基于ARM11的校园网络视频监控系统的设计

许 玲，李吉彪

（河南机电高等专科学校 自动控制系，新乡 453003）

0 引言

随着数字技术、计算机技术和网络技术的发展，基于互联网的各种业务呈几何指数规律飞速增长，网络视频监控作为基于互联网的一种全新业务也得到了飞速的发展。网络视频监控平台已经被广泛应用于生活小区、会展中心、银行、大型企业等场所[1]。安全防范是校园安全管理的一个重要组成部分，也是体现安全保卫功能先进性的重要环节。学校校园监控因为学校管理人员少，学生多，给学校的安全管理带来许多不便之处，为随时掌握学校动态，发现安全隐患，记录异常情况的视频影像，以便立即防范或作为事后分析处理的客观依据。因此，学校安装监控设施就成为了一种趋势。实践中，充分发挥计算机无人值日、全天候安全监控的功能，是一种节省人力物力的最佳辅助安全管理方案。

视频监控系统[2,3]是指一套由摄像、传输、控制、显示和记录登记五部分组成，为客户提供图像、声音和各种报警信号, 并进行远程采集、传输、存储、处理与转播的系统。而融合互联网、电视技术、通信技术的基于互联网平台的视频监控网络化是必然的趋势。本文采用ARM公司最新的ARM11 RISC 处理器进行开发，使用其内部模块MFC 完成H.264 的编解码，在嵌入式和网络环境下，完成视频的采集、传输、实时显示、存储等功能。

1 ARM11处理器

ARM11处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器[4,5]，它是ARM新指令架构——ARMv6的第一代设计实现。ARM11处理器的流水线和以前的ARM内核不同，它由8级流水线组成，8级流水线可以使8条指令同时被执行，比以前的ARM内核提高了至少40%的吞吐量。ARM11处理器提供动态预测和静态预测两种技术来对跳转作出预测。

在ARM11处理器中，指令和数据可以更长时间的被保存在Cache中。一方面是由于物理地址Cache的实现，使上下文切换避免了反复重载Cache；另一方面是由于ARM11的Cache还有很多其它新颖的技术特点。在ARM11处理器中，内核和Cache及协处理器之间的数据通路是64位的，因此可以提供64位处理器性能的解决方案。ARM11内核在运行于极高频率的同时，也能非常容易的被集成在SoC设计中。同时，ARM11处理器提供的向上兼容性，使OEM可以放心的选用任何基于ARM的产品。

2 系统设计方案

2.1 整体设计方案

在学校大门、围墙、重要通道、教师家属院及家属院出入口等重点部位安装摄像机，24小时的监控和录像。监视大门人员出入情况及车牌号，并能发现可疑目标进行跟踪监视。同时在学校大门内侧广场区域、主干道、湖面附近、图书馆天井处等地方安装红外云台摄像机。在校园内距离小于300米的摄像机采用视频线直接传输，在距离大于300

校园网络视频监控系统的设计充分考虑了它与信息时代数字化的匹配。本系统设计了一个总控室，有14孔位的电视墙，16路硬盘录像机4台，4联操作台及4台显示器，利用监控室监视器作为监视单元分别对分控区域内的信号进行轮巡显示。采用专用的文件系统，无磁盘碎片，数据保密性高，单硬盘容量不受限制，并具有硬盘休眠技术和SMART技术，支持硬盘状态报警；硬盘录像机功能强大，具备断电重启的功能，真正能够达到无人值守的目的。考虑到系统的稳定性和可靠性，本方案设计硬盘时除了系统本身的内置硬盘以外，还可以采用外挂硬盘存储系统。

图1 系统硬件架构图

2.2 硬件设计

基于ARM11的校园网络视频监控系统的硬件架构图如图1所示。系统硬件部分主要包括：ARM1176JZF-S为内核的S3C6410微处理器及存储电路模块，电源，时钟和复位电路模块，外围接口电路模块等。S3C6410处理器负责控制接收摄像头的视频信号，其内部集成的多媒体编解码器（MFC）进行基于H.264的压缩编码。而NAND FLASH用于各种固化程序的存储，SDRAM用于存取系统运行时程序，JTAG用于下载程序，串口用于打印信息的输出及调试程序。

