网络视频监控系统开发

摘要

　　Linux 系统和嵌入式系统是计算机科学技术发展的两个重要分支，近几年，两者相结合的嵌入式 Linux 系统应用飞速发展，成了计算机学术领域的热点。视频监控系统在多媒体技术、电子技术和网络技术的快速发展下也开始向数字化、网络化、嵌入式及智能化方向发展。嵌入式视频监控系统因体积小、性能稳定、成本低廉、通信便利成了目前视频监控领域广泛采用的监控设备。

　　本文以 S3C2440 为开发平台，设计并实现一个基于嵌入式 Linux 系统的，可通过 WIFI 和 WEB 方式访问的网络视频监控系统，并讨论和研究数字图像处理技术中关于模糊图像复原技术。

　　文中首先简述了 ARM 处理器的相关知识，介绍了 S3C2440mini 开发板，Linux操作系统、嵌入式 Linux 操作系统及底层知识，嵌入式 Linux 开发平台搭建及交叉编译环境的建立，其次阐述了 Boot Loader 及原理，Linux 内核编译，根文件系统的制作全过程；并介绍了u-boot以及烧写内核镜像和根文件系统的知识、烧写Linux系统到开发板的方法。设计了基于该嵌入式 Linux 系统的 CMOS 摄像头驱动程序，将该驱动程序加载到系统中运行，加载WIFI模块，介绍如何编译安装mjpg-streamer，实现了一个基于 ARM9 处理器为核心的片上系统控制的，可通过 WIFI 和 WEB 方式访问的网络视频监控系统。最后，对数字图像处理技术中关于模糊图像复原算法做了探讨和研究，以及描述了该算法在本视频监控系统中的应用。

　　关键词： 嵌入式 Linux，ARM，视频监控，图像复原技术，mjpg-streamer.

Abstract

　　Linux and embedded systems are two important branches in the development of computer science and technology. In recent years, the embedded Linux system application which combined of both systems has been developing rapidly, it has become a hot spot in computer academic field. With the rapid development of multimedia, electronic and network technology, the development of video surveillance system has begun toward to digital, networked, embedded and intelligent direction. Due to small size,stable performance, low cost, convenient communication, embedded video surveillance system became widely used monitoring equipment in the current video surveillance field .

　　In this paper, on S3C2440 development platform,a network video monitoring system which can be accessed via WIFI and the WEB is designed and implemented based on embedded Linux system. And the discussion and study about fuzzy image restoration technology of digital image processing technology are given.

　　Firstly, this paper gives a brief introduction to the relevant knowledge of ARM processor, S3C2440mini development board, Linux operating systems, embedded Linux operating system and the underlying knowledge, the build of embedded Linux development platform and cross-compiler environment. Secondly, the paper describes the Boot Loader and its principle, Linux kernel compilation, the whole making process of the root file system, the u-boot kernel image programming and root file system, the method of programming Linux system to the development board. The CMOS camera driver is designed based on the embedded Linux system which is loaded into the system and running, and the WIFI module is loaded. The paper describes how to compile and install MJPG-streamer. A network video monitoring system which can be accessed through WIFI and WEB is implemented based on ARM9 processor as the core control on-chip system. Finally, the discussion and study about fuzzy image restoration algorithm of digital image processing technology are given. And application of the algorithm in this video surveillance system is described.

　　KeyWords: Embedded Linux, ARM, video monitoring, image restoration techniques, mjpg-streamer

　　视频图像能生动形象地描述客观事物，是具体的、直观的信息表达形式。随着互联网的发展和多媒体技术在互联网上的应用，实时传送音频、视频、多媒体动画等的流媒体传输技术成了近些年来的研究热点。

　　随着我国的经济、信息技术及网络技术的迅速发展，监控系统被广泛地应用到各行业中，监控系统不仅应用在通信、交通、安防等行业，它还逐步向其他行业，公众方向发展。 随着计算机、网络以及图像处理技术、传输技术的飞速发展，视频监控制技术也有长足的发展。

