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1、中南大学硕士学位论文基于ARM的网络视频监控系统的研究与设计姓名：伍俭申请学位级别：硕士专业：电子科学与技术指导教师：罗桂娥20100512摘要视频监控一直是信息领域热门的应用技术之一，它以直观、方便与信息内容丰富的特点而广泛被人们所关注。随着嵌入式技术、视频处理技术和网络传输技术的迅速发展，视频监控系统正朝着数字化、网络化、集成化的嵌入式视频监控方向蓬勃发展。相比于传统的视频监控系统，它具有小巧灵活、高可靠性、组网方便、可远程监控等优点，更适合应用于交通、银行、小区、工业控制等场合中。本文对基于A R M 的网络视频监控系统进行了研究与设计。首先在对系统进行需求分析的基础上对系统硬件进行了总
2、体设计，采用A R M 9 微处理器$3 C 2 4 4 0 A 搭建硬件平台，设计了系统存储模块、以太网接口模块、摄像头接口模块、电源模块、串口和J T A G 接口的电路。其次对运动目标检测算法进行了研究，提出了一种时域帧差法与背景差分法相结合的运动目标检测算法，仿真实验表明，该算法能提取出较完整的运动目标，并对光线变化有较好的适应性。然后对系统的引导加载程序、L i n u x 内核和文件系统的移植进行了开发，并对设备驱动程序进行了研究和开发。在此基础上，对系统应用软件进行了开发，C S 模式下服务器利用V i d e 0 4 L i n u xA P I 函数实现视频采集，采用J P
3、E G 压缩算法进行视频数据压缩，通过T C P I P 协议的s o c k e t 编程实现了视频数据网络传输。客户端在L i n u x 下基于S D L 库实现了视频显示。在C S 模式服务器的基础上，通过搭建W e b 服务器，开发J a v aA p p l e t程序并嵌入所制作的网页中，实现了B S 模式下视频服务器的设计。本设计实现了基于C S 模式和基于B S 模式的网络视频监控系统，用户可以通过运行客户端软件或浏览器的方式实现远程视频监控，满足更多用户的需求，具有一定的实际应用价值。关键词A R M，嵌入式L i n u x，视频监控，B S 模式，运动目标检测A BS
4、T R A C TV i d e os u r v e i l l a n c eh a sb e e no n eo ft h ep o p u l a ra p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y I ti si n t u i t i v e，c o n v e n i e n t，r i c hi nc o n t e n ta n de x t e n s i v e l yc o n c e r n e db yt h ep e o p l e W i t ht
5、h er a p i d l yd e v e l o p i n go fe m b e d d e dt e c h n o l o g y,v i d e op r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y,v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi sd e v e l o p i n gt o w a r dt h ed i r e c t i o no fd i g i t a l，n e
6、t w o r k e d，i n t e g r a t e de m b e d d e dv i d e os u r v e i l l a n c e C o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m，f o ri t sg r e a ta d v a n t a g e s，s u c h弱s m a l ls i z e，g o o df l e x i b l i t y,r e m o t em o n i t o r i n g，h i g
7、 hr e l i a b i l i t y,c o n v e n i e n ta n dS Oo n，i ti sm o r es u i t a b l ef o rt r a n s p o r t a t i o n，b a n k，r e s i d e n c ec o m m u n i t y,i n d u s t r i a lc o n t r o la n do t h e ro c c a s i o n s An e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e do nA R Mi s
