（电工理论与新技术专业论文）基于嵌入式linux的网络视频监控系统设计与实现.pdf

垩主壁垒茎兰虫坚塑堕塑塑塑堕堡墨堑堡生量塞里 ： t h 置d e s i g na n di n p l e t u e n to fv i d e o s 1 7 r v e i l l a n c e s y s t e mb a s e do ne m 皿e d d e dl i n u x a b s t r a c t c o m b i n e dw i t hn e t w o r kt e c h n i q u e ，e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yw h i c hi s d e v e l o p i n g r a p i d l yb r i n g sm a n ya p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n gn e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c eb a s e do ne m b e d d e d s y s t e m a tp r e s e n t , v i d e os u r v e i l l a n c ei sd e v e l o p i n gi nt h ed i r e c t i o n so fn u m b e ra n dn e t w o r k ， w h i c hi st os a yt h a ti th a sd e v e l o p e df r o ms i m u l a t i o ns y s t e mt od i g i t a ls i m u l a t i o ns y s t e m ，a n d t h e nt of u l l - n u m b e rs u r v e i l l a n c e s y s t e m b a s e do nn e t w o r k t h en e wv i d e os u r v e i l l a n c e t e c h n o l o g yw i l lb eu s e dm o r ee a s i l ya n dn e a r l y a n di tw i l lb r i n gt h en e wf u n c t i o n si n c l u d i n g l o n g - d i s t a n c es u r v e i l l a n c ea n dh a r dd i s ks t o r a g e t h ek e yt oi m p l e m e n tv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e mb a s e do l ln e t w o r ki s ak i n do fe m b e d d e de q u i p m e n t i tc a nc o l l e c tv i d e od a t aa n d t r a n s f e rt h ed a t at h r o u g hn e t w o r k i nt h i sp a p e r ，i p c a m ，a l s ot h ec o r et a s k ，w i um a k et h i s f i a n c t i 0 1 3 c o m et r u e t h ee x p l o i t a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mi sb a s e do ne m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r ma n d e m b e d d e do p e m l i n gs y s t e m i nt h i sa r e a , e m b e d d e dl i n u xh a sb e c o m i n gt h em a i n s t r e a m o p e r a t i n gs y s t e m e m b e d d e dl i n u xw h i c h c a nb ea p p l i e do nm a n yk i n d so f p l a t f o r mi so p e n s o u r c ea n df r e e i t s e f fc a ns u p p o r ts t r o n gn e t w o r kf u n c t i o na n dp o s s e s sn u m a o b ss o f t w a r e r e s o u r c e s i ti st h ed e v e l o p m e n to f e m b e d d e dl i n u xt h a tm a k ei tp o s s i b l e 幻e m p o l d e ri p c a m , a h i g hc a p a b i l i t ya n d l o wc o s te m b e d d e d e q u i p m e