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1、第 2 6 卷第 6 期 2 0 0 6年1 1月 核电子学与探测技术 Nu c l e a r E l e c t r o n i c s D e t e c t i o n Te c h n o l o g y V0 1 2 6 No 6 No v 2 0 0 6 基于 MP E G4的嵌入式远程监控 系统设计 刘尉悦，武 杰，乔 崇，郁 专，谢 明璞，王砚方(1 宁波大学信息学院，浙江宁波 3 1 5 2 1 1，2 中国科学技术大学近代物理系快电子学实验室，安徽合肥 2 3 0 O 2 6)摘要：介绍了一种基于 MP E G 4的嵌入式远程监控系统的设计方案。该方案采用硬件 AS I
2、C对视 频和音频数据进行压缩，通过 以太网传输视频流和音频流。系统的配置和状态也是通过以太网远程监 视和控制。该方案具有系统体积小，建造成本低等优点，支持多用户连接，适用于银行、交通、教育等多 种领域的监控需求。关键词：MP E C-4，嵌入式系统，视频压缩i 远程监控 中国分类号：TP 3 9 1 文献标识码：A 文章编号：0 2 5 8 0 9 3 4(2 0 0 6)0 6 0 8 2 8 0 3 图像和语音是信息的主要载体，人获得的 信息，7 O 以上是通过视觉得到的。因此，图像 技术是信息获取的关键。人们希望在终端屏幕 上从世界各地实时地看到瞬息万变的影像，最 理想的传输介质是无处不
3、在的因特网。为了有 效地利用网络，影像必须经过数字化、压缩和网 络协 议处 理。目前 最先 进 的、压 缩 方 法 是 MP E G 4，最通用的网络协议是 T C P I I)。本文 介绍了一种基于 MP E G 4压缩算法的嵌入式远 程监控系统。该系统将音视频压缩和网络传输 集成于一块电路板上，其尺寸仅为 1 2 0 m m l O O m m 3 0 m m，可以实现对远程音视频的实 时压缩和同步传输，支持远程系统配置和控制。1 系统介绍 如图 1 所示，系统主要 由模数变换、编码 器、处理器以及 R S 4 8 5 串行接口组成，音频、视 频和命令服务器是基于嵌人式 C P U的软件功
4、 能模块。麦克风捕获的声音和摄像头捕获的图 像经过模数变换后进行压缩编码，然后被发送 收稿日期：2 0 0 5-O 5 一 1 0 作者简介：刘尉悦(1 9 7 8 一)，男 江西萍乡人，博士 8 2 8 到音频服务器和视频服务器，由服务器通过以 太网接 口发送到监控终端。系统采用专用的 AS I C芯片对音频和视频进行压缩编码。视频 数据被压缩为 D I VX格式的 E G 4流，音频 数据则被压缩为 D P C M 格式。同时编码器 在每一帧视频中插入时间戳和音视频同步戳，从而保证即使在网络传输发生数据丢失时，客 户端仍然能正常地同步播放视频和音频。由于 采用 MP E G 4 算法对视频
5、进行压缩，降低了系 统对网络传输带宽的要求，从而可以实现高清 晰度的视频监控。命令服务器接受来 自以太网的远程监控指 令，可以启动和复位系统各模块，对系统各模块 进行配置和控制，查询系统各模块状态，并将命 令执行的结果返回客户端。通过命令服务器可 以获知音视频服务器所有在线连接的详细信 息，包括客户端 I P地址、丢包率、传输速率、在 线时间等，并可以随时中断任何可疑的连接。命令服务器还负责对编码器的各项参数进行配 置，包括图像大小，帧率，码率等，并可以通过 R S 4 8 5 接口监控摄像头，实现包括摄像机平移、旋转、聚焦、倾斜和缩放等功能的远程控制。终端和监控系统之间的通信通过以太网实 维
6、普资讯 http:/ 图 1 系统结构图 L i n u x 系统。u C l i n u x 支持多任务，支持多种文 件系统，提供了对网络的强大支持，具有完整的 T C P I P协议栈，以及标准丰富的 A P I。通过 改变内核的加载方式以及对标准 L i n u x 应用程 序库进行改写，使得 u C l in u x的内核要比标准 L i n u x 小得多，适合嵌入式系统小型化应用。现。系统支持 T C P和UD P两种通信协议。采 用 T C P协议，可以使通信更为可靠，但是会带 来额外的通信开销，用户可以根据自己的网络 情况和监控需求选择合适的通信协议。整个系统 集成 于一 块
7、电路板 上，仅 为 1 2 0 r n m 1 0 0 m m 3 0 mm，主要特点包括：1)完全由硬件实现视频音频的实时压缩传 输，高速高效；2)初始化、配置、数据采集、网络传输过程 完全脱离 P C，系统上电后可独立工作；3)支持对码率、帧数、图像大小的远程动态 调整；4)使用通用的网络介质和协议，同时支持 T C P和 UDP；5)支持多个终端同时进行监控；6)体积小、可靠性高、免维护。2 系统软件 嵌入式系统设计中很大的一部分工作是系 统软件的设计，本系统也不例外。系统 中软件 的工作包括实现音频、视频和命令服务器，驱动 硬件编码器和串行接 口 R S 4 8 5等。软件运行 于嵌入
8、式操作系统 u C l i n u x上，处理器选用了 三星公司的$3 C A 5 1 0，外接 S D R A M 的容量为 8 M 字节。u C l i n u x 是针对微控制领域设计而设计的 _)视 频服 务琴 鐾程 b)音频服 务器 线程 )命令服务器线程 d)工作线程 图 2 线程工作示意图$3 C 4 5 1 0 是三星公司生产的嵌入式 A R M 处理器，其处理速度为 5 0 MHz，价格比较便宜。$3 C A 5 1 0自 带 1 O M 1 0 0 M 以太网控制器，非常 适合于搭建网络服务系统。系统软件采用多线程实现，由工作线程和 音频、视频、命令三个服务器线程组成。工作
9、线 程负责读取编码器的输出，并且将数据发送给 8 2 9 维普资讯 http:/ 客户端。这么做的目的是因为视频和音频的发 送动作非常频繁，如果对每一个客户端都建立 一个单独的线程负责数据发送，将导致非常频 繁的线程切换。u C l i n u x的实时性不是很好，线程切换的系统开销比较大，而且$3 C A 5 1 0的 速度也比较慢，频繁的线程切换是系统所不能 承受的。音频服务器线程监听音频输出端 口，当有客户请求连接时，如果系统还有能力接纳，则将客户端参数传递给工作线程，否则拒绝连 接。视频服务器的工作过程和音频服务器类 似。命令服务器线程监听命令端口，执行命令，并将执行结果返回给客户端。