8、s t u d i e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r F i r s t l y,t h es y s t e mh a r d w a r ei sg e n e r a l l yd e s i g n e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h en e e d so ft h es y s t e m T h eA R M 9m i c r o p r o c e s s o r$3C 2 4 4 0 Ai su s e dt ob u i l th a r d w a r ep l a t f
9、 o r m T h ec i r c u i t so fm e m o r ym o d u l e，E t h e r n e ti n t e r f a c em o d u l e，c a m e r ai n t e r f a c em o d u l e，s e r i a lp o r t，J T A Gi n t e r f a c ea n dp o w e rm o d u l ea r ed e s i g n e d T h e n，b a s e do nt h es t u d y i n go fm o v i n gt a r g e td e t e c
10、 t i o na l g o r i t h m s，am o v i n gt a r g e td e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt i m ed o m a i nf r a m ed i f f e r e n c ea n db a c k g r o u n dd i f f e r e n c em e t h o di sp r o p o s e d S i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mC a l le x t r a
11、 c tc o m p l e t em o v i n gt a r g e t，a n da d a p tt h ei n t e r f e r e n c es u c ha sl i g h tc h a n g e sb e a e r T h es y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r mi sd e v e l o p e d T h eb o o tl o a d e r,l i n u xk e m e la n dr o o tf i l es y s t e ma r em i g r a t e d，a n dt h ed e
12、v i c ed r i v e ri Sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d I nt h i sb a s i s，t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo ft h es y s t e mi sd e v e l o p e d，t h es e r v e ro fC Sm o d e li Sr e a l i z e db yu s i n gV i d e 0 4 L i n u xA P If u n c t i o nt oc a p t u r ev i d e od a t a，u
13、 s i n gJ P E Gc o m p r e s s i o na l g o r i t h mf o rv i d e od a t ac o m p r e s s i o n，u s i n gs o c k e tp r o g r a m m i n go fT C P I Pp r o t o c o lt or e a l i z et h en e t w o r kt r a n s m i s s i o no fv i d e od a t a t h ev i d e od i s p l a yi Si m p l e m e n t e db a s e
