基于ARM9和USB摄像头的网络视频采集系统设计

摘要：随着互联网的不断普及，利用现有网络采集视频信息已经成为远程视频信息采集的主要手段。系统以ARM9处理器S3C2440为硬件平台，通过USB摄像头采集视频信息。DM9000网卡作为以太网控制器，在嵌入式Linux操作系统下，通过移植视频服务器MJPG-streamer，来实现远程视频信息的采集。此系统克服了现有视频采集的距离问题，开发简单，可移植性高，并且系统运行稳定。
关键词：ARM9；S3C2440；USB摄像头；MJPG-streamer

0 引言
    通信网络已经普及到人类生活的各个方面，布控区域广阔的网络视频采集系统也在迅速的发展，嵌入式视频采集系统的服务器直接连入已经建成的网络，既没有线缆长度的限制，也没有信号衰减的限制，通过没有距离概念的网络，彻底抛弃了地域的限制。系统具有几乎无限的无缝扩展能力，所有设备都以IP地址划分，增加设备只是意味着IP地址的增加，可组成非常复杂的视频采集系统，服务器输出的视频数据已完成模拟到数字的转换并压缩，采用TCP／IP协议在网络上传输，支持跨网关、跨路由器的远程视频信息传输。
    本文根据网络视频采集的需要，将网络传输与视频采集相结合，设计了以S3C2440为核心的USB摄像头视频采集和嵌入式Linux系统下的视频服务器，从而实现了远程网络视频信息采集。

1 系统总体设计
    该系统是以ARM9处理器S3C2440为核心，在嵌入式Linux系统平台下，通过USB摄像头采集视频信息，然后对所得到的视频数据通过内部总线送到视频服务器MJPG-streamer上，视频服务器经过对图像压缩处理，经过以太网传输出去，远端客户机通过浏览器或者专用软件访问视频服务器，即可浏览现场信息，从而实现网络视频采集。系统总体如图1所示。

2 系统硬件设计
    系统的硬件框图如图2所示。

    系统处理器采用高性能ARM9处理器S3C2440，S3C2440是基于ARM920T核心的RISC处理器，主频为400 MHz，实现了MMU，具有AMBA总线和哈佛结构高速缓冲体系结构，有独立的16 KB的指令缓存和16 KB的数据缓存。主要应用于高性能，低价格，低功耗的嵌入式设备和手持设备。处理器内部集成了完备的硬件资源，外部存储控制器，4通道DMA，3通道的UART，2通道SPI，2通道USB主机和1通道USB设备，4通道PWM定时器和内部看门狗定时器，130个GPIO等。
    NAND FLASH采用K9F2G08，该存储芯片容量大，高达256 MB，改写速度非常快，易于使用，具有可靠的耐用性，适合用于大量数据存储，该FLASH以512 B为块进行读写操作，通过输入输出接口传送地址和命令，传递专门的数据接口与CPU相连，数据总线为8 b，写入操作必须在空白区域进行，所以在改写数据时要先进行擦除，然后再写入。
    NAND FLAsH在本系统中用来存放bootloader引导代码，Linux内核代码以及Yaffs文件系统。SDRAM为同步动态随机存储器，类似于PC机的内存，在系统启动时，先将内核代码从FLASH复制到SDRAM中，用来程序的读取，存储，执行，从而提高CPU读取和写入数据的速度。本采用2片32 MB的HY57V作为系统内存，把他们并联起来形成32位的数据总线，提高CPU的访问速度，增加运行Linux系统的流畅性。由于SDRAM掉电不能保存数据，所以要不断的进行动态刷新来保存数据，使用之前要进行初始化。
    目前最流行的以太网控制器是DAVICOM公司的DM9000网卡芯片，该芯片自适应10 Mb／s和100 Mb／s的网络，处理器通过GPIO与网卡相连，支持3．3 V接口电压，32位接口存储器可以方便直接与S3C2440相连，在连接RJ-45接口，即可实现以太网物理层和数据链路层的连接。设备驱动程序在Linux操作系统下可以方便的移植，故选择此网卡芯片作为以太网控制器。摄像头采用市场普通USB摄像头，即插即用，处理器通过USB控制器控制摄像头。

