引言
圖像與視頻監(jiān)控系統(tǒng)是應用計算機與通信技術實現(xiàn)對目標地區(qū)信息監(jiān)控的系統(tǒng),，常應用于交通,、能源、公安、電信,、軍事等部門,。
隨著圖像與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用領域不斷擴大，遠程圖像與視頻監(jiān)控系統(tǒng)應運而生,，它滿足了遠距離監(jiān)控的要求,。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機或嵌入式系統(tǒng)為中心、視頻處理技術為基礎,，是符合圖像數(shù)據壓縮的國際標準,。綜合利用圖像傳感器、計算機網絡,、自動控制和人工智能等技術的一種新型監(jiān)控系統(tǒng),。由于數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)對視頻圖像進行了數(shù)字化，所以與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比,，數(shù)字監(jiān)控具有許多優(yōu)點,。數(shù)字化的視頻系統(tǒng)可以充分利用計算機的快速處理能力，對其進行壓縮,、分析,、存儲和顯示,。
數(shù)字化視頻處理技術提高了圖像的質量與監(jiān)控效率,，使系統(tǒng)易于管理和維護。整個系統(tǒng)是模塊化結構,，體積小,，易于安裝、使用和維護,。正是由于數(shù)字視頻監(jiān)控技術具有傳統(tǒng)模擬監(jiān)控技術無法比擬的優(yōu)點,，而且符合當前信息社會中數(shù)字化、網絡化和智能化的發(fā)展趨勢,，所以數(shù)字視頻監(jiān)控技術正在逐步取代模擬監(jiān)控技術,，廣泛應用于各行各業(yè)。嵌入式系統(tǒng)以體積小,、實時性強,、性價比高、穩(wěn)定性好等特點在社會的各個領域中得到了廣泛應用,?；贏RM嵌入式的數(shù)字化遠程監(jiān)控是基于現(xiàn)代通信技術的一種新應用。本設計是一種嵌入式系統(tǒng),，以 ARM硬件平臺為核心實現(xiàn)了對現(xiàn)場的實時監(jiān)控,，并通過無線網絡把視頻圖像傳輸?shù)街鳈C端，以實現(xiàn)分析、存儲和顯示等功能,，與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比：它的組網成本大大降低,，系統(tǒng)體積重量大大減小，運行維護更容易,。
1 監(jiān)控系統(tǒng)方案介紹
遠程監(jiān)控系統(tǒng)的網絡結構設計直接影響到系統(tǒng)的性能,，目前監(jiān)控系統(tǒng)網絡的實現(xiàn)大致有三種方案。分別介紹如下：
（1）采用代理服務器的方法
代理服務器一般由PC來充當,，一方面運行TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)Internet接入功能,，另一方面通過簡單總線結構（RS232、RS485等）與嵌入式系統(tǒng)相連接,。如圖1所以,。系統(tǒng)中只需要有一部分與代理服務器通信的代碼即可。其優(yōu)點是可以很方便地解決設備上網的問題,，開發(fā)難度低,；缺點是接入成本比較高，不利于大規(guī)模推廣,。該方案比較適合大型或較昂貴工業(yè)設備的上網需求,，不適合用于低價格的設備。
（2）通過直接在嵌入式處理器上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)Internet接入功能這種方案沒有使用操作系統(tǒng),，大大節(jié)省了資源,，但是對處理器的性能要求較高，同時增加了開發(fā)的難度,，技術實現(xiàn)上也比較困難,。如圖2所示。
（3）采用一個基于ARM Linux 的網絡監(jiān)控系統(tǒng)
這種方案和第二種方案類似,，但是它只用嵌入式ARM Linux 操作系統(tǒng),，在操作系統(tǒng)上運行TCP/IP 協(xié)議。目前大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)都帶有TCP/IP協(xié)議棧,，這降低了開發(fā)的難度,，實現(xiàn)起來比較靈活。由于嵌入式操作系統(tǒng)的運行需要占用相當?shù)奶幚砥髻Y源和存儲器空間,，對硬件配置也有較高的要求,。采用第三種方案，可以節(jié)省開發(fā)時間,、縮短開發(fā)周期,。監(jiān)控系統(tǒng)一般都還要在控制現(xiàn)場配置一臺工控機或高性能微機做服務器，用來存儲中間數(shù)據,，處理實時性要求較高的事件,，響應監(jiān)控終端的監(jiān)控請求,。