14、do nS D Ll i b r a r yi nt h ec l i e n t SL i n u xO S B a s e do nt h es e r v e ro fC Sm o d e l，t h r o u g hs e t t i n gu pw e bs e r v e r,d e v e l o p i n gJ a v aA p p l e tp r o g r a ma n de m b e d d i n gi ti nt h ep r o d u c e dw e bp a g e，t h es e r v e ro fB Sm o d e li sd e s i g
15、 n e d T h en e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e do nC Sm o d e la n dB Sm o d e li sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h ep a p e r,u s e r sC a l lr u nt h ec l i e n ts o f h a r eo rb r o w s e rt or e a l i z er e m o t ev i d e os u r v e i l l a n c e T h
16、 en e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mm e e t st h en e e d so fm o r eu s e r sa n dh a sm ev a l u eo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s K E YW O R D SA R M，E m b e d d e dL i n u x，v i d e os u r v e i l l a n c e，B Sm o d e l，m o v i n go b j e c td e t e c t i o nI硕士学
17、位论文第一章绪论1 1 课题背景及研究意义第一章绪论弟一早珀T 匕视频图像是是人类最重要的信息载体之一，它能够形象生动的描述客观事物，具有直观而具体的信息表达形式。视频监控系统能够将被监控区域的实时图像准确、快速地传送到监控中心服务器，监控中心就可以实时地掌握各个被监控现场的当前情况，从而对敏感事件做出快速反趔1 1。视频监控技术是一个综合性的技术，它集通信技术、计算机技术和数字视频处理技术于一体。视频监控技术越来越受到人们的关注，它以直观、方便和信息内容丰富等特点而广泛应用于交通、智能小区、银行安全监控、工业控制等场合中。随着计算机技术、电子技术和图像处理技术的迅速发展，芯片集成度的不断提高
18、与成本的不断降低，视频监控技术得到了不断地发展。传统的视频监控系统主要是模拟信号监控系统。模拟信号监控系统的缺点是图像不清晰、浪费系统资源、不易构成复杂的网络结构、系统功能的可扩展性较差等。数字视频监控系统是一种新型的监控系统，它以计算机为中心，视频图像处理技术为基础，综合利用计算机网络、自动控制和人工智能等技术，并结合了监控系统的实际要求及多年来不断完善的安防理论和经验。数字视频监控技术结合了现代的信息技术与监控技术，实现了应用的多媒体化、视频的数字化和管理的智能化【2】。与传统的模拟信号监控系统相比，数字信号监控系统的图像数据经过压缩编码，节约了存储设备；并且数字信号不会由于距离而衰减，适
19、合进行远程网络传输，从而消除了监控系统距离的限制；另外，数字监控系统借助计算机的优势，能够对设备和视频进行智能化管理，从而节省了人力资源。数字视频监控技术具有模拟监控技术无法比拟的优点，而且与当代信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势相吻合，因此，模拟监控技术正逐步被数字视频监控技术所取代。嵌入式技术是当今最热门的技术之一。嵌入式系统具有功耗低、体积小、处理速度快、软硬件可裁剪、可扩展性强等优点，因此，广泛应用于工业控制、网络、通信、汽车电子、消费电子、军工等领域。由于信息技术、智能技术和网络技术等不断快速发展和人们的需求不断提高，人类已经进入了“后P C 时代”，预示着嵌入式技术将获得更