n t t h i sp a p e rw i l lp r e s e n tn e t w o r k - b a s e dv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e m sc o n s t r u c t i o n 、w o r k p r i n c i p l e 、v i d e o c o l l e c t i o nw o r kp r i n c i p l e 、i p c a ms o t t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r ma n d s o 羝v a r ee x p l o i t a t i o n a m o n gm e r i lt h i sp a p e rw i l lp u tm o r e e m p h a s i so n t h ei n t r o d u c t i o no f i p c a m sw o r kp r i n c i p l ea n dt h ew a yo fi m p l e m e n t a t i o n , i n c i u d i n gc a m e r ai 0c o n t r o l ，d a t a a c q u i s i t i o n ，v i d e oc o m p r e s s i n g ，w e b s e r v e ra n dc l i e n tc o n n e c t i o nh a n d l e r k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u x ，a r m ，v i d e o ，s u r v e i l l a n c e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：兰丝i日期：丝! 三：1 2 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 视频监控技术现状和发展 目前，视频监控系统正处在数控模拟系统已发展非常成熟、性能稳定，在实际工程 中得到广泛应用，数字系统迅速崛起但尚不完全成熟的数字和模拟混合应用并将逐渐向 数字系统过渡的阶段。 在国内外市场上，主要推出数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。前 者技术发展已经非常成熟、性能稳定，在实际工程应用中得至广泛应用，特别是在大、 中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩 为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端，但仍需进一步完善和发 展。 1 1 1 1 数字信号控制的模拟视频监控系统 数字信号控审4 的模拟视频监控系统分为基于微处理器的视频切换控制加p c 机的多 媒体管理和基于p c 机实现对矩阵主机的切换控制及对系统的多媒体管理两种类型。 1 、基于微处理器的视频切换控制加p c 机的多媒体管理类型 8 0 年代是微处理器的年代，视频监控系统利用微处理器固件发展的矩阵切换器， 将原来分散的全硬件视频监控系统微型集中化，如将视频切换、对前端的控制等功能集 合一起，一机处理，是技术上的个突破。 自备微处理器的矩阵主机可通过p c 机的图形管理软件实现： 对单工作站之中的视频监控、出入口控制、内部通讯、报警等进行综合全面控 制( 注；只能提供一个简单的、可增强系统控制功能的用户界面，但不能代替矩阵主机 的安防配置和编程能力) ； 任意一台工作站可通过网络，控制其它工作站所连接的矩阵主机、报警设备，完 成视频切换、云台、镜头控制及报警联动等功能： 可通过软件实现对众多矩阵主机和报警接口软件模块的控制。 2 、基于p c 机实现对矩阵主机的切换、控制和对系统的多媒体管理 基于p c 机的视频监控系统采用软件设计，实现摄像机到监视器的视频矩阵切换， 云台和镜头的控制，通过串口连接报警设备的报警信息，并通过程序编程自动完成视频 切换、云台控制、报警联动、报警录像等各项控制功能。 基于嵌入式l i n u x 的网络视频监控系统设计与实现 系统能充分利用p c 机的资源，使视频监控系统随电脑技术的发展而不断进步，同 时其开放性的结构特性更可使之与其它多种系统如与消防报警系统、出入口管理系统、 楼宇自控系统等实现互动集成。 3 、数控模拟视频监控系统的优缺点 随着微处理器、微机的功能、性能的增强和提高，多媒体技术的应用，系统在功 能、性能、可靠性、结构方式等方面都发生了很大的变化，视频蠊控系统的构成更加方 便灵活、与其它技术系统的接口趋于规范，人机交互界面更为友好。但由于视频监控系 统中信息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、 单向、集总方式的信息采集网络，介质专用的特点，因此系统尽管已发展到很高的水 平，已无太多潜力可挖，其局限性依然存在，要满足更高的要求，数字化的是必由之 路。 模拟监控系统的主要缺点有： 通常适合于小范围的区域监控。 