　　本课题以 ARM9 为硬件平台，构建一个开源的网络视频监控系统，并研究和探讨将数字图像处理技术应用到该系统中。目前，市场上的监控设备中普遍采用的前端摄像头主要是CMOS和CCD两种，CCD是集成在半导体单晶材料上的，制造工艺复杂，且技术比较成熟，无论是在感光度、解析度、曝光、色彩还原和噪点上都要优于 CMOS摄像头，但采用 CCD 的摄像头价格也相对昂贵，所以 CCD 一般用在数码设备上，譬如对成像要求很高的数码相机、高速摄影摄像机、光学遥测和频谱望远镜等，在监控领域，因其对工作环境要求高以及价格昂贵应用较少。而 CMOS 摄像头，是一种采用 CMOS 图像传感器的摄像头，其工作原理与 CCD 摄像头无区别。 CMOS 摄像头有低成本、低耗电、工艺简单以及高整合度的特性，随着制造技术不断地改良更新，CMOS 摄像头的成像质量不断提高，可见前景可期。但就目前而言，CMOS 摄像头的影像品质与 CCD 仍有差距，本课题便是利用低成本的 ARM 硬件平台和嵌入式 Linux操作系统、mjpg-streamer 等开源软件，结合数字图像处理技术，构建一个低成本、性能可靠的网络视频监控系统，旨在解决 CMOS 摄像头的影像质量因硬件特性和传输损耗导致清晰度下降，如何利用图像复原技术提高图像质量问题。如果能实现预期，那么在交通监控、安防等这种对监控图像清晰度要求极高的应用领域，其监控设备的投资成本将大大降低，对我国监控行业今后的发展有着重要意义。

　　ARM 公司是一家靠转让设计许可，专门从事基于精简指令集技术芯片设计开发的知识产权供应商；由于它本身不直接从事芯片生产，所以由世界各合作的大半导体生产商从 ARM 公司购买其设计的 ARM 技术授权，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，生产各具特色的 ARM 处理器进入市场；目前，得到 ARM 公司授权的大半导体公司多达几十家，间接使得 ARM 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，促成整个系统成本进一步降低，从而使 ARM 处理器更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力[1]。

　　ARM 公司最早开发产品被命名为 ARM1，是于 1983 年开始开发的。次年该公司便推出了第二款产品 ARM2，该芯片具备 32 位数据总线及 26 位的寻址空间，拥有64 Mbyte 的寻址范围。之后 ARM 家族系列产品越来越多，不断发展，从 ARM7 系列、ARM9 系列、ARM9E 系列到 ARM10E 系等，ARM 微处理器技术被广泛应用于便携式通信产品、手持运算、多媒体和嵌入式解决方案等领域，已成为 RISC 的标准。其中，ARM9 系列应用最广泛，本文中实验使用的 S3C2440 便是由三星公司推出的内核为 ARM920T 的 ARM9 家族成员，其为手持设备和普通应用提供了低功耗和高性能、降低整体系统成本的小型芯片微控制器的解决方案。

　　展望未来，由于 ARM 的商业模式是开放的，因此即使 Intel 携 Atom 战略进入小型芯片微控制器市场竞争，也难以对 ARM 构成威胁，因为世界上任何一家半导体厂商都可以购买 ARM 的授权。典型例子就是 2012 年 10 月 29 日 AMD 宣布：AMD 将会设计基于 64-bitARM 架构的处理器，并且目前 AMD 和 ARM 在服务器领域的合作已经得到了 Dell（戴尔）、HP（惠普）两大服务器厂商，以及服务器系统厂商 RedHat（红帽子）的鼎力支持，新的生态系统已具雏形，可见 ARM 未来发展和应用前景可期，研究以 ARM 为核心的应用系统是很有意义的。

　　嵌入式技术起源于上世纪 70 年代的微型机，与通用计算机不同，通用计算机系统硬件技术发展方向是总线带宽无限提升和存储容量无限扩大，不断提高处理器的效率以便适应高速的、海量的数值运算；而嵌入式计算机系统的技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力和控制的可靠性，其技术要求是对象的智能化控制能力[2]。从这点上看，嵌入式计算机系统是为了某种“专门的应用”而“嵌入”到对象中的计算机系统。其具有体积小、便携性、廉价、高速运算、高可靠性等特点。