10、图 2 是四个线程 的工作示意图。在本系统中，编码器每次输出 1 2 8字节数 据，如果直接将数据发送到以太网，因为 T C P 包头为 4 O个字节，U D P的包头也有 2 8个字 节，使得传输的效率非常低，所以需要对编码器 的输出进行缓冲。数据包的发送有阻塞和非阻塞两种方式，其不同在于前者中对发送函数的调用要在客户 端收到数据包后才返回，。而后者中对发送函数 的调用会立即返回。在我们的设计中，所有的 视频和音频数据的发送在同一个线程，如果使 用非阻塞方式发送数据，一个慢速的客户端将 阻塞所有其他的客户端，使得快速的客户端无 法充分利用网络带宽。因此，在设计中使用非 阻塞的方式发送视频数据
11、和音频数据，此时通 过调用 s e l e c t()函数可以知道上次发送的数据 是否已经被完整地接收，从而决定是否需要继 续向该客户端发送数据。3 结束语 MP E G 4以其高数据压缩率，在视频压缩 领域中应用越来越广泛。基于的 MP E G 4 嵌入 式远程监控系统，可 以支持 2 5帧 s 的 7 2 0 5 7 6 高清晰视频。目前，已经开发了针对该系 统的P C客户端软件，可 以实现对音频和视频 的播放、记录以及对系统的控制。De s i g n o f e mb e d d e d r e mo t e mo n i t o r s y s t e m b a s e d o n
12、 M P EG4 L I U We i-y u e ”，WU J i e。，QI AO C h o n g ，YU Z h u a n 2，XI E Mi n g-p u。，WANG Ya n-f a n g 2 (1 a o o l o f I n f o r t mfi o n S d e r a n d E n g t n e e r b rm g b o Un i v e r s i t y，N m g h o o f ia r】g P r 3 1 5 2 1 1，C h i n a；2 F a s t E l e c t r o n i c s La b o r a t or y，D
13、e p t o f Mo d e m Ph y s i c s，US TC，He f e i o f An h u i Pmv 2 3 0 0 2 6，Ch i n a)A b s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s i mp l e me n t a t i o n o f e mb e d d e d r e mo t e mo n i t o r s y s t e m b a s e d o n MP E G 4 Th e s y s t e m u s e s AS I C c hip t o c o mp r e s s v
14、 i d e o a n d a u d i o，a n d t r a n s f e r s me d i a s t r e a ms via Et h e r n e t S y s t e r n i s c o n t r o l l e d r em o t e l y t h o u g h e t h e r n e t，a n d s y s t e m s t a t u s i n f o r ma t i o n c a n b e r e t r i e v e d via e t h e me t Th e i mp l em e n t a t i o n h
15、a s t h e a d v a n t a g e s o f s ma l l s y s t e m，c h e a p p r i c e Ke y w o r d s：M P E G4，em b e d d e d s y s t e m，vid e o c o mp r e s s，r e mo t e mo n i t o r,(上接第 7 3 8页，C o n t i n u e d f r o m p a g e 7 3 8)M e asu r i n g e l e c t r o l y t e d e n s i t y o f s t o r a g e b a t
16、 t e r y u s i n g o n s h i p a n d s u b ma r i n e HOU Yu e-x i n，LI Ga n g，S ONG Ch a n g-q i n g，LI Ya h，MA Yo n g-h e (I n s ti t u t e o f Te c h n i c a l P h y s i c s，He U o r i a n g A c a d e my o f S c i e n c e s，Ha r b i n o f He i l o n g j i a n g P r o v 1 5 0 0 1 0，C h i n a)A b s
17、 t r a c t TKs a r t i c l e dis c u s s e s t h e p r o b a b i l i t y o f me a s u r i ng e l e c t r o l y t e d e n s i t y o f s t o r a g e b a t t e r y b y t r a n s mi s s i o n me t h o d o f l o w e n e r g y -r a y s,De v i c e s a r e d e s i g n e d a n d ma d e Me a s u r i n g r a n
18、 g e o f e l e c t r o l y t e d e n s i t y i s 1 0 0 0 i 3 0 0 g O n-L i n e me a s u r i ng e r r o r i s b e t t e r t han 0 5 Ke y w o r d s s t o r a g e ba t t e r y；e l e c t r o l y t e d e n s i t y l o w e n e r gy T-r a y s；t r a n s mi t t e d i n t e ns i t y；me a s u r e me n t e r r o r 8 30 维普资讯 http:/