基于PXA255和JPEG压缩算法的嵌入式视频监视系统

1  嵌入式系统的硬件构成
1.1 视频数据采集终端
    现场视频信号的获取采用基于PXA255的嵌入式CPU构建的开发平台Sitsang开发板。基于PXA255的Sitsang嵌入式开发板是一个功能强大的嵌入式开发平台，其CPU工作主频为    MHz，具有64M闪盘的存储容量，内部RAM达到了32M，并且具有丰富的外设资源。其中Sitsang板上自带的USB接口（USB1.0）能够与USB摄像头进行连接，从而满足本设计中视频信号的采集要求。本设计采用MDC-30L作为视频采集设备，直接通过USB接口与Sitsang板进行连接。
1.2 无线局域网
    采用无线网络传输方式，不仅能够省去布线等施工操作，并且配置简单，便于进行设备的检修和维护。无线网络设备采用TEW-310APB无线网桥，它具有下列多种优点，便于进行图像传输：采用直接序列扩频 (DSSS)技术；提供高的数据速率带宽达 22Mbps；提供 64/128/256位有线等效保密 (WEP)编码；浏览器WEB配置和基于 Windows的配置软件；通过无线用户的MAC地址进行访问控制；分开的 2dBi双极天线，更换其中任何一个天线为高增益天线即可以扩大信号覆盖范围。DHCP服务支持高达100个客户端 ；10/100Mbps自适应快速以太网端口。
1.3 监视服务器
    服务器中完成了多路视频信号的采集和转发工作，通过不同的端口与需要进行视频监控的客户机进行通讯，并传输压缩好的视频数据。因此，可以选择一般服务器计算机就能满足要求。
1.4 移动监视终端
    移动监控终端我们同样采用Sitsang开发板来进行设计。服务器收到相关数据后可以根据要求把数据转发给移动终端，移动终端通过无线网桥接收数据后在液晶屏上进行相应的显示，这样方便监控人员随时随地了解现场发生的情况。
系统硬件实现框图如图1所示：

图1 硬件构成
2  系统的软件设计
2.1  Linux 下开发平台的建立
    Sitsang嵌入式开发平台适合多种嵌入式操作系统，本文在Sitsang开发板上构建了基于ARM的嵌入式Linux操作系统，简称Arm_Linux操作系统，并且对Linux进行了有效的裁剪，使其适应本设计的要求。
    要在Linux系统中开发应用程序，必须完成开发环境的建立。首先是建立交叉编译环境，使程序能够在PC机上进行编译、连接，然后下载到目标板（Sitsang板）上运行；其次选择QT作为Linux环境下可视化界面的开发工具，Qt是Linux下免费的面向对象的开发环境，它具有优良的跨平台性能，支持绝大多数系统常用的API函数；最后要进行内核的裁剪。
2.2  Linux 内核的裁剪和建立
    原始的linux内核提供了较完备的系统资源，为开发目标的实现提供了多种可行性方案的硬件支持，但是考虑到更充分的利用硬件资源和系统的稳定性，就要根据所需要的资源对内核进行相应的配置，增加需要的设备资源，不需要的资源可不必加载其驱动程序。
    根据我们对这套系统的要求，确定了以下所用硬件：USB Host controller、USB Client、Touch Screen、LCD、FF UART、BT UART、LAN、VIDEO等设备资源以及与它们相关的一些接口总线设备。对于IrDA，USB鼠标键盘等设备我们没有用到，从内核中进行删除。
2.3  软件系统的实现
    软件分成几个模块来进行设计：
2.3.1 视频采集处理模块
    这是整个系统软件的“底层”工作部分。它直接通过摄像头完成现场视频图像的实时采集，并进行相关的初步处理，为网络发送作好准备。
2.3.2 网络通讯模块
    此模块接收视频采集模块和状态参数采集模块提供的相关数据，传递给监控服务器以备下一步处理；同时，它还可以转发监控服务器的数据给某个特定的移动监控终端，以便实现移动监控。
2.3.2 视频显示及报警模块
    此模块在监控服务器和移动监控终端上都存在，功能也基本相同。它可以实时的显示接收到的视频图像，并在发现图像异常时及时给出报警信号，提醒监控人员进行处理。
2.3.4 文件服务模块
    此模块主要是在发生报警后及时记录相关信息，并在硬盘上存贮相关数据，以备将来查阅。
整体软件设计框图如下图2所示：[!--empirenews.page--]

