毕业设计(论文)--基于arm的视频采集系统.doc

基于ARM的视频采集系统目录一 设计要求2二 设计作用与目的2三 所用设备及软件2四 系统设计方案34.1系统总体设计34.2 系统工作原理3五 系统硬件设计35.1整体硬件系统结构35.2 个单元电路设计45.2.1 S3C4510主控器模块45.2.2外围电路模块6六 系统的软件设计86.1 主程序流程设计86.2 摄像头驱动程序设计96.3 图像采集模块的设计96.4 JPEG图像压缩模块的设计106.5 嵌入式WEB服务器设计116.6 网络传输设计11七 仿真调试12八 设计中的问题与方法12九 嵌入式系统学习心得0十 参考文献0基于ARM的视频采集系统一 设计要求输入信号为1路AV视频信号，要求系统能对1路输入信号进行实时采集、数字化处理、压缩、存储，要保证一定的录像质量。根据设计题目的要求，选择确定ARM芯片型号、视频采集芯片型号，完成系统硬件设计和程序设计。其中包括视频采集整体设计，系统硬件设计，系统软件设计等几大主体部分，从而完成整个采集系统的设计。二 设计作用与目的数字视频采集系统是以计算机或嵌入式系统为中心、视频处理技术为基础，是符合图像数据压缩的国际标准。综合利用图像传感器、计算机网络、自动控制和人工智能等技术的一种新型监控系统。由于数字视频采集系统对视频图像进行了数字化，所以与传统的模拟视频采集系统相比，数字采集系统具有许多优点。数字化的视频系统可以充分利用计算机的快速处理能力，对其进行压缩、分析、存储和显示。数字化视频处理技术提高了图像的质量与监控效率，使系统易于管理和维护。整个系统是模块化结构，体积小，易于安装、使用和维护。正是由于数字视频采集技术具有传统模拟采集技术无法比拟的优点，而且符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，所以数字视频采集技术正在逐步取代模拟采集技术，广泛应用于各行各业。嵌入式系统以体积小、实时性强、性价比高、稳定性好等特点在社会的各个领域中得到了广泛应用。三 所用设备及软件摄像头，S3C4510平台及其之上运行的采集、压缩、传输程序。PC机及其之上的接收解压回放程序 。Linux软件开发平台。四 系统设计方案4.1系统总体设计首先需要对系统进行总体规划，将系统划分成几个功能模块，确定各个模块的实现方法。整个视频监控系统采用C/S结构，从主体上分为两部分：服务器端和客户端。服务器端主要包括S3C4510平台上运行的采集、压缩、传输程序，客户端的接收、解压、回放程序的接收、解压、回放程序以太网传输到视频监控服务器上。如系统结构图（图1）所示，视频图像采集和打包发送在服务器端完成，图像的接收解包和回放将在客户端完成。采集图像数据压缩打包发送接收回放图1 系统结构图4.2 系统工作原理整个系统由现场摄像头，嵌入式视频服务器，客户端三大主体部分组成。先由现场的摄像头实现图像的采集，并把采集的图像通过内部总线传输给嵌入式视频服务器，嵌入式视频服务器是一个由S3C4510处理器，图片压缩，WEB服务器和Linux操作系统组成的综合嵌入式系统，当现场摄像头采集图像资料后送给视频服务器后，其对传送来的信号进行JPEG压缩编码，并对编码后的图像通过internet进行传输。然后客户端再进行图像的接收和解压，从而用户可以通过WEB来观看现场摄像头采集的图像实现远程视频采集与监控。五 系统硬件设计5.1整体硬件系统结构系统采用模块化设计方案，主要包括以下几个模块：主控制器模块、储存电路模块、外围接口电路模块、电源和复位电路，如图2所示SDRAMNANDflash串口JTAG口摄像头S3C4510(主控芯片)网口电源复位电路图2 系统硬件结构图5.2 个单元电路设计5.2.1 S3C4510主控器模块主控器模块是整个系统的核心，采用的S3C4510B处理器。Samsung 公司的S3C4510B 是基于以太网应用系统的高性价比 16/32位 RISC微控制器，内含一个由ARM 公司设计的16/32位ARM7TDMI RISC 处理器核，ARM7TDMI为低功耗、高性能的 16/32核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。S3C4510B的引脚分布图与结构图如图3，图4所示 图3 S3C4510B的引脚分布图图4 S3C4510B结构图5.2.2外围电路模块外围电路主要是以下几个电路，复位电路图，电源电路图以及JTAG电路，如图5，6，7所示图5 复位电路图6 电源电路图7 JTAG电路六 系统的软件设计6.1 主程序流程设计本嵌入式远程视频监控系统软件由摄像头驱动模块，图像采集模块，JPEG 图像压缩模块，网络传输模块，嵌入式 WEB 服务器组成。摄像头驱动模块的作用是使得摄像头在Linux 操作系统下可以正常工作，为应用程序的编写提供底层系统的编程接口。图像采集程序使用驱动程序提供的编程接口获取摄像头采集来的图像信息并进行暂时存储。JPEG 压缩模块的功能是完成对采集到的原始图像信息进行编码处理，使得图像达到最小化，清晰化，为网络传输解决带宽不足的问题。WEB 服务器通过 HTTP 协议与远程监控计算机端的浏览器进行信息交流,它提供了应用程序模块的编程接口以及视频监控的界面。嵌入式视频监控系统的总体结构如图8。图8 系统软件整体设计图6.2 摄像头驱动程序设计图像的采集是利用数字摄像头实现的，通过 USB 串行总线和S3C4510相连，因此驱动程序的开发主要是对 Linux 系统下 USB 驱动程序的开发难度比较大。