模拟视频信号的传输工具主要是同轴电缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不 大于1 k m ，双绞线的距离更短，这就决定了模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区 以及其它小范围的场所； 系统的扩展能力差 对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而动全身，新的设备也 很难添加到原有的系统之中； 无法形成有效的报警联动 在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难互通，联动只 能在有限的范围内进行。 1 1 2 数字视频监控系统 9 0 年代末，随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展、数字视 频监控系统迅速崛起，现今市场上有两种数字视频监控系统类型，一种是以数字录像设 备为核心的视频监控系统，另一种是以嵌入式视频w e b 服务器为核心的视频监控系 统。 2 1 、数字监控录像系统 数字监控录像系统通常分为两类：一类是基于p c 机组合的计算机多媒体工作方 式：另一类是嵌入式数字监控录像系统。 计算机多媒体方式的数字监控录像系统 2 大连理工大学硕士学位论文 数字视频压缩编码技术日益成熟，计算机的普及化，为基于p c 机的多媒体监控创 造了条件。这种新型视频监控系统的迅速崛起，部分地取代了以视频矩阵图像分割器、 录像机为核心，辅以其它传送器的模拟视频监控模式，其优越性主要表现在； a 、p c 机的多媒体监控主机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等的众多功能， 使系统结构大为简化。 b 、由于采用计算机网络技术，数字多媒体远程网络监控不受距离限制； c 、由于采用大容量磁盘阵列存盘器或光盘存储器，可以节省大量的磁带介质，同 时有利于系统实现多媒体信息查询。 但随着基于p c 机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用过程中，也暴露出 一些不足，主要是系统工作的不稳定性。基于p c 的视频监控录像系统的组成结构为： 兼容i 控p c 机见频采集卡+ 普剧较可靠的操作平台+ 应用软件 从系统的组成结构来分析： a 、p c 机 兼容p c 机用于2 4 小时不间断工作时，其性能是不很稳定的，工控p c 机相对兼容 p c 机的稳定性有一个档次上的提高，适用于较复杂的工作环境； b 、操作系统 以w i n d o w s9 8 为操作平台的系统，业内人士都知道，w i n 9 8 的稳定性是有一定问 题的，如果同时应用软件又不是很规范，这样就容易在使用过程中出现工作不稳定、死 机等问题，而基于p c 机的视频监控录像系统其软件的实现是在w i n d o w s 9 5 9 8 n t 、 u n i x 、l i n u x 等通用操作系统上，同时系统文件、应用软件和图像文件都存储在硬盘 上，视频处理必须高密度输入大量数据，同时硬盘要进行多工工作，普通的硬盘逻辑 ( 如w i n d o w s 的f a t 3 2 ) 已无法适应，以致极易产生系统的不稳定性，造成死机现 象； c 、应用软件 采用简易应用软件的系统是不能够应用安防领域的，视频监控系统的应用软件能力 上应支持多任务并发处理，如监视、录像、回放、备份、报警、控制、远程连接等的多 工处理能力； d 、视频采集卡 视频监控录像系统通常均为多路输入系统，视频采集卡可采用多卡方式，也可采用 单卡方式。一般说，单卡方式集成度高，稳定性会优于多卡方式，很多采用一路一卡的 方式很容易形成硬件冲突，其稳定性会有较大的影响。 3 基于嵌入式l i n u x 的网络视频监控系统设计与实现 目前市场上也有部分为追求高帧数而设计采用多卡进行迭加的多路单卡设备，但其 仍在计算机的总线上进行传输、处理，不可能会有质的飞跃。 3 嵌入方式的视频监控系统 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成 本、体积等综合性严格要求的专用计算机系统，亦即为监控系统量体裁衣的专用计算机 系统。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统 等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。 嵌入式操作系统是一种实时的，支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式 系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动 接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等，嵌入式操作系统在系统实时商效性、硬 件的相关依靠性、软件固态化及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 嵌入式系统的优缺点 a 、系统为专用系统，所以系统小，指令精简，处理速度快 b 、系统数据置于r o m f l a s hm e m o r y ，调用速度快，不会被改变，稳定性好 c 、系统处理实时性好，性能稳定 d 、文件管理系统更适合于大量的视频数据 e 、该类系统目前四路以上机型还较为少见 f 、在网络功能、音视频同步等方面也难令人满意。 