基于红外摄像机的嵌入式网络视频服务器

基于红外摄像机的嵌入式网络视频服务器

王雅静，胡荣强，李涛

（武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070）

摘 要：针对目前网络视频监控系统的应用环境不断复杂化的要求，本论文中研究了一种可以应用在低照度下进行日夜监控的网络视频服务器，该服务器基于红外摄像机和MPEG-4编码，采用ARM1156T2-S芯片作为嵌入式CPU 芯片。系统从硬件设计和软件编程两个方面介绍了系统的视频采集、压缩、存储及传输。实验证明，该系统性能稳定、使用灵活，在视频监控的各个领域中将会有广泛的应用前景。

关键词：红外摄像机；网络视频服务器；IME6400；ARM1156T2-S

An Embedded Network Video Server Based on Infrared Camera

WANG Yajing, HU Rongqiang，LI Tao

（Department of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China）

Abstract: This paper introduces a kind of network video server based on infrared camera and MPEG-4 at the need of increasingly complicated network monitoring system, especially used under low illumination environment .The design uses ARM1156T2-S for embedded CPU . It describe the design of video capture. compression, saving and transmission, from hardware and software. The experiment proves that the system has the advantage of stable performance and flexibility , it can be widely used in video monitoring field.

Keywords: Infrared Camera ; Network Video Server ; IME6400 ; ARM1156T2-S

1 引言

近年来随着多媒体技术、计算机技术和网络技术的不断发展,安防监控领域发生了翻天覆地的变化。过去数字视频监控技术的产品主要是基于PC 架构的，存在体系设备之间兼容性差、发热量大、故障率高,维护麻烦等缺点。

目前，基于嵌入式网络视频服务器的数字视频监控系统正在得到广泛的应用，该服务器是提供网络视频传输和共享的嵌入式设备，能够实现将模拟视频压缩、存储、传输融为一体，是为构建高可靠性的多媒体监控系统而设计开发的。它的优点是：系统是专门设计的独立设备，不受系统中其他软、硬件的影响，性能上更稳定，且便于安装、管理和维护，可随时随地直接接入网络，独立工作，无需专人管理。

笔者研究和实现了基于红外摄像机的嵌入式网络视频服务器，与基于普通摄像机的视频服务器相比较，该服务器可以在黑暗环境下进行有效的监控， 更加适用于需日夜监控的低照度大范围摄像监控环境，例如高速公路收费站、停车场出入口监看车牌、

对城市街道路况进行监控、对车牌进行抓拍、还适用于对强逆光有需求的监控，从而使得监控不再受距离和光线等方面的限制，可以广泛应用于日常生活、工业生产、国家安防等众多领域中。 2 系统组成与工作原理

嵌入式网络视频服务器主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分由视频采集转换模块，视频编码模块，嵌入式微处理器模块组成；软件部分采用嵌入式操作系统设计，包括视频编码模块、视频服务器模块和数据包发送模块。

系统的总体设计原理为：前端的红外摄像机DH-IR08采集视频信号，经过FPGA模块EP3SE50的转化，将摄像机采集到输出的并行信号转化成串行信号，传送给专用的视频编码芯片IME6400，IME6400压缩编码后得到MPEG-4视频流，将此视频流进行本地存储，并发送给嵌入式处理器ARM1156T2-S，处理器根据相应的网络传输协议，对数据流进行封装，并通过网络发送到客户端。整个系统的组成框图如图1所示。

红外摄像机 EP3SE50 IME6400 SDRAM ARM1156T2-S 网络 客户端 图1系统原理框图

3 系统硬件设计

3.1视频采集转换模块

视频采集功能采用大恒图像的DH-IR08红外摄像机完成。DH-IR08摄像机是一款高性能的红外摄像机，其空间分辨率为324x256，像素尺寸采用38x38μm；在-40°C 到 +75°C的操作温度下，都能保证极好的均匀性和图像动态范围；采用焦平面电路与非均匀补偿（NUC）相结合的技术，无须热电温度控制器（TEC），大大扩宽了摄像机的工作温度范围，同时保持了优质的图像动态范围和均匀性；图像品质优秀，灵敏度高。支持25帧/秒的PAL制式的模拟视频输出。还可选择8或14位的数字输出，数字输出采用LVDS方式。