20、加巨大的发展舞台，监控系统正朝着集成化、网络化、数字化的嵌入式视频监控方向蓬勃发展。基于以上观点，本课题结合了嵌入式技术、网络技术、数字视频和图像处理技术，研究并设计基于A R M 的网络视频监控系统具有很大的工程实际意义。硕士学位论文第一章绪论1 2 视频监控系统的发展与研究现状1 2 1 视频监控系统的发展随着科学技术的飞速发展，人们的生产、生活方式发生了重大的变化，视频监控技术作为生产生活中比较重要的一项技术被越来越多的人们重视。伴随着计算机技术、网络技术以及视频图像处理技术的不断进步，监控系统也获得了很大的发展。视频监控系统的发展经历了本地模拟信号监控系统、基于P C 机的数字监控系统
21、和基于嵌入式技术的网络数字监控系统三个阶段。1 本地模拟信号监控系统模拟信号监控系统也称为闭路电视监控系统，主要组成部分有摄像机、视频矩阵、监视器等，视频数据通过模拟视频传输线从摄像机传送到监视器上，使用键盘进行切换和控制，使用录像机进行录像。模拟监控系统主要应用于小范围内的监控，缺点主要有：只适合对小范围的区域进行监控，系统的可扩展性差，不能形成有效地报警联动，因为各部分运行独立，所以互相之间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行【3 1。2 基于P C 机的数字监控系统2 0 世纪9 0 年代中期，基于P C 机的数字监控技术随着视频图像压缩编码技术的发展应运而生，同时，P C 机
22、的普及极大的推动了这类技术的发展。基于P C机的数字视频监控系统首先采用专用的压缩设备将各摄像机摄取的视频图像信号进行压缩，然后通过通信网络传输到一台P C 机上，并在该台P C 机上进行视频解压，得到监控现场的实时视频图像。基于P C 机的数字视频监控系统给用户提供了性价比较高的监控解决方案，它的图像质量与功能均有很大程度的提高。但这类监控系统也有缺点，如：视频前端(如视频信号的采集、压缩、通信)比较复杂；功耗较高，不够稳定，可靠性不高；而且传输距离有限，P C 机需要专人管理。3 基于嵌入式的网络视频监控系统随着社会的发展，人们对视频监控系统的提出了越来越高的要求，比如操作简单、良好地交互
23、性和实时性、可联入网络与高稳定可靠性等。随着微处理器技术的高速发展，宽带网络的普及，以及各种视频图像处理技术的广泛应用和不断发展，基于嵌入式的网络视频监控技术诞生了并获得了迅速的发展。基于嵌入式的网络视频监控系统的前端视频服务器采用嵌入式系统，采集到的视频信号经过压缩与储存，传输到网络上，远程监控端通过建立C S 或者B S模型进行远程视频监控。此类视频监控系统的主要产品有网络摄像机【4】、嵌入式视频服务器【5 J 和嵌入式D V R l 6 1 等。与其它监控系统相比，基于嵌入式的网络视频2硕士学位论文第一章绪论监控系统的优势如下：(1)服务器采用嵌入式实时多任务操作系统，大大提高了系统的实
24、时性、可靠性与稳定性；嵌入式系统的软硬件可裁剪，具有体积小、功耗低、性能高等特点，不需要专人管理，非常适合无人值守的应用场合。(2)充分利用网络资源，直接连入网络，即插即看，网络是没有距离概念的，因此不受地域的限制，而且增加监控设备时只需扩充I P 地址，扩展布控区域。(3)因为网络可以双向传输；所以能通过控制云台获得更大的监控范围，还能够通过适当的图像处理技术，实现对监控现场异常情况进行报警、对目标进行追踪等 7 1。视频监控系统的发展方向是视频数字化、管理智能化、监控网络化、系统集成化、前端一体化，其中网络化的前提是数字化，系统集成化的基础又是网络化，因此，数字化、智能化和网络化是视频监控
25、系统发展趋势的最大特点【8】。1 2 2 视频监控系统的研究现状国外对基于嵌入式的网络视频监控系统的研究起步比较早，处于领先水平。国外的嵌入式W E B 摄像机产品已经发展较为成熟，如松下公司的K X H C M l 3 0、索尼公司的S V C-V L l O N、安特公司的A N T-N W C l 0 5 0 1 0 0、三星公司的S N C 一1 0 0 P 等，这些产品虽然性能较好，但价格较高。国内对基于嵌入式的网络视频监控技术的研究比较晚，随着图像压缩编码技术、数字技术的发展以及芯片成本的不断降低，研究的单位也越来越多。当前国内外对基于嵌入式网络视频监控系统的研究，主要集中的研究方