　　随着这几年智能设备的爆炸性发展，国内外许多在电子信息和计算机行业颇具实力的公司也纷纷加入到以 ARM 处理器为核心的嵌入式系统的应用与研究中来。然而，国内在基于 ARM 的应用领域的研究与国外相比，还相对落后，在嵌入式技术领域，如果国内的公司想要提高国际竞争力，必须自行研发基于 ARM 的处理器核心和架构等。本文所使用的嵌入式 Linux 系统和 mjpg-streamer 都属于国外的开源软件，所以加快这方面的研究步伐迫在眉睫。

　　视频监控系统从上世纪 80 年代至今发展了近三十年，在国内外市场上，主要存在两种类别的监控系统产品，一类是数字控制的模拟视频监控，一类是数字化视频监控。前者技术成熟，性能稳定，被广泛应用于实际监控工程中；后者则是近些年随着计算机的发展而崛起的以计算机技术及图像压缩技术为核心的视频监控系统，并解决了模拟视频监控的不足，但技术尚未成熟，一直在发展中。数字化视频监控系统具有网络化和系统集成化的特点。从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式上打破了“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心”的结构，并向嵌入式方向发展。

　　第三代视频监控系统是完全 IP 视频监控系统（IPVS），与前面两种方案相比，全IP 视频监控系统的优势是内置了 Web 服务器，并直接提供以太网端口甚至 WIFI 模块。

　　摄像机生成 JPEG、MPEG4 或 H.264 数据文件，任何经授权客户机都可以从网络中任意位置访问、监视、记录和打印，真正实现了远程访问和控制。本文研究的网络视频监控系统，便是第三代视频监控系统 IPVS，以 S3C2440 开发板和嵌入式 Linux 系统为控制中心，实现一个基于 ARM9 处理器为核心的片上系统控制的，可通过 WIFI 和WEB 方式访问的嵌入式网络视频监控系统。

　　目前国内外对基于 ARM 的嵌入式网络视频监控系统的研究已经到了相当的高度，国内近几年这类研究论文和专着也非常多，但将数字图像处理技术应用到这种监控系统中的研究并不多。对图像的清晰度还依赖于前端摄像头的质量，所以对于广泛采用的低成本的 CMOS 摄像头的监控系统的图像质量的研究就很有必要。

　　数字图像处理技术最早应用于上世纪 20 年代的报纸业，利用 Bartlane 电缆图片传送系统传输图像，再由电报打印机采用特殊字符在编码纸带中产生数字图像，这中早期的数字图像处理复原改进工作，仅涉及到打印过程的选择和亮度等级的分布等问题。之后发展到支持一种基于光学还原的技术，于电报接收端采用穿孔纸带打印出图片，其色调和分辨率进步较明显。但是由于当时还没有发明出计算机，所以这种应用并没有考虑数字图像处理的结果，因为数字图象处理的历史是与数字计算机的发展是密切相关的。

　　在数字图象处理概念中，图像被定义为一个二维函数 f（x,y），当空间坐标点 x和 y 以及幅值 f 为有限的、离散的数值时，该图像为数字图像。而数字计算机本身就是个离散系统，所以，数字图象处理便指借用数字计算机来处理图像。事实上，数字图象处理需要强大的计算能力和存储量，因此，计算机技术的发展程度决定了数字图象处理技术的发展水平。

　　今天，数字图象处理技术的应用几乎涉及了所有的技术领域，无论是医学、商业广告、天文学观测、人造卫星、军事、报刊杂志、电影电视、监控行业等等。但无论如何，从数字图象处理技术的发展来看，不难看出，数字图象处理技术始终围绕着一个重要的问题展开——图像复原技术！由于设备、系统和传输介质本身存在的缺陷，一副描述真实事物的图像在经过数字化处理后或多或少会与我们的视觉感受到的真实事物有偏差，即失真：或者模糊、或者有色差等等。