2 、嵌入式视频w e b 服务器方式 嵌入式视频w e b 服务器的主要原理 视频服务器内置一个嵌入式w e b 服务器，采用嵌入式实时多任务操作系统。摄像 机送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过内部总线送到内置的w e b 服务 器，网络上用户可以直接用浏览器观看w e b 服务器上的摄像机图像，授权用户还可以 控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操作。 由于把视频压缩和w e b 功能集中到一个体积很小的设备内，可以直接连入局域 网，达到即插即看，省掉多种复杂的电缆，安装方便( 仅需设置一个口地址) ，用户 也无需安装任何硬件设备，仅用浏览器即可观看。 嵌入式视频w e b 服务器监控系统与其它监控系统的比较 a 、布控区域广阔 d 大连理工大学硕士学位论文 嵌入式视频w e b 服务器监控系统的w e b 服务器直接连入网络，没有线缆长度和信 号衰减的限制，同时网络是没有距离概念的，彻底抛弃了地域的概念扩展布控区域。 b 、系统具有几乎无限的无缝扩展能力 所有设备都以i p 地址进行标识，增加设备只是意味着i p 地址的扩充。 c 、可组成非常复杂的监控网络 采用基于嵌入式w e b 服务器为核心的监控系统，在组网方式上与传统的模拟监控 和基于p c 平台的监控方式有极大的不同，由于w 曲服务器输出已完r 戎模拟到数字的转 换并压缩，采用统一的协议在网络上传输，支持跨网关、跨路由器的远程视频传输。 d 、性能稳定可靠，无需专人管理 嵌入式w e b 服务器实际上基于嵌入式电脑技术，采用嵌入式实时多任务操作系 统，又由于视频压缩和w e b 功能集中到一个体积很小的设备内，直接连入局域网或广 域网，即插即看，系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适 合于无人值守的环境。 e 、当监控中心需要同时观看较多个摄像机图像时，对网络带宽就会有一定的要 求。 4 】 5 】 - 1 13 视频监控系统的发展 1 、视频监控系统的发展方向 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的发展方 向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的 最大两个特点就是数字化和网络化。 2 、数字化 数字化是2 1 世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，数字化是 迈向成长的通行证，随着时代的发展，我们的生存环境将变得越来越数字化。 视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模 拟状态转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心” 的结构，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和 结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中 其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，这也是系统集 成化的含义。 3 、网络化 5 基于嵌入式l i n u x 的网络视频监控系统设计与实现 视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡，集散式 系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系 统以实现抢先任务调度算法的快速响应，组成集散式监控系统的硬件和软件采用标准 化、模块化和系列化的设计，系统设备盼配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵 活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化， 系统运行互为热备份，容错可靠等功能。 系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网 络化将使整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这也是系统集成 的一个重要概念。【6 忉 8 】 1 2 嵌入式l i n u x 操作系统的概述 嵌入式l i n u x 由于代码开放性以及强大的网络功能，在中低端的嵌入式网络设备中 的应用，比起p s o s ，v x w o r k s 有许多优势。l i n u x 现在甚至支持蓝牙技术。开发嵌入式 l i n u x 产品，从产品上市时间至8 产品系列化，除人员以外所需的投入均较少。相对于 w i n d o w s7 c e ，q n x 以及国内的h o p e n 等嵌入式操作系统，嵌入式l i n u x 以其特有的开放 性、与生俱来的网络特性成为嵌入式操作系统的主流之一。 9 1 2 i 嵌入式l i n u x 国内外的研究背景 嵌入式l i n u x 是近年来国际上的一个开发热点，韩国三星公司已经率先推出了采用 嵌入式l i n u x 的掌上计算机的概念样机。