基于数字信号处理器的Linux网络远程实时监控系统的实现

1、第卷第期年月成都信息工程学院学报文章编号：（基于数字信号处理器的网络远程实时监控系统的实现邱琪，杨斌（西南交通大学信息科学与技术学院，四川成都）摘要：针对现有市场上传统视频监控系统的不足，以及大部分数字信号处理器在控制和内存管理方面的局限性，设计了一个面向网络设备的嵌入式监控模型。该模型能最大限度的发挥数字信号处理器的性能，在单片数字信号处理器下，实现网络远程实时监控。首先对该监控系统的设计方案进行阐述；接着针对该系统模型的重点部分，数字信号处理器下的操作系统移植，视频压缩模块和实时传输模块实现及优化进行了具体设计；最后对该模型的整体性能进行测试，证明该模型能满足网络远程实时监控系统的需要。关

2、键词：计算机应用技术；嵌入式技术；数字信号处理；嵌入式操作系统；实时监控；并行处理中图分类号：文献标识码：引言传统的实时监控系统是在一台高性能机上加人视频采集卡，这不仅成本高、功耗高、而且体积大，距离受限。无法实现远距离监控，因此无法满足特殊应用场合的需要。而目前市场上大多远程监控系统虽然能够进行远距离监控，但实时性却又逊色不少。如何结合两种监控系统的特点，在不提高成本的条件下，既能保证实时采集，又能安全、快速地将采集到的视频信息远程传输，这给开发者提出了新的挑战和问题。针对以上问题，利用公司系列数字信号处理器（，）兼具通用指令和强大数字信号处理指令系统的技术，研究设计了同时具备实时和快速远程

3、传输特点的监控系统。系统基于硬件平台，并移植嵌入式操作系统。既发挥了的图形图像处理能力，又充分利用了操作系统进程管理、电源管理以及多线程支持的功能。系统在这一软硬件系统下，利用并行计算，指令集等一系列技术，对视频采集编码中离散余弦变换（，（汀），赫夫曼（）编码，以及视频传输过程进行有针对性的优化。使该系统具有体积小，功耗低，价格便宜，性能高等优点，能在远程实时监控中得到广泛应用。总体方案 文中设计的监控系统主要由监控端和服务端两部分组成，如图所示。监控端主要负责图像的采集、压缩、传输。补充金属氧化半导体（，）摄像头采集到的图像经过转换之后的数字信号，通过并行外部接口（。）并行总线进入直接内存访

4、问（。图实时视频监控系统框架，）通道，并传人内存中。处理器对图像信息进行压缩编码，最后将编码后的视频信息传输到服务端。服务端负责接收监控端发来的视频信息，然后进行保存。当用户访问服务端的地址后，能够实时地查看监控端采集的信息。监控端和服务端运行在同一硬件平台下，即硬件平台既进行视频采集编码，又负责视频传输的调收稿日期：基金项目：国家大学生创新实验计划项目（）成都信息工程学院学报第卷度。可以提高监控的实时性，减少网络传输的延迟。硬件平台方案文中所涉及的硬件平台有别于视频监控设备上常见的双核处理器的平台。提出了一套以双作为处理器的硬件平台方案。采用精简指令系统计算机（，）指令集，适合处理控制代码，

5、对视频编解码则力不从心。则能弥补的不足，其运算能力能够满足人们对视频流畅程度的需求。这一方案的思路是发挥核的控制作用和处理器的处理能力，因此市场上这一方案的应用比较普遍。但是，该方案需要研发人员能对和的两套代码进行掌握和维护，研发成本和对研发人员的要求都比较高。针对这一缺陷，选用了公司的系列的双处理器作为。处理器能够将微控制和的性能融合在一起，在单核上对，协议栈和媒体流进行处理，将实时多媒体数据流及以控制为导向的任务进行优化【。是一个高性价比的处理器，使用了两个高达的内核，两内核共享高速的储存器，大大提高了处理器性能，该处理器采用了和联合开发的微信号结构（），这个结构采用了一个综合的信号处理和

6、控制指令集。这样处理器就不仅是带有增强指令集的，也不仅是带有两个算术逻辑单元的微程序控制器（，叫），而是为同时运行控制指令和算法而进行优化的处理器结构幢。目前市场上与该产品相近的有公司的为代表的处理器，但是这一处理器价格过高，不利于降低的成本。由上述分析可看出，能够有效地加速系统设计和开发，并且能有效提高的视频性能，加快产品的上市时间，还可有效控制成本。嵌入式系统选择系统软件设计中采取移植操作系统的方法来有效发挥在控制端的能力。系统选用作为网络监控设备的操作系统。最初是从内核开始发展出来的，是专为没有存储器管理单元（，）的微处理器设计的嵌入式操作系统，它的内核功能结构与基本相同，不同的主要是对

