摘要：以ARM9微處理器作為核心板的控制器，搭建無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺，擴(kuò)展基于OV9650芯片的攝像頭接口和GPRS無線傳輸模塊的串口接口。利用Platform Builder5．O定制了合適的WinCE5．O的操作系統(tǒng)平臺，開發(fā)了OV9650芯片和GPRS傳輸模塊的串口驅(qū)動，設(shè)計(jì)了PC機(jī)端的監(jiān)控系統(tǒng)的軟件，研究開源的XVID MPEG一4視頻編解碼軟件以及GPRS傳輸流程。通過有機(jī)結(jié)合事件編程和消息機(jī)制編程，調(diào)用底層VFW接口中的WIN32 API函數(shù)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控軟件的編譯。該監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)抓拍、定時(shí)監(jiān)控、錄像、安裝方便等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控；嵌入式系統(tǒng)；WinCE5.0；ARM9；GPRS
0 引 言
傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要以模擬信號監(jiān)控系統(tǒng)和基于插卡的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)為主。其中模擬信號監(jiān)控系統(tǒng)布線工程量大，要耗費(fèi)大量的存儲介質(zhì)，查詢?nèi)∽C也十分繁瑣；基于插卡的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是由1臺PC機(jī)加圖像采集卡完成的，系統(tǒng)的成本高，而且PC機(jī)需要有人值守，無法在惡劣環(huán)境下使用。在視頻監(jiān)控領(lǐng)域中，如何使信息傳輸?shù)酶?，更穩(wěn)定，距離更遠(yuǎn)，系統(tǒng)的成本、體積、功耗更低等問題是擺在當(dāng)前技術(shù)研發(fā)人員面前的首要問題。
在此提出一種基于嵌入式Windows CE5．O的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。解決了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)成本高、體積大、傳輸距離有限、功耗大、安裝不方便等問題。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將為無線視頻監(jiān)控提供一種新的思路、方法和技術(shù)路線；在安防、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程視頻會議、醫(yī)療系統(tǒng)等無線視頻領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
l 系統(tǒng)的整體硬件框圖介紹
基于嵌入式WinCE5．0的無線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由嵌入式終端和服務(wù)器端的PC機(jī)組成。嵌入式終端平臺的微處理器選擇的是基于ARM9T20內(nèi)核的S3C2440，S3C2440有豐富的接口，其中攝像頭接口與CMOS的攝像頭相連，串口與GPRS發(fā)射模塊相連；服務(wù)器端主要是1臺PC機(jī)和GPRS接收模塊。整個(gè)框圖如1所示。
系統(tǒng)首先通過S3C2440微處理器控制CMOS攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過壓縮編碼后，再通過GPRS無線發(fā)射模塊將壓縮后的數(shù)據(jù)發(fā)射出去，在服務(wù)器端的PC機(jī)通過GPRS接收模塊接收數(shù)據(jù)，并通過相應(yīng)的應(yīng)用程序，對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并通過屏幕顯示出來。其中包含有S3C2440微處理器的嵌入式終端平臺的核心控制板如圖2所示。
2 系統(tǒng)的擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)
2．1 攝像頭接口設(shè)計(jì)