如今，国内外纷纷开展嵌入式l i n u x 的研究， 由美国新墨西哥理工学院开发的基于l i n u x 的嵌入式操作系统r t l i n u x ，已成功地应用 于航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控、电影特技图像处理等领域。由嵌入式 l i n u x 行业的厂商l i n e o 推出的e m b e d i x ，提供了超过2 5 种的l i n u x 系统服务。由美国 网虎公司推出的x l i n u x ，是世界上比较小的嵌入式l i n u x 系统。广卅f 博利思软件公司 也在致力于嵌入式l i n u x 操作系统的研究，它的产品可适应个人p d a ，w a p 手机、机顶 盒等广泛的智能信息产品。中软总公司推出的嵌入式l i n u x 3 0 不仅满足了数控机床的 需求，同时也可以应用于其他工业控制领域。红旗l i n u x 把工控盒信息家电作为主要的 发展领域。可见，无论国内外，嵌入式l i n u x 的研究都是比较热的，而且取得的效益也 是可观的。 i 0 1 2 2 嵌入式l i n u x 系统的优势 1 充分满足硬件设备的实时性要求 6 一 大连理工大学硕士学位论文 严格要求的实时性的决定因素与中断例程本身和内核中的其他驱动程序有关：而响 应延迟时间要受中断的优先级和其他进程暂时地关闭中断响应的影响。因此管理和驱动 中断的机制必须保证实时要求。根据这个要求，大多数嵌入式系统并不具备严格的实时 性，而w i n d o w sc e 基本上不具备实时性的特点。但是，嵌入式l i n u x 可以很好得满足 实时性要求。对i n t e lx 8 6 处理器，实时扩充可以在l i n u x 系统中很容易进行，r t l i n u x 就是很好的例子。它主要是把l i n u x 的任务作为自己的一个任务，医此实时性要 求很高的任务不受非实时的l i n u x 的干扰，可以得到满足。另外还提供了实时任务和 l i n u x 的基本核心和其他任务间的接口。 2 具有很高的适应性和可靠性 和其他运行于p c 的系统相比，因为l i n u x 继承了u n i x 优点，在适应和稳定方面性 能是非常突出的。而嵌入式的l i n u x 也是如此。 嵌入式l i n u x 不仅支持x 8 6 芯片，而且是一个跨平台的系统，到目前为止可以支持 二、三十种c p u 。很多c p u 包括家电业的芯片，都开始做l i n u x 的平台移植工作。移植 的速度远远超过j a v a 的开发环境，这是值得注意的。也就是说，如果今天采用l i n u x 环境开发产品，那么将来换c p u 时就不会遇到困扰。同时，嵌入式l i n u x 内核的结梅在 网络方面是非常完整的。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络以及无线网络、 t o k e nr i n g ( 令牌环) 、光纤甚至卫星的支持。所以l i n u x 很适于做通信设备的开发。 此外，高可靠性是嵌入式l i n u x 领先于其他嵌入式操作系统最明显的地方。采用普 通操作系统的程控交换机的可靠性指标一般为9 9 9 8o 而运行嵌入式l i n u x 的交换设 备可靠性指标能够提高一个数量级。l y n u s w o r k s 的b l u e c a t 蓝猫l i n u x 和操作系统厂 商l i n u x o s 就联合推出一种专门应用在电信设备上的嵌入式l i n u x 。使运行这种l i n u x 系统的电信交换机可靠度达到了9 9 9 9 9 3 具有成熟的开发工具，可以跨越i c e 等屏障 开发嵌入式系统的关键是需要一套好用的开发和调试工具，而且在开发所不同阶段 还需要不同的工具。 传统的开发调试工具就是i c e 在线仿真器，它取代目标板的微处理器，给目标程序 提供仿真环境，同时可以连接监视器，允许开发者调试和监视程序的运行。但是，这种 设备价格非常贵。如果使用嵌入式l i n u x ，就不用i c e 也可以很好地开发和调试工作 了、同时还降低开发费用。 嵌入式l i n u x 利用g n u 项目的c 编译器来编译程序，使用g d b 源程序级调试器来调 试程序。它们提供了合适的手段来使客户能够开发嵌入式的t i n u x 各种应用程序。通过 7 基于嵌入式l i n u x 的网络视频监控系统设计与实现 串口和g d b 通讯，可以进行c 源程序级的调试。甚至客户还可以用串口把其他的程序下 装到r a m 或f l a s h 存储器。通过串口，使用g d b 可以便得软硬件的初始化代码继续运行 到核心全部启动。一旦核心运行了，就可以使用其他的更好的调试工具，象k g d b 等。 如果连接了网络，也可让网络工作起来。同时客户就可以用g u i 的x g d b 来调试应用程 序。 4 具有小巧的功能完善的内核 一般说来，需要使用嵌入式操作系统的硬件体积都十分有限，不能像一般的计算机 那样采用海量存储器来进行数据存储。一般是采用软件固化的方法，将程序和操作系统 嵌入到整个产品里面。在这个技术中减少操作系统的体积是关键。我们不能想象在一个 紧凑的硬件设备外面再接一个通用的硬盘或是打算将几十兆上百兆的操作系统输入到普 通的r o m 或者r a m 里面去。