3 系统软件设计
    本系统软件可分为Bootloader，Linux内核，Yaffs文件系统和MJPG-streamer视频服务器，系统框图如图3所示。

    “Bootloader是在操作系统运行之前运行的一段小程序，来完成硬件设备的初始化，从而将系统软硬件环境带到合适状态，为最终调用操作系统做好准备”。Bootloader可以从SAMSUNG公司官方网站下载，经过交叉编译生成Bin文件，下载到板子上。
    Linux内核采用Linux 2．6．32版本，运行make menuconfig配置万能驱动USB摄像头，在Device Drivers下，选择Multimedia device，选择Video Capture adapters，选择V4L USB devices，选择GSPA based webcams，即可选择万能驱动USB摄像头。
    系统采用Yaffs文件系统，Yaffs是专为嵌入式系统使用NAND型闪存而设计的一种日志型文件系统。它减少了一些功能，速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小，所以系统采用Yaffs文件系统。
    MJPG-streamer是一款免费基于IP地址的视频流服务器，它的输入插件从摄像头读取视频数据，这个输入插件产生视频数据并将视频数据复制到内存中，它有多个输出插件将这些视频数据经过处理，其中最重要的输出插件是网站服务器插件，它将视频数据传送到用户浏览器中，MJPG-streamer的工作就是将其中的一个输入插件和多个输出插件绑定在一起，所有的工作都是通过它的各个插件完成的。MJPG-stream er源码包可从SourceForge网站下载使用。各个文件如下：
    (1)input_testpicture．so。这是一个图像测试插件，它将预设好的图像编译成一个头文件，可以在没有摄像头的情况下传输图像，从而方便调试程序。
    (2)input_uvc．so。此文件调用USB摄像头驱动程序V4L2，从摄像头读取视频数据。
    (3)input_control．so。这个文件实现对摄像头转动的控制接口。
    (4)output_http．so。这是一个功能齐全的网站服务器，它不仅可以从单一文件夹中处理文件，还可以执行一定的命令，它可以从输入插件中处理一幅图像，也可以将输入插件的视频文件根据现有M-JPEG标准以HTTP视频数据服务流形式输出。
    (5)output_file．so。这个插件的功能是将输入插件的JPEG图像存储到特定的文件夹下，它可以用来抓取图像。
    将MJPG-streamer视频流服务器移植到目标板上运行，从而可以实现网络视频数据的采集，具体移植过程：
    (1)首先移植MJPG-streamer依赖的jpeg库。在／usr／local目录下解压源码包tar xvzf jpegsrc．v8b．tar．gz。
    (2)修改配置文件．／configure--prefix=／usr／video／jpeg--host=arm-linux-gnueabi，编译：make，安装：make install，最后将／usr／local／video／jpeg／lib目录下的libjpeg．so．8文件拷贝到文件系统中的lib目录下。
    (3)解压源码包：tar zxvf mjpg-streamer．tar．gz；
    (4)修改源码：修改顶层Makefile及plugins目录中的各级Makefile将所有CC=gcc修改为CC=arm-linux-gcc。修改／usr／local／mjpg-streamer-r63／plugins／input_uvc目录下的Makfile文件，在CFLAGS+=-O2-DLINUX-D_GNU_SOURCE-Wall-shared-fPIC后加上I／／usr／loc al／video／jpeg／／include，把$(CC)$(CFLAGS)-ljpeg-o$＠input_uvc．c v412uvc．lo jpeg_utils．lodynctrl．lo代码修改为$(CC)$(CFLAGS)-ljpeg-L／usr／local／video／jpeg／lib-o$＠input_uvc．c v412uvc．lojpeg_utils．lo dynctrl．lo，从而加载前面编译安装的jpeg库文件，使得MJPG-streamer能够调用到jpeg库。
    (5)交叉编译：make CC=arm-linux-gcc，交叉编译器为arm-linux-gcc4．3．2，生成ARM板可执行的二进制文件。
    网络视频采集系统软件流程图如图4所示。

4 系统测试
    将应用程序通过超级终端工具传输到ARM板上，设置视频服务器应用程序start_uvc．sh开机启动，将交换机引出的双绞线通过RJ-45接口连接到ARM板，在超级终端下进入ARM板，用ifconfig命令配置服务器相应网段的IP地址，将板子上电之后即可执行视频采集程序。从客户端浏览器输入ARM板IP地址发出访问请求，服务器接收到请求后与客户端建立连接，将视频数据发送到客户端监听端口，客户端就可以得到连续的现场现场画面，从而实现网络视频采集功能。客户端测试画面如图5所示。

5 结语
    随着互联网的不断发展，视频信息采集进入到一个新的时代，本系统设计基于S3C2440的高速信息处理能力和丰富的硬件接口，在网络功能强大的Linux操作系统平台下，移植MJPG-streamer视频流服务器，模块结构清晰，易于管理，利用现有网络资源，很容易实现远程的网络视频采集，克服了现有视频采集的距离问题，开发简单，可移植性高，并且系统运行稳定。
    系统改进思路：无线局域网WLAN成为无线通信使用热点，通过移植WIFI模块可以实现无线网络视频采集，从而摆脱网线的限制，更加方便使用，在MJPG-streamer软件中有一个input_control．so的输入插件没有用到，加上该插件可以实现摄像头的位置的控制，比如自动跟踪的功能，另外可以加入智能模式识别算法，从摄像头读取的视频信息识别物体，辨别出人、动物、汽车等物体，从而是系统功能更加强大。