⑥编码P帧宏块的时只采用16×16，16×8，8×16，8×8，Intra16×16五种模式。
　　H.264编码器经过一系列优化后即可用于本系统，其工作流程如图3所示。

[p]

　3）视频网络传输
　　考虑到B/S模式拓展性好、维护和升级容易、安全度较高等优点，系统采用B/S模式。用户只需要在远程客户机的网页地址栏内输入服务器的IP地址，通过浏览器就能实时查看现场视频画面。
　　系统网络通信程序的设计包括服务端和监控端的设计，其中监控端采用通用的IE浏览器即可，主要是服务器部分的设计，包括构建WEB服务器[4]（主要涉及BOA Web Server的移植及配置， CGI脚本的创建）、C语言实现CGI（通用网关接口）、实现嵌入式数据库和制作简单网页等。其中，CGI为WEB服务器和应用程序的接口，如通过CGI程序对远程设备的进行参数设置；采用嵌入式数据库MSQL用于存取系统的重要信息，如用户的帐号、密码，摄像头参数等。采用B/S模式后，服务器和监控端的通信程序结构图如图4所示。

图4 服务器和监控端的通信程序结构图

嵌入式WEB服务器部分程序如下。
　　//创建TCP套接字连接TCP网络
　　if((sock_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
　　{
　　perror("sock_fd error");
　　exit(1);
　　}
　　setsockopt(sock_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&on,sizeof(on));
　　//为套接字分配HTTP协议地址
　　my_addr.sin_family=AF_INET;
　　ddr.sin_port=htons(80);
　　my_addr.sin_addr.s_addr=htons(INADDR_ANY);
　　if(bind(sock_fd,(struct sockaddr*)&my_addr,sizeof(their_addr))==-1)
　　{
　　perror("bind errorn");
　　exit(1);
　　}
　　……
　　if(!fork())
　　{
　　recv(new_fd,http_rec,2048,0);//接收用户端控制命令
　　//捕捉图像
　　image=videograb(320,240,brightness,contrast,colour,hue);
　　……
　　}
　　系统充分发挥了OMAP5912的双核优势，实现了视频实时采集、存储、编码及网络传输。视频监控用户界面效果图如图5所示。

结语

　　设计和实现了基于OMAP5912的远程视频监控系统，系统充分发挥了OMAP5912的双核优势，实现了服务器端进行视频的实时采集、存储、编码及网络传输，而监控端的PC机可以通过IE浏览器查看监测点的视频，也可以设置视频的分辨率、亮度、对比度等参数。经实际运行表明，系统运行稳定，视频流畅，能够满足远程视频监控的要求。