数字视频监控应用系统设计

数字视频监控应用系统设计（上

图像与视频监控系统是应用计算机与通信技术实现对目标地区信息监视的系统，常应用于交通、能源、公安、电信、军事等部门。随着图像与视频监控系统的应用领域不断扩大，远程图像与视频监控系统应运而生，它满足了远距离监控的要求。

基于ARM嵌入式的数字化远程监控是基于现代通信技术的一种新应用，与传统的模拟监控系统相比：它的组网成本大大降低，系统体积重量大大减小，运行维护更容易。

1 实例说明

本实例介绍的ARM视频图像监控系统网络平台是采用开放的互联网TCP/IP协议标准，组成一个整体结构简单、数据处理能力强、速度快、体积小、性价比高的通信系统。而远程计算机也可以做到无需客户端，通过网络浏览器来实现对设备的一般性监控；或者采用客户端/服务器模型来监控一个易变的、实时性较强的控制系统。

在监控系统中，ARM负责程序控制和网络通信，图像和视频采集模块负责数据获取和处理。当数据或命令从网络传输过来后，ARM系统进行命令处理后，将命令数据传输或显示在LCD上，同时系统负责将处理的结果经过网络接口上传出去。系统接收到数据命令后，经过算法处理后，驱动D/A输出或根据A/D的输入进行数据处理后，将结果传给ARM。

2 设计思路分析

2.1监控系统实现方案

远程监控系统的网络结构设计直接影响到系统的性能，目前监控系统网络的实现大致有三种方案，第一种方案足采用代理服务器的方法，如图25-l所示。

代理服务器一般由PC来充当，一方面运行TCP/IP协议实现Internet接入功能，另一方面通过简单总线结构(RS-232、RS-485等)与嵌入式系统相连接。嵌入式系统中只需要有一部分与代理服务器通信的代码即可。其优点是可以很方便地解决设备上网问题，开发难度低；缺点是接入成本比较高，不利于大规模推广。该方案比较适合大型或较昂贵工业设备的上网需求，不适合用于低价格设备。

第二种方案是通过直接在嵌入式处理器上实现TCP/IF，协议米实现Internet接入功能，如图25-2所示。这种方案没有使用操作系统，大大节省了资源，但是对处理器的性能要求较高，同时增加了开发的难度，技术实现上也比较困难。

本实例中采用的第三种方案和第二种方案类似，但是它使用嵌入式ARM Linux操作系统，在操作系统上运行TCP/IP协议。目前大多数嵌入式操作系统都带有TCP/IP协议栈这降低了开发难度，实现起来比较灵活。由于嵌入式操作系统的运行需要占用相当的处理器资源和存储器空间，对硬件配置也有较高的要求。

采用第三种方案，可以节省开发时间、缩短开发周期。监控系统一般还要在控制现场配置一台工控机或高性能微机做服务器，用来存储中间数据，处理实时性要求较高的事件，响应监控终端的监控请求。一个基于ARM Linux的网络监控系统结构如图25-3所示。

采用基于ARM嵌入式的网络监控系统，它采用TCP/IP网络协议标准，系统组网简单，传输数据量大、速度快，整个系统结构简单、尺寸微小、价格低廉。远程计算机可做到无需任何额外程序，通过Web浏览器就能对设备进行监测，而且应用程序易于开发、实现信息的完整共享。

因此，开发一种基于ARM的实时网络嵌入式监控系统平台，为各种智能化、小型化底层的监控系统提供可重用、高性能、图形化、网络化软硬件基础平台和高效的开发模式。结合实际情况和所需功能，系统具有的基本功能有：数据采集、数据分析和处理、程序控制、网络传输。它具有以下特点：

(1)实时性好，能满足数据采集和数据处理的实时性要求。

(2)性价比高，在满足要求的情况下，系统成本应尽量低。

(3)可控性好，能够实现远距离控制和数据传输。

2.2监控系统应用举例

目前已经有很多成熟的数字化图像监控系统，例如，日本BROAD STREAM推出的TSR-MS4就是一种基于以太网的数字化监控装置，如图25-4所示。

它使用嵌入式技术按照MPEG-4标准，通过宽带以太网提供最大CIF分辨率的监控功能，由MegaChips制造的型号为MA55132的MPEG-4编码器，内置10BASE-T以太网接口，支持HTTP/FTP/SMTP/PPP等协议，具备TypelI型CF卡扩展槽，兼容WN-B11/CF llMbps无线LAN卡/PHS卡，支持Windows 98/Me/2000/XP系统，功率为10W，重约390g。

可视电话是数字化远程图像监控系统的提高和升级，它实现了双向视频和语音信息交换。目前的可视电话较多的是使用数据专线ISDN作为信道，也有使用公共电话网的成熟产品，如图25-5所示。

但是由于可视电话价格高昂，还没有得到广泛的应用。但随着科技的发展，嵌入式系统性能的不断提高，成本的不断下降，远程可视通话将成为现实。

3硬件电路设计

3.1 ARM视频监控平台

如图25-6所示是视频监控应用系统的开发平台。ARM的系统扩展槽和设备扩展槽，用于为ARM系统添加如以太网接口、海量数据存储接口和PCMCIA等接口，或者用于其他功能开发板，为ARM系统扩展了CMOS图像获取功能和VGA显示功能。