2.3 软件平台的设计

软件平台由U-boot引导程序，Linux内核和设备驱动程序共同形成运行环境，而应用层由视频采集、视频压缩编码模块、视频显示、视频传输等主要模块组成。网络视频监控系统实现的具体过程如下：首先，启动嵌入式系统上的服务程序，服务程序启动后等待客户端的连接。如果有客户端发出连接请求，服务程序不断的将从摄像头采集的实时视频数据压缩处理，然后通过基于JRTPLIB库的RTP/RTCP协议传输到一组播地址。客户端加入组播，不断获取视频数据，并将视频数据解码显示出来，最终实现实时监控。

1）视频采集模块

该模块负责USB摄像头初始化。启动采集线程程序，将采集到的图像数据，放到一环行缓冲区，供视频压缩模块使用。另外，该模块负责接受控制管理指令，可改变采样速率、分辨率大小，颜色等。

2）视频压缩编码模块

该模块的主要任务是接受视频采集模块的数据，并进行相应编码压缩，再将压缩后的视频数据，存放在该模块的环形缓冲区。

3）视频显示模块

Linux 下的视频采集是针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数。 这些视频设备包括现今市场上流行的TV 卡、视频捕捉卡和USB 摄像头等。在应用程序中可以利用V4L 结合I/ O 控制函数来操作摄像头进行视频数据采集。视频采集的流程图如图2 所示。

4）视频图像的解码模块

由于摄像头采集的是JPEG 格式的视频图像，客户端接收到后要进行解码为RGB 格式才能正常显示，这是通过调用来init _ jpeg _ decoder()函数来实现的。init _ jpeg _decoder()函数主要完成为图像数据预分配空间，查询图像质量等级表和哈夫曼表，进行反DCT 变换等工作来实现图像的解码。视频的播放是利用SDL来实现的。利用SDL实现视频的播放主要包括以下五个步骤：（1）初始化SDL 库；（2）设置视频图像显示分辨率；（3）调用JPEG 解码后视频图像数据；（4）设置播放窗口标题；（5）扫描数据到屏幕上, 实现视频播放。

图2 视频采集的流程图

3 系统测试与分析

通过实验测试，系统运行稳定, 在1024×768大小的分辨率下,在局域网内测得视频帧率可达到16 帧/s, 基本可以满足网络视频监控的要求。测试过程中的CPU 最高占有率为8.9% , CPU 平均占用率是5.6% , 说明该系统运行效率较高。

4 结论

本文设计了基于ARM11处理器的校园网络视频监控系统。该系统实现了视频采集、H.264 压缩编码和网络传输等视频服务功能，同事将嵌入式视频监控与网络技术结合起来,实现实时传输，节省了成本,更具有便携、低功耗等优点。该系统便于通讯, 具有广泛的应用价值和市场前景。下一步工作可在提高传输质量上和差错恢复上做进一步研究。

[1] 冯延蓬, 仵博, 蔡学军. 基于J2EE的远程视频监控平台的设计[J]. 煤炭技术, 2010, 29(5): 50-51.

[2] 王永利. 分布式网络视频监控系统的架构[J]. 自动化仪表, 2010, 31(7): 42-44.

[3] 梁笃国, 张艳霞, 郑泽民, 等. 网络视频监控技术及应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2009: 11-16.

[4] 钱华明, 刘英明, 张振旅. 基于S3C2410 嵌入无线视频监控系统的设计[J]. 计算机测量与控制, 2009, 17(6): 1132-1134.

[5] Rahul Vanam Eve A. Riskin H.264/MPEG-4 AVC Encoder Parameter Selection Algorithms for Complexity Distortion Tradeoff. IEEE Data Compression Conference, 2009.