图2 系统软件框图

    在视频采集与处理模块中，首先要按照要求在linux2.4.19内核中加入V4L (video for linux) 的支持项，然后在usb总线驱动中就会出现一些camera的选项，里面就有ov511（支持网眼3000）和stv680（支持MDC-30L数码相机）的驱动支持。
    V4L定义了在linux下进行图像采集的接口函数。主要有设备的open、close、read、write、ioctrl、mmap等对设备的操作方法，并通过结构体video_device_ stv680_template在内核中进行登记，方便在用户状态下进行设备的各种操作。可以以虚拟内存映射方式获取图像数据，主要是调用mmap内存映射函数stv680_mmap，其定义如下：
    static int stv680_mmap (struct video_device *dev, const char *adr, unsigned long size)
    在该函数中，利用系统调用remap_page_range，将物理地址pos对应的虚拟页面地址page映射到用户空间中去，从而实现了图像数据从驱动到应用程序的转移。对硬件底层的操作，集中在stv680_ioctl函数中，通过系统调用ioctrl对设备进行控制，其中包括：VIDIOCGCAP、VIDIOCSYNC等控制方式，对摄像头进行配置、同步等操作。这些控制方式都符合V4L的控制规范，可以将一般的图像采集程序不经过改动移植到这个驱动上来。
    对采集上来的每一帧图像数据我们采用JPEG压缩。在实际应用中，JPEG压缩使用Arm_linux下的libjpeg库模块，该模块采用以离散余弦变换(Discrete Cosine Transform，DCT)为基础的有损压缩算法，在压缩比为25:1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别。经过交叉编译后，将编译生成的库文件libjpeg.so拷贝到了sitsang板的文件系统中，从而使sitsang板支持jpeg压缩格式的图形。代码实现部分的主要流程如下：
    设置压缩信息结构体struct jpeg_compress_struct cjpeg，其中保存着图像原始信息和压缩信息。其中图像大小320x240，深度为3，颜色类型为RGB.
设置图像压缩品质：jpeg_set_defaults(&cjpeg)   jpeg_set_quality(&cjpeg, quality, TRUE);
    设置图像压缩方法：cjpeg.dct_method = JDCT_FASTEST（使用快速离散dct变换）
开始压缩：
    jpeg_start_compress(&cjpeg, TRUE);
     ……
    jpeg_write_scanlines(&cjpeg, row_ptr, 1);
……
    完成压缩：jpeg_finish_compress(&cjpeg);     jpeg_destroy_compress(&cjpeg)
在图像的处理上，本文设计了简单并且行之有效的图像比较判断程序，来判断图像是否发生变化，并且只有当图像发生变换以后，系统才会自动将现场情况上报给监控主机。比较函数cmp_blks设定一个图像发生变化的极限c_limit，然后将一帧图像分割成12*12个图像块（block），对每一个block，将像素之差与c_limit进行比较，如果大于c_limit，则认为该块图像发生了变化，否则没有变化。在野外无人值守的监控环境中，根据实验和经验进行设定c_limit的值，能够合理的利用网络带宽进行传输并减少系统负担。经过概算法确定的视频变化块信息可以用于以后图像跟踪的扩展功能。
3  系统的测试与结论
    通过现场安装测试，每个监视终端可以同时支持4台视频采集终端的连接与数据传输，服务器可以同时支持多达100台视频采集终端的数据转发，长时间运行效果很好。经过图像预处理、判断和压缩后，传输的数据量小，节省了网络传输带宽，适合无线网络传输。