因此，对嵌入式系统来讲：功能和体积是一对互斥事件。 而p s o s 以及其他的一些操作系统，虽然内核只有几十k ，但是要为相关的产品添 加额外的功能，实际应用的时候体积在百k 以上。嵌入式l i n u x 除了本身体积较少以 外，还保留了l i n u x 操作系统中非常有特色的一点：用户可以自己裁减内核。用户完全 可以根据不同的任务来选定特定操作内核模块，而将不用的部分去掉，减少体积，从根 本上解决了体积和功能的矛盾。 11 1 2 1 2 3 嵌入式l i n u x 的一个分支u c li n u x 在u c l i n u x 这个英文单词中u 表示m i c r o ， 思，所以u c l i n u x 就是m i c r o c o n t r o l l i n u x ， 设计的l i n u x 系统”。 小的意思，c 表示c o n t r o l ，控制的意 字面上的理解就是“针对微控制领域而 同标准的l i n u x 相比，由于u c l i n u x 自身不支持m m u ，多任务的实现就需要技巧 了。但是，在u c l i n u x 上运行的绝大多数的用户程序并不需要多任务。另外，针对 u c l i n u x 内核的= 进制代码和源代码都经过了重新编写，以紧缩和裁剪基本的代码。这 就使得u c l i n u x 的内核同标准的l i n u x 内核相比非常之小，但是它仍保持了l i n u x 操作 系统的主要的优点，如稳定性、强大的网络功自和出色的文件系统支持等。u c l i n u x 包 含l i n u x 常用的a p i 、小于5 1 2 k 的内核和相关的工具。操作系统所有的代码加起来 v e n d o r s s a m s u n g 4 4 b o x c o n f i g a r c h l c o n f i g i n l f r e e s w a n | _ 一l i b l 一一l i n u x 一2 4 x | _ 一t o o l s | 二一u c l i b c | _ 一u s e r 、v e n d o r s 图3 2 配置内核 f i g 3 2k e n e lc o n f i g u r a t i o n 2 1 基于嵌入式l i n u x 的网络视频监控系统设计与实现 进入该目录，配置内核。 m a k em e n u c o n f i g 即可进入菜单进行配置如图3 2 所示。 首先在v e n d o r p r o d u c ts e l e c t i o n 选项中选择系统的基本信息，这里应该选择 s a m s u n g 的4 4 b o x 。 然后在k e r n e l l i b r a r y d e f a u l t ss e l e c t i o n 选项中选择希望使用的u c l i n u x 和 l i b c 的版本，这里将l i n u x 版本选择为l i n u x - 2 4 x 并将l i b c 版本选择为u c l i b c e 选 择完成后退出，自动进入下一步配置，如图3 4 所示。 图3 3 配置内核选项 f i g 3 3o p t i o nc o n f i g u r a d o n 在这里主要配置内核的各个选项。在例如，将u s b 的驱动程序添加到内核中。选择 完成后退出，进入下一步配置，如图3 4 所示。 2 2 大连理工大学硕士学位论文 图3 4 应用程序配置 f i g 3 4a p p l i c a t i o nc o n f i g u r a t i o n 这一步主要是选择希望添加到文件系统中的应用程序。例如，将f t p 工具t f t p 添 加到文件系统中。选择完成后退出，便完成了对u c l i n u x 的配置。 2 8 2 9 3 4 配置u s bc a m e r a 驱动程序 这里使用的u s bc a m e r a 是l o g i t e c h 公司的q u i c k c a mz o o m 。它采用的是p h li p s 公司的芯片。对于这类u s bc a m e r a ，有一些l i n u x 下的开源驱动程序，经过配置，即 可使用。 u s bc a m e r a 驱动程序，以及使用该驱动程序所必须的v i d e 0 4 l i n , 。支持都列在 m u l i t m e d i ad e v i e s 选项下。但是，对于a r m 7 系列c p u ，在u c l i n u x 的选项列表中并没 有这一项。所以首先，需要对u c l i n u x 的源代码包进行一定修改，将m u l i t m e d i a d e v i e s 添加到列表中。 3 0 。 3 5 编译内核 编译u c l i n u x 的步骤如下： m a k ed e p 2 3 基于嵌入式l i n u x 的网络视频监控系统设计与实现 第一次编译的时候需要，目的是确定文件之间的依赖关系，在进行了多次编译后， m a k e 会根据这个依赖关系来确定哪些文件需要重新编译、哪些文件可以跳过。 m a k eli b _ o n l y 编译u c l i b e 。用户应用程序需要这个运行库。 