7、内存管理和进程管理进行了改写，以满足无处理器的要求。另外，由于大多数内核源代码都被重写，的内核要比原内核小，但保留了操作系统的主要优点：稳定性、优异的网络能力以及优秀的文件系统支持。是没有管理单元的，因此选用作为操作系统，适用于该处理器。硬件驱动设计下驱动程序操作系统把内核和应用程序划分成两个层次，即“内核态”和“用户态”。驱动程序在“内核空间”中运行，应用程序运行在“用户空间”中。设备驱动程序在内核中扮演着特殊的角色。其拥有独立的内存空间，使某个特定硬件响应一个定义良好的内部编程接口，这些接口完全隐藏了设备的工作细节。用户的操作通过一组标准化的调用执行，而这些调用独立于特定的驱动程序。将这些

8、调用映射到作用于实际硬件的设备特有操作上，则是设备驱动程序的任务。这个编程接口能够使驱动程序独立于内核的其他部分而建立，必要的情况下可在运行时“插入”内核。这种模块化的特点使驱动程序的编写非常简单，因此内核驱动程序的数目也迅速增长，目前已有成百上千的驱动程序可用。网卡及驱动设计网采用公司的。该芯片支持通讯速率，支持位位总线带宽，全双工和半双工工作模式。的工作时序符合外部总线接口单元（陆，）接口标准，设计中采用的接口直接与相连接，通过复杂可编程逻辑器件（咖第期邱琪等：基于数字信号处理器的网络远程实时监控系统的实现，）为该模块分配地址。数据和地址的控制线采用的地址线控制。芯片的网络接口处，连接一网

9、口变压器，将信号放大后通过刚头与网络连接。为确保工作稳定，在整个模块设计中，电源部分将数字电源和模拟电源分开，通过磁珠作噪声隔离处理中提供了的网卡驱动，在该驱动的基础上进行修改，以节省开发时间。一的开发板在启动的初始化文件在中。开发板启动的一些初始化都在（）函数中。根据硬件连接方式，在该函数中作如下修改：（）修改的配置信息，网卡起始基地址，结束地址，中断号为第五位，低电平触发；（）设置网卡数据位为位；（）设置网卡名字，驱动号；（）添加设备。在一结构体中添加加载网卡的代码。在中存放了网卡的驱动程序。一函数用来搜索，分配资源并注册。网卡驱动修改后，需要在内核中加载该驱动。进入，去掉上自带网卡驱动程

10、序，并选择网卡驱动程序。摄像头及驱动设计将处理器总线接口单元与摄像头连接，通过配置实现图像采集和处理器的摄像功能。摄像头的驱动流程如图所示。的寄存器读写采用标准总线结构。但是上没有集成总线控制器，用户必须通过口模拟的方式来实现对总线的控制。在弘驱动开发中，设备可理解为一个字符设备。卫专门为总线定义了驱动程序接口标准，按照这个统一的标准编写总线上的其他驱动程序和应用程序的移植。进入内核，做如下修改：（）在数组中添加的寄存器配置，设置为屏；初始化使能中断设置接口中断向量表通道初始化接口初始化打开中断使能接口接受数据图订摄像头启动流程（）修改（）函数，该函数用来搜索设备；（）载摄像头感应器。进人添加

11、配置参数。软件系统设计与优化软件系统设计系统监控端和客户端软件流程如图所示。监控端如图（）所示，摄像头采集到一帧数据后，经过转换，通过传输到内存中的一个缓存区；应用程序端读取缓存区，进行压缩编码；接着，通过套接字，将编码后的数据通过传输到萄蕈（）监控端软件流程（）客户端软件流程图监控设备软件流程客户端。客户端如图（）所示，客户端在初始化后，打开监控端口，当收到监控端传来的数据后，将图像进行解码。并显示图像。垂成都信息工程学院学报第卷软件系统优化软件系统优化能充分发挥的性能，进而提高图像采集、压缩、传输效率。针对基于的网络实时监控系统进行以下个方面的优化。（）摄像头驱动级优化。经过转换后的数据通

12、过通道高速传输到内存，这一过程不需要经过参与，那么在数据传输时，可以同步的进行其他工作。根据这一思路，在下摄像头驱动的数据采集部分，采用“乒乓”缓冲机制，既在内存中开辟两个缓存区，轮流缓存视频采集到的数据。一个缓存区用于接收传输的数据，另一个缓存区用于数据处理，然后在交换使用，从而实现采集和数据处理的并行操作，提高吞吐率。（）基于的压缩算法的优化。鉴于在图像处理上的高处理能力，结合的特殊视频指令集以及并行性来进行优化。变换是压缩中最费时的一道工序，因为变换需要大量的浮点运算，而只提供了定点运算器，仿真浮点运算速率很低。因此在优化时，将变换这一段代码改用的汇编指令集编写，并将代码中浮点运算转换成