　　数字图像复原技术不同于图像增强技术，图像增强是一个主观过程，而图像复原大部分过程是一个客观过程，图像复原的最终目的是改善给定的图像。它试图利用某种先验的知识来重建或复原被退化的图像，即把图像退化模型化，再采用相反的过程进行处理，以便复原出原来的图像。

网络视频监控系统开发：

CMOS CAMERA接口及定义

配置CMOS摄像头驱动（1）

配置CMOS摄像头驱动（2）

配置USB无线网卡驱动（1）

配置USB无线网卡驱动（2）

配置USB无线网卡驱动（3）

配置USB无线网卡驱动（4）

配置USB无线网卡驱动（5）

嵌入式网络视频监控系统硬件组成实物图

使用MiniTools烧写引导装载程序

启动MJPG-streamer

通过WEB浏览器访问MJPG-streamer

目录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 本课题研究目的及意义
　　　　1.2 本课题研究背景与现状
　　　　1.3 数字图像复原技术
　　　　1.4 本文主要研究内容
　　第二章 基于 ARM 核心的嵌入式视频监控系统分析
　　　　2.1 ARM 简介
　　　　2.2 ARM 微处理器结构
　　　　　　2.2.1 RISC 体系结构
　　　　　　2.2.2 ARM 微处理器的指令结构
　　　　　　2.2.3 ARM 微处理器的寄存器结构
　　　　2.3 基于 S3C2440A 的 mini 开发板
　　　　　　2.3.1 mini 2440 开发板介绍
　　　　　　2.3.2 Mini2440 开发板地址空间分配和片选信号定义
　　　　2.4 Linux 操作系统
　　　　　　2.4.1 Linux 的特点
　　　　　　2.4.2 Linux 操作系统的组织结构
　　　　2.5 基于 ARM 的嵌入式 Linux 系统
　　　　2.6 基于 ARM9 的嵌入式 Linux 网络视频监控系统需求分析与设计
　　　　　　2.6.1 系统总体结构设计
　　　　　　2.6.2 嵌入式网络视频监控系统设计方案
　　　　2.7 本章小结
　　第三章 嵌入式 Linux 系统开发环境搭建与移植
　　　　3.1 嵌入式 Linux 开发环境搭建
　　　　　　3.1.1 宿主机操作系统版本选择
　　　　　　3.1.2 交叉编译环境的建立
　　　　3.2 编译 Boot Loader
　　　　　　3.2.1 Boot Loader 概述
　　　　　　3.2.2 U-boot 编译移植
　　　　3.3 配置编译内核
　　　　3.4 建立根文件系统
　　　　3.5 本章小结
　　第四章 嵌入式 Linux 网络视频监控系统的实现
　　　　4.1 文件系统和设备驱动的关系
　　　　4.2 Linux 系统设备驱动加载
　　　　　　4.2.1 基于 S3C2440 的 CMOS 摄像头驱动程序的分析与设计
　　　　4.3 在内核中配置加载相关的设备驱动
　　　　　　4.3.1 配置 CMOS 摄像头驱动
　　　　　　4.3.2 配置 USB 无线网卡驱动
　　　　4.4 嵌入式网络视频监控系统硬件连接
　　　　　　4.4.1 烧写 Boot Loader
　　　　　　4.4.2 引导嵌入式系统内核映像
　　　　　　4.4.3 安装 CMOS 摄像头
　　　　4.5 安装 MJPG-streamer 视频服务器软件
　　　　　　4.5.1 video for Linux2 与嵌入式 WEB 服务器 boa
　　　　　　4.5.2 MJPEG-streamer 服务器软件安装
　　　　4.6 本章小结
　　第五章 模糊图像复原技术在视频监控中的应用研究
　　　　5.1 图像复原技术
　　　　5.2 Sobel 边缘检测算子
　　　　5.3 维纳滤波复原技术
　　　　5.4 图像复原技术在嵌入式 Linux 网络视频监控系统中的应用
　　　　5.5 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　致谢

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