26、面有视频图像的网络传输、嵌入式视频监控系统的设计、嵌入式操作系统的研究和视频图像处理。视频图像网络传输的研究主要对网络视频监控中视频传输技术进行研究，以提高网络传输的效率。在嵌入式视频监控系统设计方面，主要研究与设计视频监控系统，如设计基于嵌入式W e b 服务器的网络视频监控系统。当前国内外嵌入式网络视频监控系统的设计方案有视频采集芯片与D S P 处理器结合、嵌入式处理器与D S P 处理器结合以及图像采集芯片与嵌入式结合的方案。在嵌入式操作系统方面，主要针对嵌入式操作系统在视频监控系统中的应用进行研究，如对L i n u x 构架下的设备驱动程序进行研究等。视频图像处理的研究主要是根据图
27、像处理技术，实现目标检测和踪等功能，如清华大学研究的智能跟踪系统分为运动检测、目标分类和目标跟踪三个阶段，该智能跟踪系统还能实现入侵检测、人群跟踪、人和车的数量统计、遗留物体检测和报警等功能。3硕士学位论文第一章绪论1 3 嵌入式系统的发展嵌入式系统【9 l 广泛应用于消费电子、工业控制、网络通信等领域，可以堪称是后网络时代和后P C 时代的新秀。与普通计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特剧删。(1)软硬件需要进行高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力求在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才更具竞争力。软件通常不是存贮在磁盘等载体中，而是固化在存储器芯片或单片机本身中，从而大大提高了执行速度和
28、系统的可靠性。(2)面向特定的应用，与通用C P U 的最大的差别是前者主要工作在为特定应用而开发的系统中，具有集成度高、功耗低、小巧灵活等优点，它集成通用C P U 中很多由板卡实现的任务到芯片中，使嵌入式系统设计变得小型化，与网络的耦合性也越来越好。(3)将各个行业的具体应用与电子技术、计算机技术及半导体技术相结合，因此，它是一个知识集成体系，具有资金密集与技术密集等特点。并与具体应用有机结合在一起，它的换代也是跟具体产品同步进行，因此嵌入式产品一旦进入市场，它的生命周期将较长。嵌入式系统一般由嵌入式处理器、嵌入式操作系统、嵌入式外围设备和嵌入式应用软件四大部分组成1 1 1】，如图1 1
29、 所示。图l-l 嵌入式系统组成框图以下首先从嵌入式处理器和嵌入式操作系统两方面介绍嵌入式系统的发展，然后介绍嵌入式系统的发展趋势。1 嵌入式处理器嵌入式处理器【1 2】主要完成系统的运算、执行、控制等功能，是嵌入式系统的核心器件【1 3】。根据其发展现状，可以分为以下四类。(1)嵌入式微控制器(E m b e d d e dM i c r o p r o c e s s o rU n i t，E M P L D嵌入式微控制器将整个计算机系统集成到一块芯片上，它的主要代表是单片4硕士学位论文第一章绪论机。这种8 位的电子器件从2 0 世纪7 0 年代出现以来，虽然己有三十多年的历史，但如今仍在
30、一些对资源要求较少的控制系统中有着非常广泛的应用。与嵌入式微处理器相比，它具有体积小、单片化、功耗小、可靠性高和成本低等特点。比较有代表性的通用系列有M C S 2 5 1、8 0 5 1 以及P 5 1 X A 系列。(2)嵌入式微处理器(M i c r o c o n t r o U e rU n i t，M C U)嵌入式微处理器具有较高的性能，它的基础是通用计算机的C P U。嵌入式微处理器与计算机处理器的主要区别是，微处理器被装配在专门设计的电路板上，并且只保留与嵌入式应用关系紧密的功能硬件，在降低功耗和资源的基础上，实现系统的特定要求。嵌入式处理器目前主要有A R M、P o w
31、e rP C、M I P s、3 8 6 E X、S C-4 0 0 等。：(3)嵌入式片上系统(S y s t e mO nC h i p，S O C)嵌入式片上系统是在硅片上实现更加复杂的系统，嵌入操作系统可以直接嵌入其中，通过在硅片内运行V H D L 等硬件描述语言来实现硬件功能，实现了软硬件的无缝结合。用户只需定义出整个应用系统并成功进行仿真，半导体工厂能够根据设计图生产出样品，一块芯片能够集成整个嵌入式系统的大多数器件，因此系统电路板很简洁，减少了体积和功耗，提高了可靠性。一般用于专门领域，其价格比较昂贵。(4)嵌入式D S P 处理器(E m b e d d e dD i g i