在本设计中，DH-IR08进行视频采集后，以8位LVDS方式发送数字信号到视频转化模块，从而完成视频信号的串化功能。

视频转换模块采用Altera公司的EP3SE50，属于Altera最新的StratixⅢ系列，其扩展了 Altera前几代FPGA的特性，是首款采用创新数字信号处理 (DSP) 模块和片内存储器结构的Altera器件，带有乘法器、加法器、减法器和累加器的 DSP 模块，存储器由容量不同的三种嵌入式存储器模块构成，每一模块都针对特定目的进行了优化，带有嵌入式串化器/解串器 (SERDES) 的差分I/O，DDR SDRAM和QDRII SRAM专用外部存储器接口，支持 LVDS 信号，建立在 0.13um、1.5V工艺技术之上的体系结构，为下一代基站、网络基础设施和高级成像设备提供了高性能和高度集成的功能。 3.2 视频编码模块

IME6400 是韩国INTIME 公司生产的单片多通道音频/视频系统压缩引擎，用以生成MPEG-4/2/1基本传输流。与流行的MPEG-4软件编码的不同之处在于输出视频流的画面可达720x480◎30fps 或者

720x576◎25fps，是通用DSP芯片软件算法编码画面的4倍。

IME6400 主要功能是提供音视频信号的压缩编码。该芯片内部带有图像压缩硬核，外挂8M字节SDRAM配合工作，有较为完善的外部接口，内部功能丰富，具有灵活的应用方式。其功能框图如图2所示。其对外有4个接口:AUDIO、VIDEO、SDRAM、HOST。

视频解码 视频输入 视频RISC 搜索引擎 视频协处理器 SDRAM SDRAM接口 视频缓存 HOST接口 音频采样 音频DSP 初始化代码 外部HOST 图2 IME6400内部框图

在本系统中，视频信号通过VIDEO接口输入，经过IME6400视频处理部分转换成MPEG-4格式的视频流，一方面通过扩展的外部SDRAM口存储，另一方面通过外部HOST接口，传送到嵌入式主机，进行视频流的打包和发送。 3.3 嵌入式微处理器模块

为了满足服务器端视频处理的计算量，并考虑到网络外设接口对嵌入式网络视频应用成本和开发难度的减少，本系统利用ARM1156T2-S处理器实现嵌入式网络视频服务器。

ARM1156T2-S处理器属于ARM11处理器系列，该系列是ARM公司推出的新一代RISC处理器，具有超强的数据处理能力和低功耗特点。其超强性能是由一系列的架构特点所决定的：采用强大而灵活的ARMv6指令集架构，ARMv6指令集架构能够使MPEG-4编码/解码加快一倍，音频处理加快一倍， 使数据共享、软件移植更简单，使实时任务的处理更加迅速；采用Thumb-2指令集，Thumb-2内核技术结合了16位、32位指令集体系结构，提供更低的功耗、更高的性能、更短的编码；ARM1156T2-S内核与新的AMBA 3.0 AXI总线标准一致，可满足高性能系统的大量数据存取需求。

ARM1156T2-S的处理器频率可以增加到665MHz，还支持128KB缓存，更适合于浏览更高质量的多媒体内容。另外，其高数据吞吐量和高性能的结合非常适合网络处理应用。因此，主要应用于无线、消费类电子产品和对数据吞吐率和性能要求高的网络设计中。

4 系统软件设计

本系统采用Linux 作为嵌入式操作系统，主要实现整个系统的控制，调度管理和数据包的编码发送。 RTP/RTCP协议，因为RTP/RTCP协议具有简单、支持多点传输、数据流和控制流的分离、协议可扩展性等特点，非常适合MPEG-4数据流的封装与传输。4.1 视频编码模块

