基于Linux嵌入式网络摄像机的设计
【摘要】本系统开发了一款基于Linux嵌入式网络摄像机的无线视频监控系统。采用C/S（客户端/服务器）架构方案，以S3C2440A微处理器为核心的硬件平台，构建Linux操作系统，利用USB二合一数字摄像头和嵌入式Linux下提供的V4L2 API接口进行视频数据采集，把采集的视频图像数据通过MJPEG软件算法压缩后，再把视频数据通过内部总线送到mjpg-streamer视频服务器里面，通过TCP/IP网络协议，在ARM服务器上构建wifi AP功能无线局域网来实现把视频数据通过无线wifi传输到客户端，最后通过linux和安卓的关系PC机上的QT客户端来实现把压缩后视频数据解码、显示、录制、回放视频，同时在手机安卓客户端那边实现实时远程监控、抓拍、保存图片。测试的结果表明，本视频监控界面非常的流畅、实时性高、没有卡顿的现象、图像的质量较好。
【关键词】ARM；V4L2；mjpg-streamer；TCP/IP；WIFI；QT
近年来，计算机网络、图像处理、视频图像压缩技术的不断进步，视频系统已经越来越广泛应用于政府、军队、学校、银行和家庭等场合，并呈现多样化的发展趋势，并且同时具有数字化、网络化、实时性强等特性[1]。在监控领域中，嵌入式网络视频监控以小巧、携带方便、低
成本和高性能等特点占据优势。本文利用的是Intenet网络技术、视频数据处理技术来设计基于Linux嵌入式网络摄像机无线监控系统，实现了一个独立嵌入式智能终端设备与后台PC机上的QT客户端（或手机安卓客户端）采用无线WiFi进行视频数据的传输；前台作为视频服务器，进行视频数据采集，把采集到的视频数据通过MJPEG软件算法压缩后，再把压缩后的视频数据通过内部总线送到mjpg-streamer视频服务器里面，并通过TCP/IP协议的Intenet网络无线wifi AP功能，把服务器压缩后的视频数据发送给pc机上的QT客户端进行数据解码、显示和录制视频。
1.Linux网络摄像机系统框图和原理
Linux网络摄像机系统结构图如图1所示：
图1 基于Linux网络摄像机系统结构图
Linux网络摄像机的原理：本系统硬件部分主要由S3C2440A微处理器、二合一USB数字摄像头、USB 无线WiFi网卡构成的。三星公司的S3C2440A芯片是16/32位的RISC 嵌入式微处理器，内核为ARM920T的主控芯片，常用时钟频率是400MHz，最大时钟频率为533MHz，对
Linux 操作系统有很强的支持性， 有很强大的计算处理能力， 能够更好地实现视频图像数据的编解码[2]；摄像头采用的是USB二合一的数字摄像头，主要是由OV7740CMOS图像感光的芯片、DSP数字信号处理芯片、USB设备控制接口这三个模块组成的，通过它可以把采集到视频图像数据传输到DSP数字信号处理芯片中进行加工处理，把它们压缩成MJPEG格式视频流数据，最后通过usb接口送到已经构建好的Linux操作系统、嵌入式mjpg-streamer视频服务功能S3C2440A微处理器中进行处理；然后在ARM服务器上构建一个无线WIFI AP功能的网络，将USB无线wifi网卡插入到开发板的USB接口上，启动AP网络功能，建立无线局域网，运行服务器端的mjpg-streamer应用程序，把采集压缩后的视频数据通过wifi网络使用基于TCP/IP 协议的socket 发送视频数据传输到远程的PC机人机界面终端上Qt客户端和手机安卓客户端，实现对采集压缩后视频数据进行传输、保存、回放、抓拍图片、实时监控。
2.Linux网络摄像机系统设计与实现
2.1 嵌入式Linux 操作系统的构建
主要内容包括uboot的移植、Linux 3.4.2 内核的移植以及根文件系统的制作。
（1）uboot的移植
Bootloader目的是正确引导操作系统，通过里面的一段小程序，可以把板子硬件初始化和建立一个内存空间映射，从而把整个软硬件系统带到合适的环境中，为最后引导和加载内核做准备[3]。
uboot 的目的就是为了启动内核，目前新版本的uboot能够支持多种系统架构的CPU，支持的开发板也越来越多，为了能使uboot更好的支持ARM9硬件平台上，还要进行如下两方面的工作：
① 增加下载功能，通过网络端口、串行端口或USB端口下载文件到内存中。
② 新版本的u-boot对flash芯片的读写支持比较完善，移植时主要增加的内容是对nandflash芯片的读写功能。
（2）Linux内核的制作
① 进入Linux-3.4.2源码目录，修改里面中的Makefile、内核的机器码及分区信息等等。
② 使用make menuconfig命令来定制Linux内核常用的功能并且配置它们。
③ 使用make uImage来编译内核，并生成一个压缩的uImage内核映象文件。
④ 通过nfs把新的内核映象文件下载到ARM开发板里面。
（3）根文件系统的制作
利用busybox源码包来制作根文件系统，制作的步骤如下：
① 修改busybox目录里面的Makefile文件，使用make menuconfig配置所需要的功能。