其中，VGA接口是通过电阻网络实现4096色彩色显示。与SRAM访问相关的寄存器有：SDRAM控制寄存器、读地址低16位、读地址高16位、读出数据寄存器、写地址低16位、写地址高16位、写入数据寄存器；与CMOS图像采集有关的寄存器有CMOS采集控制寄存器、CMOS采集状态寄存器；与VGA显示有关的寄存器是VGA显示控制寄存器。

3.2VGA接口与权电阻网络

VGA是监控开发板的重要输出设备之一，其硬件原理图如图25-7所示。

通过VGA接口，FPGA开发板连接普通PC的CRT显示器就可以显示320×240×4096色的彩色图像。

标准VGA显示器接口是15针D型接口，由R、G、B三色模拟信号线和行同步、场同步两个数字信号构成。直接使用2根I/O引脚作为同步信号，另外用12根。I/O引脚通过由电阻网络构成的3个DAC作为R、G、B模拟信号(每种颜色4根I/O 即4位D/A，可以有16级灰度)。VGA负载电阻是75Ω，RGB模式信号的幅度足0.7V，经过计算可以得出电阻网络中各电阻的值。如图25.8所示是电阻网络4位DAC的原理图。

VGA接口的软件设计需要比较精确地定时，使用示波器实际测试的PC显示器在不同分辨率下工作时的同步参数如表25-1所示。

由表25-1可见，分辨率越高，RGB模拟信号的速度就越大，由于ARM系统主时钟频率，所以只适合320×240或近似分辨率的彩色图像显示。

3.3 CMOS图像采集模块

视频源信号来自于一个高度集成的CMOS数字图像传感器模块MB86S02，它是富士通的产品。它不但集成了CMOS图像传感器阵列、自动增益信号放大器、模数转换器，还包括了色彩信号处理和微型镜头，包含了图像采集的所有前端处理，可以直接输出数字信号。模块的系统框图如图25-10所示。

MB86S02基于CMOS工艺，使用有源像素传感器，与传统的CCD传感器相比有很多不同点。CMOS技术的最大优点是每一个像素单元可以集成一个或多个晶体

管，这样就具有了低功耗和小型化的优点，非常适用于手持设备应用，可以降低系统功耗、体积，提高电池效率；它的高度集成性大大简化了图像应用系统的设计。

如图25.11所示是MB86S02的实物图。

MB86S02的特性如下：

·1/7英寸图像传感器，有效像素为352x288共11万像素；

·超低功耗30mW@15fps;

·输出8位CMOS电平并行数字信号，YCbCr422或YUV422格式；

·色彩信号处理包括：自动增益、自动曝光、自动白平衡、Gamma校正等；

·寄存器设置通过标准I2C串行接口；

·支持CIF(352×288)、QCIF (176x144)格式；

·CCIR656标准头输出；

·抗闪烁功能；

·低功耗模式； ．

·掉电模式功耗为3μw。

MB86S02的引脚定义如表25-2所示。

由于MB86S02采集的数字信号格式为YCbCr或YUV，而VGA显示器需要的是RGB分量信号，所以如果想把MB86S02采集的图像直接显示在VGA显示器上，还需要进行YCbCr或YUV到RGB的颜色空间转换。

YCbCr和YUV是基于亮度与色差的颜色空间，RGB则是基于红绿蓝三基色的颜色空间。它们之间转换的理论公式为：

实现8位字长的YUV到RGB转换，为了实现高速转换和宽度扩展，简化了理论公式为：

其中，0.194倍的U分量用查表的方法得到，0.5倍V则直接用右移一位实现。经过这样的简化后，整个转换可以在两个时钟内完成，经过测试转换效果比较理想。

4 软件设计

4.1监控主程序流程

如图25.12所示是ARM主程序流程图。ARM处理器获取图像信息，执行压缩程序，压缩后的文件通过公共电话线路传递到监控主机端。由于系统采用相同的图像分辨率和常量

表，所以文件头都相同。为了减少传输数据量，不传送文件头，文件头在监控主机端由软件自动添加。

本系统还使用调制解调器通过公共电话网来建立远程数据连接，在远程图像监控终端处的调制解调器处于待命状态，它使用“ATS0=3&DOW&W1”命令设置为自动应答方式，在3次振铃后自动摘机，经历“数据风暴”以后与主叫方建立连接。监控中心的调制解调器由监控软件控制拨号建立连接或者挂断连接。

数据连接建立好后ARM会接收到“CONNECT”字符串，表明通信线路连接成功，此时就可以像使用普通串口一样使用调制解调器建立的远程数据连接。ARM接收到从监控中心发来的采集命令后，依次完成图像采集、压缩处理，然后通过串口以ASCII码形式直接发送图像数据到监控中心，完成一次操作后等待下一个采集命令。

4.2程序代码说明

限于篇幅，这里仅给出有关图像和视频处理的程序，包括采集的图像直接显示在VGA显示器上进行的YCbCr或YUV到RGB的颜色空间转换。

以下是编码头文件的程序。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2373.html