13、定点运算，以提高计算速度。系统采集的原始视频格式是：模式，因此在寻找白色像素中需要计算（）一（）一（）的值。这里包含一个均值计算和两个相减后求绝对值计算。在汇编优化过程中，利用位并行加法运算中的属性实现色度的减法运算和乘运算；利用向量符号乘法命令代替向量绝对值运算实现一个周期进行取绝对值并相加运算。在进行霍夫曼编码时，首先要计算各符号的概率，扫描就要进行多次，而各符号的概率大体上是相同的。针对这一特性，系统在霍夫曼编码时采用查表的方式，即在编码初始化时定义静态的霍夫曼码表，在编码时根据当前位置的索引值去码表中搜索【。这样可大大减少运算量，提高编码速率。（）图像传输效率优化。由图一（）所示，系统

14、在等待处理器压缩完一帧图像后，再进行图像的传输，并等传输后才进行下一帧数据的采集压缩。从摄像头驱动层的优化方法中，可以看出，摄像头在采集图像时，处于空闲状态。因此，为了提高的吞吐率，将图一（）流程进行优化，如图所示。优化方案将采集一帧图像和图像压缩改成同步的方式，即使用多线程操作。优化方案类似（）号优化方法中提出的驱动层的“乒乓机制”，在应用程序中同样开辟两个全局的缓存区，并用一个标志符来指定缓存区是否存在未处理的数据。优化程序中使用两个线程分别来进行数据采集和数据压缩传输，以实现优化的目的。设置设置图优化后软件流程（）硬件优化。在上，有一片高速缓存，其直接与连接。如果将需要频繁运算的代码，比

15、如，量化，霍夫曼编码等函数段放在的段中；同时将经常用到的编码表放于的段中，能大第期邱琪等：基于数字信号处理器的，网络远程实时监控系统的实现大提高编码的效率。具体优化方法是在代码中添加预编译函数或数据参数。例如一；，（。，）一一（一），一一参数表示将函数置于的段中。并在编译时添加一参数，能告诉编译器将函数或数据放置到相应的中。优化性能测试本次测试在局域网，且图像采样分辨率为，依次针对以上种优化方法进行从采样到传输完成的速率测试。测试方法为：分别在优化前后，用测试程序记录从摄像头开始采样，压缩编码，并通过局域网从设备传输帧图像到客户端的时间，然后计算出一帧图像从采样到传输的平均值，测试结果如表所示

16、。由测试结果可知。压缩一帧图像并传输完成的平均时间从秒降低到秒，速率提高到帧秒，约为优化前的倍，优化后的速率可以使监控端接收到比较流畅清晰的实时视频影像，达到实时监控的目的。表优化前后性能测试结果结束语系统经过运行，软件优化和检验后，能够充分发挥高效的图像处理能力。具有成本低，使用灵活，功耗低，运行速度快，实时等特点，采集图像的分辨率高达。系统在操作系统的支撑下扩展性得到极大提升，典型的应用包括扩展外部存储设备保存图像信息。由此可以看出，该系统能够广泛应用于远程实时监控中。参考文献：曹小秋，赵焕军系列处理器实验指导书北京：电子工业出版社，：公司的视频性能及动态分析：一一一。孙琼嵌入式应用程序开

17、发详解北京：人民邮电出版社，：李俊嵌入式设备驱动开发详解北京：人民邮电出版社，：卞萌大学计划实验指导书：，陈峰基于的数字图像处理成都：电子工业出版社，：何小海，王正勇数字图像通信及其应用成都：四川大学出版社，：，一，（，）：，（），麟，：；基于数字信号处理器的Linux网络远程实时监控系统的实现 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 邱琪， 杨斌， QIU Qi， YANG Bin 西南交通大学信息科学与技术学院,四川,成都,610031 成都信息工程学院学报 JOURNAL OF CHENGDU UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY 2010,25(5 参考文献(14条 1.何小海;王正勇 数字图像通信及其应用 2006 2.曹小秋.赵焕军 ADI Blackfin系列DSP处理器实验指导书 2008 3.陈峰 基于Blackfin DSP的数字图像处理 2009 4.ADI公司 IP Camera的视频性能及动态分析 2009 5.卞萌 ADI大学计划实验指导书 2