2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計
采用基于ARM嵌入式的網絡監(jiān)控系統(tǒng)，它采用TCP/IP網絡協(xié)議標準,，系統(tǒng)組網簡單,，傳輸數(shù)據量大，速度快,，整個系統(tǒng)結構簡單,。尺寸微小、價格低廉,。遠程計算機可做到無需額外程序,，通過WEB瀏覽器就能對設備進行檢測，而且應用程序易于開發(fā),、實現(xiàn)信息的完整共享,。在該系統(tǒng)中ARM負責程序控制和網絡通信，圖像和視頻采集模塊負責數(shù)據獲取和處理,。當數(shù)據或命令數(shù)據傳輸過來后,，ARM系統(tǒng)進行命令處理后，將命令數(shù)據傳輸或顯示在LCD上,，同時系統(tǒng)負責將處理的結果經過網絡接口上傳出去,。系統(tǒng)接收到數(shù)據命令后，經過算法處理后,，驅動D/A輸出或根據A/D輸入進行數(shù)據處理后,，將結果傳給ARM。系統(tǒng)具有以下幾個基本功能：數(shù)據采集,、數(shù)據分析和處理,、程序控制,、網絡傳輸,。
2.1 ARM視頻監(jiān)控平臺
如圖3所示為視頻監(jiān)控應用系統(tǒng)的開發(fā)平臺。ARM的系統(tǒng)擴展槽和設備擴展槽,，用于為ARM系統(tǒng)添加如以太網接口,、海口數(shù)據存儲接口和PCMCIA等接口,，或者用于其他的功能開發(fā)板,，為ARM系統(tǒng)擴展了CMOS圖像獲取功能和VGA顯示功能。
其中,，VGA接口是通過電阻網絡實現(xiàn)4096色彩色顯示,。與SRAM訪問相關的寄存器有：SDRAM控制寄存器、讀地址低16位,、讀地址高16位,、讀出數(shù)據寄存器,、寫地址低16位、寫地址高16位,、寫入數(shù)據寄存器,；與CMOS圖像采集有關的寄存器有CMOS采集控制寄存器、CMOS采集狀態(tài)寄存器,；與VGA顯示有關的寄存器是VGA顯示控制寄存器,。它具有以下特點：
（1）實時性好，能滿足數(shù)據采集和數(shù)據處理的實時性要求,。
（2）性價比高,，在滿足要求的情況下，系統(tǒng)成本應盡量低,。
（3）可控性好,，能夠實現(xiàn)遠距離控制和數(shù)據傳輸。
2.2數(shù)據采集模塊
視頻源信號來自于一個高集成度的CMOS數(shù)字圖像傳感器模塊MB86S20,，它是富士通的產品,。MB86S02不但集成了CMOS圖像傳感陣列、自動增益信號放大器,、模數(shù)轉換器,，還包括了色彩信號處理和微型鏡頭，包含了圖像采集的所有前端處理,，可以直接輸出數(shù)字信號,。模塊的系統(tǒng)框圖如圖4。
MB86S02是基于CMOS工藝,，使用有源像素的傳感器,，與傳統(tǒng)的CCD傳感器相比有如下不同點。
（1）成像過程
ccd和cmos使用相同的光敏材料,，因而受光后產生電子的基本原理相同,，但是讀取過程不同：ccd是在同步信號和時鐘信號的配合下以幀或行的方式轉移，整個電路非常復雜,，讀出速率慢,；cmos 則以類似 dram的方式讀出信號，電路簡單,，讀出速率高,。
（2）集成度
采用特殊技術的ccd讀出電路比較復雜，很難將a/d轉換,、信號處理,、自動增益控制、精密放大和存儲功能集成到一塊芯片上,，一般需要 3～8 個芯片組合實現(xiàn),，同時還需要一個多通道非標準供電電壓,。借助于大規(guī)模集成制造工藝，cmos圖像傳感器能非常容易地把上述功能集成到單一芯片上,，多數(shù)cmos圖像傳感器同時具有模擬和數(shù)字輸出信號,。
（3）電源、功耗和體積
ccd需多種電源供電,，功耗較大,，體積也比較大。cmos只需一個單電源(3v~5 v)供電,，其功耗相當于ccd的1/10,，高度集成cmos芯片可以做的相當小。
（4）性能指標
ccd技術已經相當成熟,，而 cmos正處于蓬勃發(fā)展時期,，雖然目前高端cmos圖像質量暫時不如ccd，但有些指標（如傳輸速率等方面）已超過ccd,。由于cmos具有諸多優(yōu)點,，國內外許多機構已經應用cmos圖像傳感器開發(fā)出眾多產品。本文主要介紹已商品化的cmos圖像傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀以及最新發(fā)展動態(tài),，希望對下游產品的開發(fā)有所幫助
CMOS技術的最大優(yōu)點是每一個像素單元可以集成一個或多個晶體管,，這樣就具有了低功耗和小型化的優(yōu)點，非常適用于手持設備,，可以降低系統(tǒng)功耗,、體積，提高電池效率,；它的高度集成性大大簡化了圖像應用系統(tǒng)的設計,。
MB86S02的主要特性如下：
l/7英寸圖像傳感器，有效像素為352×288共11萬像素,；