IME6400可以完成将视频数据编码压缩成MPEG-4，MPEG-2，MPEG-1的传输流，三种压缩标准相比较，具有以下特点。

MPEG-1“文件小，但质量差”，MPEG-2则“质量好，但更占空间大”，而MPEG-4很好的结合了前两者的优点。MPEG-4是超低码率运动图像和语言的压缩标准，它不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG-4标准主要应用于视像电话，视像电子邮件和远程监控等系统中。其传输速率要求较低，在

4800-64Kbits/sec之间，分辨率为176x144。MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图象质量。与MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4为多媒体数据压缩提供了一个更为广阔的平台。它更多定义的是一种格式、一种架构，而不是具体的算法。它可以将各种各样的多媒体技术充分用进来，包括压缩本身的一些工具、算法，也包括图像合成、语音合成等技术。MPBG-4的特点是其更适于交互AV服务以及远程监控。MPEG-4是第一个使你由被动变为主动(不再只是观看，允许你加入其中，即有交互性)的动态图象标准。

在本模块中，为了提高整个视频服务器的性能，通过对IME6400芯片的各种参数进行配置，完成三个功能：将原始的视频流编码成MPEG-4格式，将视频数据按照MPEG-4标准进行编码压缩；将视频流存储到外部空间；将视频流发送到ARM1156T2-S处理器。

4.2 视频服务器模块

在此模块中，首先要将Linux系统进行裁剪，得到稳定的尽可能小的内核和文件系统，移植到以ARM1156T2-S为处理器的硬件平台上， 其次，采用GOAHEAD公司的嵌入式Web服务器，建立基于TCP/IP协议的Web服务器，主要功能是通过网页提交的形式对网络进行配置，如配置IP 地址、子网掩码、网关、DNS等。 4.3 数据包发送模块

摄像头采集的视频信号经IME6400压缩后变成MPEG-4流，为了达到远程监控的目的，必须把MPEG-4流利用Internet进行传输。在传输中采用

具体的数据包发送过程为：

MPEG-4数据流分别被封装上TRP报头、UDP报头和IP报头，然后IP数据包通过Internet向接收端发送。当发送端收到已被正常编码压缩的MPEG-4码流后，按照RTP数据传输协议的报文格式装入RTP报文的数据负载段，并配置RTP报文头部的时间戳、同步信息、序列号等参数；同时发送端周期性地接收RTCP包，将QoS反馈控制信息发送到视频服务器，服务器利用这些信息动态地改变自身参数设置。接收端则按照相反的顺序解码播放，从而实现在线的实时的视频监控。服务器端的传输模型如图3所示：

MPEG-4视频流 视频服务器 质量反馈控制 RTP协议 RTCP协议 UDP协议 IP协议 Internet 客户端

图3 服务器端传输模型

5 结论

笔者介绍了一种基于DH-IR08红外摄像机，IME6400 硬件编码芯片和ARM1156T2-S嵌入式处理器设计的嵌入式网络视频服务器。该系统采用MPEG-4压缩方式，图像清晰、性能稳定、支持本地存储和网络传输、支持Web 服务控制。在国家安防，公共安全等各个领域中将会有广泛的应用前景。 参考文献 [1] 鹿宝生，陈启美.基于嵌入式网络视频服务器的远程监控系统[J].武汉理工大学学报.2008, 28(5). [2] 何玲玲，林志强.MPEG-4网络视频服务器在煤矿监控系统中的应用[J].煤矿机械.2005, 3.

[3] 余雪莲，陈钱.基于MPEG-4网络视频服务器的研制[J].多媒体技术. [4] 洪莉，周德新，查燕.嵌入式网络视频服务器的设计[J].嵌入式网络技术与应用. 2007, 23(4).

[5] 刘富强.数字视频监控系统开发及应用[M].北京：机械工业出版社，2003.

作者简介：

王雅静，女，湖北武汉人，在读硕士，主要研究方向为嵌入式系统应用开发

电话：13476167992

Email: wangyajing0084@126.com 地址：武汉理工大学东院自研0617信箱 邮编：430070

胡荣强，男（汉），湖北武汉人，教授，主要研究方向为网络化控制系统

李涛，男，湖北潜江人，湖北武汉人，在读硕士，主要研究方向为嵌入式系统应用开发

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