32、 t a lS i g n a lP r o c e s s o r，E D S P)嵌入式D S P 处理器专门应用于信号处理领域，该处理器的指令和系统结构都进行了特殊规划，较大程度提高了指令编译效率和执行速度，更加适合于执行D S P 算法，因此，在数字滤波、谱分析、F F T 等信号处理方面上获得广泛应用【1 4 1。C M O S 技术的发展更加促进了其性能的提高，应用范围也扩大到了通信、语音、图像处理等领域。主要代表产品有I n t e l 的M C S 2 9 6 和T I 的谢S 3 2 0 C 2 0 0 0 C 5 0 0 0系列。2 嵌入式操作系统最初的嵌入式系统较简单，不
33、需要使用操作系统，只包含一些控制流程。然而，随着嵌入式系统越来越复杂，简单的流程控制已不能满足系统的需要。7 0年代末，嵌入式操作系统E O S(E m b e d d e dO p e r a t i n gS y s t e m)就应运而生，它具有可裁剪、强稳定性、高实时性、小巧、代码固化和具有统一接口等特点。因此，它的出现大大简化了应用程序设计，同时有效地保障了软件质量和缩短了开发周期【1 5 1。嵌入式操作系统有实时操作系统和非实时操作系统。实时操作系统指具有实时性，即若系统没能在某个预定时间内响应某个事件，就会使系统发生严重错误。实时系统分为硬实时和软实时两个概念。硬实时系统有一个不
34、可改变的时间限硕士学位论文第一章绪论制，不允许发生任何超出时限的错误。软实时系统则能够容忍偶尔的超时错误，不会导致严重的后果，只是稍稍地降低了系统的吞吐量。2 0 世纪8 0 年代开始，各种各样的商用嵌入式操作系统开始出现在市场中，这些操作系统有很强的专用性，从而形成了商用嵌入式操作系统百家争鸣的局面。代表性的操作系统有。L i n u x、V x W o r k s、W i n d o w sC E 与肛c o s 等。3 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现开始，经过三十多年的发展，已经深入到人们生活的各个方面。常见的嵌入式产品如D V D 机、M P 3、
35、P D A、机顶盒、手机、车载G P S 等，这些产品已经在人们的生活中扮演着非常重要的角色。其中手持设备、工业控制和信息家电是市场应用的主要热点。随着嵌入式系统应用需求的不断提高，嵌入式开发的各个环节也得到了快速发展，其中包括处理器、编程语言、操作系统以及开发工具等。嵌入式系统在通信领域、多媒体等场合的应用，对微处理器提出了更高的要求；同时，高性能、小体积、低功耗的微处理器的出现，更加推动了嵌入式系统在市场中的应用。研究者们设计出了功能更加强大的3 2 位、6 4 位R I S C 芯片的微处理器。以满足应用功能的升级。同时，扩展了总线类型，增加了功能接口，加强了对图像、多媒体等的处理能力，
36、逐步实现了片上系统。如I n t e l 公司生产的P X A 系列高性能处理器，以及A R M 9、A R M l 0、A R M l1，处理速度更快，各种接口控制能力更强，功耗更低，运算能力更强。信息化、网络化是嵌入式发展的另一大发展方向。随着无线技术、I n t e m e t技术的发展成熟，带宽的不断提高，通过在硬件上增加各种通信网络接口，扩展了以往功能单一的设备如手机、冰箱等的功能，能够实现更多复杂的网络应用。这一发展趋势产生了嵌入式网络的概念。智能化也是嵌入式系统的一个重要发展方向。随着各种嵌入式操作系统的应用，增强了嵌入式系统的管理、控制和应用的二次开发的能力，提高了对各种硬件设
37、备的支持能力。例如，当前典型的智能化手机，它的实现就是通过在手机设备中增加嵌入式微处理器并移植特定的操作系统。1 4 课题研究内容及论文结构安排本课题结合视频监控的发展趋势，对智能视频监控技术中的运动目标检测算法进行了研究，并开发一套基于A R M 的网络视频监控系统。通过以$3 C 2 4 4 0 A处理器为核心搭建硬件平台，移植嵌入式L i n u x 操作系统，并进行系统设备驱动及应用软件开发，实现C S 模式下和B S 模式下的网络视频监控系统。6硕士学位论文第一章绪论论文结构具体安排如下：第一章，绪论。主要介绍课题的研究背景及意义，视频监控系统的发展和研究现状，以及嵌入式系统的发展。