攝像頭中用的圖像采集芯片為OV9650圖像傳感器，該圖像傳感器具有10位的數(shù)據(jù)接口和標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口，采用CSP一28封裝，體積小。
該芯片支持RGB(4：2：2)，YUV(4：2：2)，YCrCb(4：2：2)三種數(shù)據(jù)輸出格式，內(nèi)置138個(gè)設(shè)備控制寄存器，地址分別從Ox00～Ox8A，通過SCCB接口可以方便地設(shè)置傳感器視窗大小、增益、白平衡校正、曝光控制、飽和度、色調(diào)等參數(shù)。包含有圖像傳感器OV9650攝像頭模塊如圖3所示。
S3C2440有一個(gè)專用的攝像頭接口，CPU可以直接和CMOS圖像傳感器連接，當(dāng)0V9650輸出數(shù)據(jù)格式為8位的YUV時(shí)，要用到數(shù)據(jù)線D2～D9(D9為MSB位，D2為LSB位)；當(dāng)輸出的數(shù)據(jù)格式為10位RGB，用數(shù)據(jù)線D0～D9(D9為MSB位，D0為LSB位)，該系統(tǒng)用YUV格式。該攝像頭模塊與S3C2440的Camera接口連接，其電路圖分別如圖4～圖6所示。
其中用到了TI公司的電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245，是一種雙電源的電平移位器，電平移位在其內(nèi)部進(jìn)行。5 V端用5 V電源作為VDD_CAM，而3．3 V端則用3．3 V作為VCC33。雙電源能保證兩邊端口的輸出擺幅都能達(dá)到滿電源幅值。
2．2 GPRS模塊的接口設(shè)計(jì)
S3C2440有3個(gè)UART通道，利用其中一個(gè)通道設(shè)計(jì)串口，使其與GPRS模塊連接，由于S3C2440自帶的UART控制器，使得硬件開發(fā)和軟件設(shè)計(jì)都比較簡單。但RS 232標(biāo)準(zhǔn)所定義的高、低電平信號，與一般的微控制器系統(tǒng)的電路所定義的高、低電平信號完全不同，如S3C2440系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對應(yīng)電平2～3 V，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“O”對應(yīng)0～4 V電平。顯然，與RS 232標(biāo)準(zhǔn)所述的電平信號完全不同。兩者之間要進(jìn)行通信，必須經(jīng)過信號電平的轉(zhuǎn)換，目前常使用的電平轉(zhuǎn)換芯片有MAX232，MAX3221和MAX324．3，具體設(shè)計(jì)電路如圖7和圖8所示。
3 操作系統(tǒng)平臺的定制
Windows CE是高度模塊化的嵌入式操作系統(tǒng)，正因?yàn)槿绱?，用戶為了滿足特定的要求而對操作系統(tǒng)進(jìn)行定制，如果為自己的嵌入式設(shè)備定制Windows CE操作系統(tǒng)，則須進(jìn)行創(chuàng)建、構(gòu)建、運(yùn)行和發(fā)布OS等一系列操作。在無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，根據(jù)功能要求，利用Platform Builder5．0定制系統(tǒng)的流程如下：
(1)導(dǎo)入BSP開發(fā)包。由于用的是三星公司的基于ARM920T核的S3C2440，所以在BSP包中找到SMDK2440文件下的SMDK2440．CEC文件將其導(dǎo)入。打開“Platform Builder5．0”，選擇“File”菜單下的 “Manage Catalog Features”，如圖9所示。在彈出的對 話框中單擊“Import”，瀏覽到SMDK2440文件下的 smdk2440．cec文件，將其導(dǎo)入。
(2)創(chuàng)建項(xiàng)目。根據(jù)WinCE無線監(jiān)控系統(tǒng)的要求，在定制系統(tǒng)的過程中選擇合適的組件來實(shí)現(xiàn)。其中包括的組件有：支持應(yīng)用程序開發(fā)的MFC組件和支持網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)組件等。
(3)編譯項(xiàng)目：點(diǎn)擊菜單“Build OS”→“Sysgen”開始編譯項(xiàng)目。