超低功耗30mW@15fps,；
輸出8位CMOS電平并行數(shù)字信號，YCbCr422或YUV422格式,；
色彩信號處理包括：自動增益,、自動曝光、自動白平衡,、Gamma校正等；
寄存器設置通過標準I2C串行接口,；
支持CIF(352×288)QCIF(176×144)格式,；
CCIR656標準頭輸出；
抗閃爍功能,；
低功耗模式,；
掉電模式功耗3μw,；
嵌入式處理器通過與MB86S02 CMOS圖像模塊的連接，讀取圖像數(shù)據后通過同步SRAM接口存儲在外部高速SRAM中,，然后還可以由UART模塊或RTL8019模塊把已經存儲的圖像數(shù)據發(fā)送到PC,，最后PC上的接收程序將顯示接收的圖像。通過調試板上的按鍵可以選擇采集圖像,、地址復位,、串口發(fā)送、網口發(fā)送這幾種功能,。
3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計
如圖5所示是ARM主程序流程圖,。ARM處理器獲取圖像信息，執(zhí)行壓縮程序,，壓縮后的文件通過公共電話線路傳遞到監(jiān)控主機端,。由于系統(tǒng)采用相同的圖像分辨率和常量表，所以文件頭都相同,。為了減少傳輸數(shù)據量,，不傳送文件頭，文件頭在監(jiān)控主機端由軟件自動添加,。
本系統(tǒng)還使用調制解調器通過公共電話網來簡歷遠程數(shù)據連接,，在遠程圖像監(jiān)控終端處的調制解調器處于待命狀態(tài)，它使用“ATS0=3&D0W&W1”命令設置為自動應答方式,，在3次振鈴后自動摘機,，經歷“數(shù)據風暴”以后與主叫方建立連接。監(jiān)控中心的調制解調器由監(jiān)控軟件控制撥號建立連接或者掛斷連接,。
數(shù)據連接建立好后ARM會收到“CONNECT”字符串,，表明通信線路連接成功，此時就可以像使用普通串口一樣使用調制解調器建立的遠程數(shù)據連接,。ARM接收到從監(jiān)控中心發(fā)來的采集命令后,，依次完成圖像采集、壓縮處理,，然后通過串口以ASCII碼形式直接發(fā)送圖像數(shù)據到監(jiān)控中心,，完成一次操作后等待下一個采集命令。
在應用中需要從MODEM接收圖像數(shù)據,，并將它加上文件頭以標準JPEG圖像或MPEG視頻格式存儲于本地硬盤上,。在對話框相應位置還要顯示出剛接收的圖像，這就需要相應的解碼程序,，可以不需要自己編寫,，Windows操作系統(tǒng)包含對JPEG或MPEG格式的支持。MsCOMM控件是Microsoft 通信控制器6.0,，它包含在VC 6.0中,。通過MsCOMM控件可以方便地訪問PC的串行通信口,。對MODEM的訪問是通過串口實現(xiàn)的，外置的MODEM通過真正的PC串口連接,，內置的MODEM則通過一個虛擬串口來進行控制,。
4 結束語
視頻監(jiān)控技術在政治、經濟,、軍事,、文化設施的安全防范中有著舉足輕重的作用，隨著多媒體和計算機網絡技術的發(fā)展,，視頻監(jiān)控系統(tǒng)經歷了模擬監(jiān)控和數(shù)字監(jiān)控的發(fā)展階段,，目前已到了網絡數(shù)字視頻監(jiān)控階段?；贏RM處理器的低成本數(shù)字化遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng),，是一個高可靠性、高效率的用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的軟件,、硬件工作平臺,，它使用集成數(shù)字化視頻采集模塊，直接獲得數(shù)字化影像信號,；圖像壓縮不使用專用的壓縮芯片,，而是在高速處理器內部由壓縮軟件實現(xiàn)；最后打包經由公共電話網發(fā)送,。
本文著重從ARM嵌入式圖像視頻監(jiān)控應用開發(fā)和流程給出了解決方案,，建立了低開發(fā)成本與方便易使用的嵌入式圖像視頻系統(tǒng)。使用ARM嵌入式處理器和Linux操作系統(tǒng),，開發(fā)出可實際應用的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng),，適用于低分辨率、低成本,、長距離的監(jiān)控應用,。它的特點和優(yōu)點主要有：
構建了ARM嵌入式處理器開發(fā)平臺，提出了嵌入式系統(tǒng)的低成本開發(fā)流程,。
前端使用便宜的一體化高集成度數(shù)字化視頻采集 模塊,，簡化了系統(tǒng)前端的設計，大大降低了前端成本,。
編寫簡單的嵌入式操作系統(tǒng)程序,，動態(tài)加載應用程序，加快其執(zhí)行速度,。
信號處理使用由高速,、高性能的ARM處理器構建的嵌入式系統(tǒng)，通過軟件來實現(xiàn)圖像壓縮,。