② 使用make编译BusyBox里面的功能，然后使用命令make install安装到相应根文件系统目录下。
③ 在根文件系统下构建其他目录，把编译出来的库文件拷贝到相应的目录下，并创建Linux系统启动常用的脚本文件。
④ 用nfs网络来挂载构建的跟文件系统，让开发板通过网络nfs从这个最小的文件系统启动。
2.2 USB摄像头驱动的修改和配置本系统采用的是USB二合一数字摄像头，驱动是简单修改L
inux内核自带的uvc_video视频驱动源码，把修改过视频驱动编译进内核，配置内核让内核支持UVC摄像头驱动和USB总线驱动，然后就可以通过V4L2应用程序接口来采集视频图像数据，把摄像头给用起来。
2.3 USB无线网卡源码包修改、驱动加载及wifi AP功能启动
本次系统使用的USB无线wifi网卡是RT3070，先从网络上下载驱动源码包2010_0203_RT3070_SoftAP_v2.4.0.1_DPA.bz2，解压驱动源码包，修改里面所有的Makefile和config.mk文件往里面增加自己的配置、内核路径以及交叉编译工具，配置编译内核支持无线wifi网络功能，重新编译刚刚修改过的驱动源码包，把生成的驱动模块拷贝到根文件系统相应的目录下并且加载它，并编写wifi加密应用程序，最后启动无线wifi网络的AP功能。
2.4 视频数据的采集
在linux系统中采用V4L2来表示视频设备接口，可以通过它来实现操作摄像头，就能实现采集远程图片、视频、音频等数据。尤其是在远程监控、3G电话、网络视频监控系统和嵌入式网
络多媒体终端中都有广泛的应用[4]。主要使用内存映射方式来对视频数据进行采集，采集视频流程图如图2所示。
图 2 视频数据采集流程图
2.5 格式转换及压缩的实现
通过V4L2采集到的视频数据是YUV的格式，并不能直接通过网络发送给客户端显示，需要通过compress_yuyv_to_jpeg函数进行图像格式、文件格式等转换后才能通过网络传送给客户端显示，为了提高网络的传输效率、减少码流通常还需要采用MJPEG软件算法视频图像压缩，这样做的好处是让QT客户端和安卓客户端能够同时观看到更加流畅的视频画面。
2.6 网络视频服务器与视频传输的实现
要实现把压缩后的视频数据通过网络传输，先采用C/S（Client/Server）方案，在ARM开发板上构建Mjpeg-streamer视频服务器，在PC机终端上编写QT客户端和手机安卓客户端，mjpg-streamer视频服务器的主函数处理流程如图3所示。
图3 主函数处理流程
图4 服务器与客户端网络通信图
然后把压缩后的视频数据通过前面构建802.11b标准usb无线wifi信号，来进行视频数据的传输，使用网络协议是TCP/ IP 协议，为了能通过网络在不同的平台上实现不用进程之间的进行通信，本次使用Socket套接字编程接口来实现ARM服务器跟客户端网络进行相互通信的，网络通信的流程图如图4所示。
2.7 QT客户端和手机安卓客户端功能实现
从ARM视频服务器那边通过wifi信号接收的视频图像是压缩的MJPEG 格式，QT客户端要采用xvid_decore（dec_handle，XVID_DEC_DECODE，&xvid_dec_frame，vid_dec_stats）函数来实现把接收到的视频数据解码还原为YUV格式，然后通过cvWriteFrame（videowr，img）函数来实现把实时监控的画面录制成为AVI视频格式，以实现回放实时监控画面。而手机Android客户端可以实现远程实时监控、抓拍视频数据图像、保存视频图像，QT客户端[5]接收网络视频结构框图如图5所示：
图5 QT客户端接收网络视频框图
录制视频的整体程序流程图如图6所示。
3.结语
本设计主要介绍了如何采用C/S模式的方案，利用Linux + ARM+ WiFi + QT技术来实现嵌入式网络摄像机无线监控，实现对采集视频数据的进行网络传输、保存、回放、抓拍图片、实时监控。经测试，系统能够很稳定的运行，可以以15帧每秒（最快可达到25帧每秒）速度来采集图像，图像的分辨率为320 * 240，基本上很流畅的达到普通视频监控的效果，实现了一个小巧、方便携带、低成本、高性能的网络摄像机，来达到无线视频监控效果。
图6 总体程序流程图
参考文献：
[1] 西刹子.智能网络视频监控技术详解与实践[M].北京：清华大学出版社，2010.
[2] 杨天怡，刘宇.一种嵌入式Linux 环境下图像压缩及传输的实现[J].计算机科学，2006，33 （4）： 228—229.
[3] 张小全.嵌入式Linux系统开发技术详解—基于ARM [M].北京：人民邮电出版社，2007.
[4] 刘富强，卢赤班.数字视频监控系统及其应用[J].工矿自动化，2003.
[5] 韩少云.嵌入式Linux的Qt图形程序实战开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.
注：
河池学院青年课题，编号2010A-N002。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。