既要涉及图像采集芯片的驱动开发，还要涉及 USB 的驱动的开发。我们可以根据自己的系统开发平台进行相应移植，重新配置编译内核等操作可以实现将驱动程序集成到 Linux内核中。6.3 图像采集模块的设计Video4linux的简称是V4L，是Linux系统中的影像串流系统与嵌入式影像系统的基础，它是Linux 内核里免支持影像设备的一组应用程序的接口，配合恰当的视频采集工具与视频采集工具的驱动程序， V4L可以实现视频图像的采集的功能，V4L为二层式结构，上层为V4L的驱动程序，下层构成则是影音设备的驱动程序。这里我们用到的是V4L的上层驱动程序，即V4L本身所提供给程序开发人员的一组应用程序开发接口Video4linux 视频图像采集流程如图9所示。图9 视频采集流程图6.4 JPEG图像压缩模块的设计JPEG是目前网络最流行的压缩格式，可以把图像压缩到最小的图像格式，经常用potshot的人会知道，在存图像格式时有个分级压缩，共分为11级压缩，就是最小压缩比的10级压缩，压缩比例也可以到5：1，在压缩比例最大的0级压缩可以达到40:1。通常我们选用的8级压缩压缩比达到24：1，这个比例压缩出来的图片我们肉眼几乎分辨不出和原图的差距，虽然数据量大大的减少，但是图像我们看不出有任何的变化。接收到图像数据后进行JPEG压缩再进行相关处理。图10 JPEG编码流程图6.5 嵌入式WEB服务器设计嵌入式WEB服务器一般由五个主要模块组成：嵌入式HTTP引擎，安全模块，应用程序接口，文件系统和配置模块由于本嵌入式视频监控系统的操作系统选用ARMlin嵌入式操作系统，它的文件系统比较成熟，提供了可以使文件访问的接口，可以直接使用文件系统提供的读写接口访问嵌入式WEB资源文件，解决了专门设计文件系统的麻烦。本系统中嵌入式服务器选用适合嵌入式系统的Boa服务器，它是单任务的嵌入式HTTP服务器，它占用内存小，另外支持动态CGI技术，源代码开放，功能强大。6.6 网络传输设计对于网络带宽有限的情况，要想实现视频监控系统中视频传输流畅的最好方法是采用流媒体传输技术。流媒体是一种可以使音频数据、视频数据和其它多媒体数据能在Internet上以实时的、不需要下载等待的方式便可以播放的技术。现在我们在网上看的视频的技术都是流媒体技术。因为目前的网络带宽还不足以承担相对比较庞大的网络多媒体，音视频等多媒体信息必须要经过预先的处理才能进行网络的传输。传输之前的预处理工作主要包括两个方面:一是需要降低数据的流量;二是采用目前比较先进的高效的压缩算法进行数据的压缩。流媒体是在目前来说是一种比较新的媒体格式，应用前景非常广泛。视频监控系统对传输的实时性要求比较高，因此流媒体技术在网络视频采集系统中的应用也会越来越广泛。本次设计用到的流媒体传输的网络协议是实时传输协议(RTP),实时传输控制协议(RTCP)。七 仿真调试在PC机和开发板之间连接好电源、串口、网线。采用NFS方式启动根文件系统，打开电源，启动u-boot，配置环境变量，ping通虚拟机，把制作好的内核通过tftp服务器下载到开发板内存31000000地址处：tftp 31000000 uimage，这样内核从此启动：bootm 31000000。连接USB摄像头，当系统起来时，在开发板连接USB摄像头，出现如下信息:New USB device found，”等信息，表明USB摄像头已经成功加载了驱动八 设计中的问题与方法本设计虽然实现了嵌入式视频服务器的功能，但是还存在不少的问题需要后续工作来解决： 1、压缩算法的研究，本系统采用JPGE压缩算法，相对目前比较流行的H.264和MPGE4压缩算法，还有很大的差距，在远程视频传输时采用上述两种压缩算法优势比较明显。 2、动态 ip 地址的解析，由于目前用户大多采用家庭宽带上网，而宽带上网的 ip一般都是动态 ip，本系统如果加入动态 ip 解析后应用的范围将会大大增加，由于无线上网也是采用的动态 ip，加入动态 ip 解析后对与无线视频服务器的开发也是必须要做的工作。11九 嵌入式系统学习心得通过本次课程设计，使我加强了对ARM的掌握和理解，巩固了我在嵌入式系统及应用课程中所学的基本理论知识和实验技能，使我对嵌入式系统及应用课程有了更深入的了解，进一步激发了我对所学专业学习的兴趣；提高了我的动手能力以及检索资料的能力。对于以后的学习与工作都是极大的帮助。在设计的过程和设计说明书的撰写过程中，老师和同学给予了我热心的帮助和大力的支持，给我提了诸多的宝贵意见，拓宽了我的思路。十 参考文献1 陈文智.嵌入式系统开发原理与实践清华大学出版社，20052 刘富强.数字视频监控系统开发及应用北京: 机械工业出版社20033 林艳, 陈新. 基于TCP 八P的远程视频监控系统的设计.福建电脑，20054 孟宪栋,孙富春, 周纬杰. 嵌入式Linux集成开发环境研究与实现. 计算机系统应用，20045 龚仕伟, 许锦标, 廖翔云. 基于嵌入式Web服务器的的远程视频监控系统. 电子技术杂志，20036 吴永航.嵌入式Internet方案的设计与实现. 大连理工大学,2003.7 陈耀武，伍鹏，汪乐宇. 基于流媒体技术的网络化嵌入式视频监控系统 ，工程设计学报.20048 黄贤武.数字图像处理与压缩解码技术. 成都电子科技大学出版社，20009 周立功等编.ARM 嵌入式系统实验教程. 北京航空航天大学出版社.2005.