(4)下載運(yùn)行時(shí)映像，調(diào)試成功后啟動。編譯成功后會在目WinCES00\PBWorkspaces\testl\RelDir\smdk2 440_ARMV4I_Release下生成nk．bin和nk．nb0等文件，將nk．nb0下載到硬件平臺上運(yùn)行。
4 驅(qū)動程序的開發(fā)
4．1 攝像頭驅(qū)動的開發(fā)
攝像頭驅(qū)動開發(fā)是設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，也是一個(gè)關(guān)鍵部分。由于攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)可以當(dāng)作數(shù)據(jù)流來處理，所以對于攝像頭的驅(qū)動將采用流式接口的方法來開發(fā)。
(1)在Platform Builder中打開前面定制的操作系統(tǒng)工程，然后在新建一個(gè)WIN32 DLL項(xiàng)目，添加2個(gè)C++的源文件，即：camera．cpp和IIc．cpp，其中camer—a．cpp包含驅(qū)動的入口函數(shù)DLLMain()；驅(qū)動的前綴為“CIS”，IIc．cpp包含通過ICC接口對攝像頭相關(guān)寄存器進(jìn)行配置的函數(shù)。
(2)根據(jù)前面的硬件電路和OV9650芯片的工作時(shí)序，通過編寫流接口的CIS_Init函數(shù)實(shí)現(xiàn)OV9650初始化。主要包括以下3步：調(diào)用InterruptInitialize(SYSINTR_CAM，CameraEvent，NULL，0)函數(shù)通知系統(tǒng)注冊中斷；調(diào)用CreateEvent()函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)CameraEvent事件；調(diào)用CreateThread()函數(shù)創(chuàng)建CameraThread線程。在Camera Capture Thread服務(wù)函數(shù)中調(diào)用WaitForSingleObject(CameraEvent，Dis—play Time)函數(shù)等待Camera Event事件的發(fā)生。此事件由與其關(guān)聯(lián)的SYSINTR_CAM中斷來觸發(fā)。此外還有其它流接口函數(shù)(CIS_IOControl等)也可以以類似的方法實(shí)現(xiàn)。
(3)編寫DLL的導(dǎo)出函數(shù)定義文件．DEF。．DEF文件定義了DLL的導(dǎo)出函數(shù)類表。．DEF文件可以就用一般的記事本編輯，保存時(shí)后綴名改為．DEF即可，關(guān)于本攝像頭驅(qū)動的．DEF文件內(nèi)容如下：
(4)為驅(qū)動程序配置注冊表。在platform．reg中添加以下注冊項(xiàng)即可：
在攝像頭驅(qū)動開發(fā)完成后，通過編寫應(yīng)用程序在嵌入式終端的觸摸屏上顯示出來，如圖10所示。首先通過CreateWindow這個(gè)API函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)用來顯示圖像的窗體，然后創(chuàng)建回調(diào)函數(shù)CaptureThreadProc的線程，在回調(diào)函數(shù)中根據(jù)不同的操作向操作系統(tǒng)發(fā)送不同的消息值，處理圖像的讀取、顯示等。測試結(jié)果如圖11所示。
4．2 串口驅(qū)動開發(fā)
在Windows CE中串口的驅(qū)動實(shí)現(xiàn)是有固定模型的，基于流驅(qū)動模型，采用分層結(jié)構(gòu)。串口驅(qū)動的開發(fā)的步驟和上面攝像頭驅(qū)動開發(fā)的步驟一樣，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)流接口函數(shù)，由于這里采用了分層的結(jié)構(gòu)，MDD層的代碼可以參考微軟提供的源代碼在％WINCEROOT％＼PUBUC＼COMMON＼OAK＼DRIVERS＼SERIAL＼COMMDD2目錄下，PDD層中的代碼是與硬件相關(guān)的代碼，需要針對不同的設(shè)備來編寫。MDD層中的代碼調(diào)用PDD層中的代碼來實(shí)現(xiàn)具體的硬件操作。串口驅(qū)動的結(jié)構(gòu)如圖12所示。
5 PC機(jī)端監(jiān)控中心程序的開發(fā)