m a k eu s e r _ o n l y 编译用户的应用程序，包括初始化进程i n i t ，和用户交互的b a s h ，以及一些服 务，如b o a ( 一个在嵌入式领域用的很多的w e b 服务器) 和t e l n e t d 等等。 m a k er o m f s 我们采用r o m f s ( 一种轻量的、只读的文件系统) 作为u c l i n u x 的根文件系统，因 此在用户程序编译结束后，需要把上一步编译的很多应用程序以u c l i n u x 所需要的目 录格式存放起来。原来的程序是分散在u s e r 目录下，现在例如可执行文件需要放到 b i n 目录、配置文件放在e r e 目录下。m a k e 会在u c l i n u x 的目录下生成个r o m f s 目 录并且把u s e r 目录下的文件、以及v e n d o r s 层录下特定系统所需要的文件组织起来， 以便下面生成r o m f s 的单个镜像所用。 m a k ei m a g e 有两个作用，一是生成r o m f s 的镜像文件，另一个是生成l i n u x 的镜像。 m a k e1 i n u x 生成了r o m f s 的镜像就可以编译l i n u x 了。因为r o m f s 是嵌入到l i n u x 内核中， 所以在编译l i n u x 内核的时候就需要一个r o m f s o 文件。这个文件是由上面的m a k e i m a g e 生成的。 m a k ei m a g e 再执行次m a k ei m a g e 是为了得到u c l i n u x 的可执行文件的镜像了。执行了这一 步骤之后，就会在i m a g e s 目录下得到3 个文件：i m a g e r a m ，i m a g e r o m ， r o m f s i m g 。其中，i m a g e r a m 和i m a g e l r o m 就是我们需要的镜像文件，可以将 i m a g e r a m 放置到内存中直接运行，也可以将i m a g e t o m 放置到r o m 中，启动后解压缩 到内存中运行。 3 1 3 6 本章小结 i p c a m 软件由系统软件和应用软件i p 锄构成。本章主要介绍系统软件，即 u c l i n u x 及其附加应用程序。主要介绍了交叉编译环境的建立、u c f i n u x 内核的配置和编 译以及摄像头驱动程序的安装。 - 2 4 - 大连理工大学硕士学位论文 4i p c a m 应用软件开发 4 。1i p c a m 应用软件概述 应用程序建立在操作系统上，是实现i p c a m 各种功能的主要部分。i p c a m 应用程序 可以分为两个模块，g r a b 模块和v i d e os e r v e r 模块。 其中g r a b 模块是一个独立的线程。它主要包括以下几种功能。 摄像头i o 控制。即通过系统调用来对摄像头进行i o 操作，包括摄像头初始化、 设置摄像头工作状态等。 视频数据读取，即以一定的时间间隔读取摄像头的数据。 j p e g 压缩，即将读取到的视频数据以j p e g 的格式进行压缩，并放置在内存中等待 使用。 3 2 3 图4 1i p c a m 应用软件结构 f i g 4 1s t r u c t u r eo f i p c a ma p p l i c a t i o ns o f t w a r e 2 5 基于嵌入式l i n u x 的网络视频监控系统设计与实现 v i d e os e r v e r 模块是一个或多个独立的线程。它负责形成一个s e r v e r ，监听某个 指定的端口。一旦有用户接入，便启动一个新的线程来处理这个连接。连接处理线程会 检查每个连接，并对授权用户提供j p e g 格式的视频数据。 3 3 4 2 摄像头i o 控制 摄像头i o 控制包括对摄像头的初始化、打开关闭、设置和数据读取等。基本的 操作流程如下。 3 5 初始化摄像头参数i j - 打开摄像头 l 上 获取摄像头参数 _ 上 设置摄像头参数l 上 读取数据 _ 上 关闭摄像头l 图4 2 摄像头i 0 控制基本流程 f i g 4 2f l o w c h a r to f c a m e r ai oc o n t r o l 摄像头的各种i o 控制主要依靠v i d e 0 4 l i n u x 提供的应用程序接口实现，主要有 r e a d 、o p e n 、i o c t l 等。在本课题中，我们将有关摄像头的各种数据和操作封装程一个 类，c a m e r a 。 这里列出了c a m e r a 类的私有数据和公共接口。 