38、第二章，系统需求分析及硬件平台设计。在对系统进行需求分析的基础上进行了硬件总体方案设计，并搭建了硬件平台，包括A R M 处理器的选型，摄像头的选择，电源模块、系统存储模块、以太网接口模块、摄像头接口模块、串口电路和J T A G 接口电路的设计。第三章，运动目标检测算法研究。在对常用的运动检测算法进行了分析的基础上，提出了一种时域帧差法与背景差分法相结合的运动目标检测算法，并对该算法进行了详细的论述。第四章，视频监控系统软件平台开发。首先对嵌入式操作系统进行了选择，然后依次论述了B o o tL o a d e r(i J I 导加载程序)的移植、嵌入式L i n u x 内核的移植以及根文
39、件系统的移植，最后对设备驱动程序进行了研究和开发。第五章，视频监控系统应用软件设计。首先对系统应用软件进行了总体分析，然后依次对服务器端视频采集、视频压缩、视频网络传输和c s 模式下的视频显示的软件设计进行了论述；最后在c s 模式服务器的基础上，通过搭建W E B 服务器，开发J a v aA p p l e t 程序，实现了B S 模式下视频服务器的设计。第六章对本文设计的视频监控系统进行了测试。第七章对本文作出了总结，并进行了展望。7硕士学位论文第二章硬件平台研究与设计第二章系统需求分析及硬件平台设计2 1 系统需求分析本系统将设计一个基于A R M 的网络视频监控系统，其总体设计目标
40、是：能够实时采集监控区域的视频数据信息，对视频数据进行软压缩，通过网络进行传输；能够对视频图像进行运动目标检测，发现异常则报警并提取运动目标，实现视频监控的智能化；用户可以通过运行程序或者通过浏览器对视频进行监控，即实现基于C S 模式和基于B S 模式的视频监控，以满足更多用户的不同场合的需求；能够对视频数据进行存储和回放，以便用户查看和使用。1 系统需要实现以下功能(1)采集监控区域视频数据；(2)对视频数据进行压缩；(3)网络传输视频数据；(4)视频数据的存储与回放；(5)对视频图像进行运动目标检测，发现异常则报警；(6)可基于C S 模式和基于B S 模式进行视频显示。2 系统的关键技
41、术如下(1)嵌入式技术；(2)网络通信技术；(3)运动目标检测技术；(4)C 语言与J a v a A p p l e t 设计技术。3 系统在设计实现过程中需要考虑的因素(1)成本低，开发周期短，便于实现；(2)具有良好的视频监控界面；(3)系统稳定可靠，实时性强，交互性好；(4)系统软件具有良好的可读性，便于理解和扩展。2 2 硬件系统总体设计嵌入式硬件平台是整个视频监控系统的基础，在系统设计中占有至关重要的地位。由上节对系统进行需求分析可知，系统的硬件电路设计主要集中在前端的视频服务器端。为了便于系统硬件很好的满足系统功能，可将硬件系统由多个独8硕士学位论文第二章硬件平台研究与设计立的功
42、能模块组成，给出各硬件模块的功能定义与各模块的电路设计。硬件系统主要由两部分组成：第一部分是以嵌入式微处理器芯片$3 C 2 4 4 0 A 为核心的最小系统，包含F L A S H、S D R A M 和电源及复位等模块，F L A S H 存储器用于存储引导装载程序U B o o t、L i n u x 内核和根文件系统，并在系统启动过程中加载到S D R A M中运行；第二部分是为了实现网络视频监控而需要的摄像头与以太网接口模块，摄像头用来采集视频数据，为了实现视频数据网络传输的需要，在总线上扩展以太网接口芯片D M 9 0 0 0，利用L i n u x 操作系统所支持的T C P I
43、 P 协议实现网络传输。在开发过程中，还需要在系统上扩展一个J T A G 接1 3 和串口，用于系统软件的调试与下载。由以上分析知，硬件电路以嵌入式处理器$3 C 2 4 4 0 A 为核心，外扩F L A S H、S D R A M、串口与以太网接口等，硬件系统总体框图如图2 1 所示。2 3 嵌入式处理器的选型图2-1 硬件系统总体框图为了提高视频监控系统的功能并且降低开发成本，笔者对四类嵌入式处理器进行了比较。嵌入式微控制器虽然控制性能较好，但是处理速度较低，远远达不到本系统的要求；嵌入式D S P 处理器虽然具有高速信号处理能力，可以满足图像采集的实时性，但是其控制性能较差；嵌入式片
44、上系统开发周期长并且成本高，于是最终选择了嵌入式微处理器。嵌入式微处理器主要有A R M、M I P S、P o w e rP C 等，因为在处理器速度、功耗、开发资料、开发成本等方面，A R M 处理器的优势很明显，于是最终选择了A R M 处理器芯片S 3 C 2 4 4 0 A，该处理器芯片内部结构【1 6 1 如图2 2 所示。A R M 的全称是A d v a n c e dR I S CM a c h i n e s，既是一个公司的名字，也是对一类处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字【1 7 1。A R M 为众多国际上出色的半导体、软件和O E M 厂商提供了高性能的微处理器