監(jiān)控中心是無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)并顯示監(jiān)控的圖像。在該論文中，監(jiān)控中心的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控、定時(shí)錄像、抓拍等功能。在系統(tǒng)中監(jiān)控程序的開發(fā)，同時(shí)使用了C#語言和WIN32 API，利用C#語言基于事件的編程方法，設(shè)計(jì)了程序圖形界面，利用VFW接口中的API函數(shù)基于消息機(jī)制設(shè)計(jì)了底層圖像數(shù)據(jù)的讀取和顯示。該系統(tǒng)中API函數(shù)主要來自于VFW軟件工具包。VFW(Video forWindows)提供了一系列應(yīng)用程序編程接口(API)，用戶可以通過它們很方便地實(shí)現(xiàn)視頻捕獲、視頻編輯及視頻播放等通用功能，還可利用回調(diào)函數(shù)開發(fā)更復(fù)雜的視頻應(yīng)用程序。其特點(diǎn)是播放視頻時(shí)，不需要專用的硬件設(shè)備，而且應(yīng)用靈活，可以滿足視頻應(yīng)用程序開發(fā)的需要。監(jiān)控中心的程序調(diào)試運(yùn)行效果如圖13所示。
6 視頻壓縮編碼和傳輸理論研究
6．1 視頻壓縮編碼研究
圖像和視頻包含巨大數(shù)量的信息，其傳輸和存儲需要很寬的帶寬，多媒體視頻數(shù)據(jù)在無線傳輸之前，必須進(jìn)行壓縮。常用的數(shù)字壓縮技術(shù)主要包括用于會議電視系統(tǒng)的H．261壓縮編碼，用于計(jì)算機(jī)靜止圖像壓縮的JPEG和用于活動圖像壓縮的MPEG數(shù)字壓縮技術(shù)和近年來比較熱點(diǎn)的H．263和H．264壓縮編碼技術(shù)。MPEG一4采用新一代視頻編碼技術(shù)，它在視頻編碼發(fā)展史上第一次把編碼對象從圖像幀拓展到具有實(shí)際意義的任意形狀視頻對象，從而實(shí)現(xiàn)了從基于像素的傳統(tǒng)編碼向基于對象和內(nèi)容的現(xiàn)代編碼的轉(zhuǎn)變，因而引領(lǐng)著新一代智能圖像編碼的發(fā)展潮流。
由于MPEG一4壓縮編碼系統(tǒng)比較復(fù)雜，在論文中將重點(diǎn)對MPEG一4壓縮編碼技術(shù)進(jìn)行研究，分析其在PC機(jī)上的壓縮編碼的源碼，為以后在ARM等嵌入式設(shè)備上的移植奠定基礎(chǔ)。對一幀圖像進(jìn)行MlPEG一4編碼的流程如圖14所示。
編譯開源的MPEG一4 XVID模型的源代碼，將生成一個(gè)xvidcore．dIl文件，在應(yīng)用程序開發(fā)中調(diào)用庫中的相關(guān)函數(shù)，程序執(zhí)行過程如圖15所示。其中程序在PC機(jī)上測試，先從攝像頭中讀取視頻數(shù)據(jù)，再進(jìn)行MPEG一4編碼。
6．2 無線傳輸研究
GPRS采用基于分組傳輸模式的無線IP技術(shù)，以一種有效的方式高速傳送數(shù)據(jù)，支持Internet上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X．25協(xié)議，傳輸速率最高達(dá)117 KB／s，所以視頻數(shù)據(jù)通過MPEG一4壓縮后，完全可以通過GPRS模塊進(jìn)行傳輸。在此傳輸過程中通信的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^TCP／IP網(wǎng)絡(luò)的API，Socket接口實(shí)現(xiàn)。整個(gè)無線傳輸效果如圖16所示。
7 結(jié) 語
基于Windows CE5．0的無線監(jiān)控系統(tǒng)涉及到了計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、嵌入式技術(shù)、視頻編碼、無線傳輸?shù)榷喾矫娴闹R，在此課題中完成了大量的工作，測試結(jié)果達(dá)到了該論文預(yù)期的目的。嵌入式終端平臺具有體積小、功耗低、運(yùn)行速度快、采集的圖像清晰等特點(diǎn)，在監(jiān)控中心程序的設(shè)計(jì)也具有友好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)監(jiān)控、錄像、拍照等功能。視頻壓縮與無線傳輸方面從理論上研究方法的可行性，提出具體的解決方法，這為以后進(jìn)一步完善系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。