c l a s sc a m e r a ，2 6 太连理工大学硕士学位论文 p u b l i c ： in to p e n _ c a m e r a ( c h a r * d e v f i i e ) ： v o i dg e t _ c a m e r a _ i n f o ( v o i d ) ； i n l i n ev o i ds e t _ w i d t h ( i n tw i d t h ) 一r i d w i n w i d t h = w i d t h ： i n l i n ev o i ds e t _ h e i g h t ( i n th e i g h t ) f v i d w i n h e i g h t = h e i g h t ： i n ts e t _ c a m e r a ( v o i d ) ： i n tc h e c k a 3 a l e t t e ( v o i d ) ： i m a g e * g e t i m a g e ( v o i d ) ： i n l i n es t r u c tp a l e t t e * p a l ( v o i d ) f r e t u r n _ p a l ：) d r l v a t e ： i n t e v ： s t r u c tp a l e t t e i o a l ： s t r u c tv i d e oc a p a b i l i t y v i d _ c a p s ； s t r u c tv i d e o _ w i n d o w r i d w i n ： s t r u c tv i d e o _ p i c t u r e r i dp i c ： s t r u c tv i d e o _ m b u f v i d m b u f ； s t r u c tv i d e o _ m a p v i d _ v 4 1 m m a p ： u n s i g n e dc h a r * _ m m a p ： ) ； 其中公有部分是c a m e r a 各种操作的接口函数，私有部分为c a m e r a 的各种数据和参 数，说明如下。 i n t d e v ： 打开摄像头时，o p e n 系统调用返回的文件描述符，我们将使用这个描述符来对摄 像头进行各种操作。 s t r u c tp a l e t t e * u a l ： 摄像头采用的p a l 格式。 s t r u c tv i d e oc a p a b i l i t y v i dc a p s ： 包含摄像头的基本信息，例如设备名称、支持的最大最小分辨率、信号源信息等。 s t r u c tv i d e o _ w i n d o w v i d w i n ： 2 7 基于嵌入式l h l u x 的网络视频监控系统设计与实现 包含摄像头图像的基本信息，如分辨率等。 s t r u c tv i d e o _ p i c t u r e v i dp i c ： 含设备采集图象的各种属性，如b r i g h t n e s s ( 亮度) 、h u e ( 色调) 、c o n t r a s t ( 对比 度) 、w h i t e n e s s ( 色度) 、d e p t h ( 深度) 等。 s t r u c tv i d e o _ m b u f v i d m b u f ： 利用m m a p 进行映射的帧信息，实际上是输入到摄像头存储缓存中的帧信息，包括 s i z e ( 帧的大小) 、f r a m e s ( 最多支持的帧数) 、o f f s e t s ( 每帧相对基址的偏移) 。 s t r u c tv i d e o _ m m a p r i d v 4 1 n n a p ； 用于内存映射。 u r l sig n e dc h a r * _ m m a p ： 视频图像数据。 4 2 1 打开摄像头 打开摄像头之前，首先需要对这个c a m e r a 类进行初始化。接下来就可以利用系统 调用o p e n 来打开摄像头设备。在c a m e r a 类中，我们使用公有函数o p e n _ c a m e r a 来实 现。 3 6 i n tc a m e r a ：o p e n _ c a m e r a ( c h a r * d e v f i l e ) f i f ( ! d e v f i l e ) c e r r ”n od e v i c ef i l e ，o p e nc a m e r ae r r o r ! ” e n d l ： r e t u r n 一1 ： i n i t i a l i z ea n do p e nc a m e r a d e v = o p e n ( d e v f il e ，o _ i d o n l y ) ： i f ( 一d e v 0 ) c e r r ”o p e nc a m e r ae r r o r ! ” e n d l ： 1 r e t u r nd e v ： 2 8 大连理工大学硕士学位论文 l i n u x 系统中把设备看成设备文件，在用户空间可以通过标准的i o 系统调用函数 操作设备文件，从而达到与设备通信交互的目的。 该函数的功能是打开参数d e v f i l e 指定的设备。而d e v f i l e 是一个文件名，对于视 频设备常用”d e v v i d e o o ”。 首先检查参数d e v f i l e 是否为空，然后使用o p e n 系统调用以只读的方式打开摄像 头设备，并返回得到的文件描述符。如果得到的文件描述符小于0 ，说明打开设备时出 错。 4 2 2 获取摄像头参数 打开摄像头设备后，需要摄像头的一些参数。这主要依靠系统调用i o c t l 来实现。 i o c t l 主要用来控制i o 通道。参数表为i o c t l ( i n tf d ，i n tc m d ，) ，其中，f d 代 表设备文件描述符，c m d 代表用