45、芯片，并且提供A R M 相关技术辅导给它们，是一家在嵌入式系统中很有影响力的微处理器设计商。A R M处理器目前主要分为以下产品系列：A R M 7 系列、A R M 9 系列、A R M l 0 系列、9A R M l l 系列、I n t e lX S c a l e 系列和S e c u r C o r e 系列，其中A R M 7、A R M 9 和A R M l 0是通用处理器系列，每个系列提供特定的性能来满足开发者对性能、体积和功耗的图2-2 三星$3 C 2 4 4 0 A 处理器内部结构框图A R M 处理器是R I S C(精简指令集计算机)体系的处理器，其设计主要适合于处
46、理功能较强、体积小和功耗低等要求的嵌入式系统，其主要特点【1 明如下：(1)为便执行流水线操作，使用单周期指令；1 0硕士学位论文第二章硬件平台研究与设计(2)采用固定长度的指令格式；(3)可在一条数据处理指令中同时完成移位处理和逻辑处理：(4)为提高数据的传输效率，可用加载存储指令批量传输数据；(5)为提高运行效率，在循环处理中使用地址的增减；(6)为提高指令的执行效率，大量使用寄存器，只有加载存储指令可以访问存储器，数据处理指令只对寄存器操作。$3 C 2 4 4 0 A 处理器是三星公司采用A R M 9 2 0 T 内核开发的一款处理器，采用哈佛C a c h e 结构。$3 C 2
47、4 4 0 A 采用0 1 3 哪的C M O S 标准宏单元和存储器单元；具有统一的数据c a c h e 和指令c a c h e，容量都为1 6 K B；外设寻址空间为1 G 字节，主频为4 0 0 M H Z，采用了单一的3 2 位A M B A 总线接口，具有五级流水线，支持3 2 位A R M 指令集。并且它内部设备也非常丰富，比如具有相机接口、2 4 通道外部中断、P L L 片上时钟发生器、1 3 0 个通用I O 口等，提供了一套完整的通用系统外设，能够减少无需配置额外的组件和整体系统成本。$3 C 2 4 4 0 A 具有优雅、简单、低功耗、且全静态设计等特点，非常适合应用
48、于功率和成本较敏感的嵌入式系统场合中。正是基于$3 C 2 4 4 0 A 的这些特点，于是被本系统选用。2 4 摄像头类型选择摄像头主要有C M O S(C o m p l e m e n t a r yM e t a lO x i d eS e m i c o n d u c t o r，互补型金属氧化物半导体)和C C D(C h a r g eC o u p l e dD e v i c e，电荷耦合器件)两类图像传感器【2 0】。C M O S 和C C D 图像传感器工作原理本质上是相似的，只是在于制造上存在主要区别，C M O S 采用金属氧化物的半导体材料制造，而C C D 采
49、用半导体单晶材料制造。C M O S 图像传感器主要是采用锗元素和硅元素的半导体材料，从而P(带正电)型半导体和N(带负电)型半导体同时存在其C M O S 上，这种互补稳定效应会被光子打破，处理芯片根据所产生的电流转换成成图像数据，它的制作技术与普通P C 机芯片的制造技术很相似，被广泛应用于数码影像器材。C C D 是一种感光半导体芯片，它的主要组成部分有位于最下面的电子矩阵、聚光镜片和相似于马赛克的光感受器网格，能够通过光学影像得到数字信号，实现采集数据图像数据。C C D 在复印机、无胶片相机以及扫描仪等设备广泛应用。为了便于类型选择，可通过在体积、功耗、成本、信噪比、灵敏度等指标方面
50、对这两类图像传感器进行比较。C C D 图像传感器具有信噪比大、噪声低、灵敏度高等优点，但是在同一芯片很难完成像素阵列与自动曝光控制、信号处理、定时产生、A D 转换、驱动放大等功能，很难完成单片一体化，具有成本高、功耗高、体积大、生产工艺复杂等缺点。而C M O S 图像传感器虽然对光源要求高硕士学位论文第二章硬件平台研究与设计灵敏度较低、噪音比较大，但是可以将外围电路与像素阵列集成在同块芯片上，功耗小于C C D 的三分之一，具有价格低廉、体积小、集成度高等优点。由以上对比可知，C M O S 摄像头能更好地满足本系统对功耗等因素的要求，于是被本系统采用，具体型号是O V 9 6 5 0，