基于ARM和Linux的网络视频采集传输方案的设计和实现 刘宇;车进
【摘 要】针对现有的视频采集设备占用较多空间,而且需要使用专用资源的情况,设计了一个基于嵌入式的网络视频采集传输方案.该方案采用ARM11为核心处理器,嵌入式Linux为软件平台,搭建嵌入式平台.将视频服务器MJPG-streamer移植到该嵌入式平台,实现图像的采集、压缩和传输,使用者可在Web浏览器中观察到远端的实时视频画面.实验结果表明,该方法能够很好地采集、处理和发送视频,实现远程观察实时的视频画面,且设备占用空间较小. 【期刊名称】《宁夏工程技术》
【年(卷),期】羽毛球发球机2014(013)001
【总页数】4页(P30-32,36)
【关键词】嵌入式系统;Linux;MJPG-streamer;视频图像采集
【作 者】usb flash刘宇;车进
【作者单位】宁夏大学物理电气信息学院,宁夏银川 750021;宁夏大学物理电气信息学院,宁夏银川 750021
【正文语种】中 文
【中图分类】TN919.8;TP368.1
在日常生活中，视频采集的应用场合很多，诸如门禁、安防、远程视频会议等.现有的视频采集设备，模块较多，在使用中要占用很多空间.因此，本文提出了一种基于B/S结构的嵌入式Linux的网络视频采集传输方案，该方案取代了以前占用空间较多的视频采集设备，而将图像采集、图像的压缩和编码以及网络传输集成到一个体积小、占用资源少的嵌入式系统中，通过远端的浏览器观察视频画面.
1 总体设计
本方案采用飞凌嵌入式公司出品的ARM11开发板TE6410作为硬件平台，Linux操作系统作为软件平台，通过USB摄像头采集图像，然后利用MJPG-streamer视频流服务器及其相关插件获取、处理图像[1]，并通过网络发送到用户平台，用户可以通过浏览器查看视频.方案 整体结构见图1.
图1 方案整体结构图
2 方案硬件设计
本方案主要采用ARM11开发板TE6410、USB摄像头和一台计算机.TE6410开发板搭载了三星公司出品的s3c6410核心板，主频高达533MHz，配有256 MB的DDR内存和4GB的NAND FLASH.TE6410开发板有3个串口，一个LCD扩展口，一个100 M网口.它标配的USB Host插口和USB Slave插口均为2.0标准，采用8位拨码开关选择不同的启动方式.外部扩展端口包括一个SD卡槽，一个Wi-Fi扩展接口，以及摄像头接口和J-TAG接口等.USB摄像头采用罗技公司的C270网络摄像头.采用一台运行Ubuntu12.10操作系统的计算机作为用户平台.方案硬件结构见图2.
图2 方案硬件结构图
3 方案软件设计
嵌入式软件开发
本方案软件设计主要包括U-Boot，Linux内核，rootfs.yaffs2，MJPG-streamer软件的修改和移植[2].方案软件框图见图3.
U-Boot是在操作系统运行之前运行的一段小程序,用来完成硬件设备的初始化，从而将系统软硬件环境带到合适状态，为最终调用操作系统做好准备.编译好的U-Boot可以在TE6410开发板附带的光盘里到.
脱水拖把Linux内核采用3.0.1版本，该版本的内核包含USB摄像头的驱动和V4L2驱动框架[3].当内核烧写到开发板中，插上USB摄像头便自动识别.
本方案采用rootfs.yaffs2作为TE6410的文件系统.rootfs.yaffs2是一个专门为NAND FLASH存储器设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备，而且它是开源软件，所以采用rootfs.yaffs2作为文件系统[4].
MJPG-streamer是一个开源项目，通过支持Linux-UVC的网络摄像头采集JPEG图像，并且将采集到的图像流式传输成为M-JPEG视频流，通过网络传输给浏览器.它是一个可移植的Linux-UVC流媒体应用.之前，国外的嵌入式爱好者将MJPG-streamer项目移植到了Mini24
40平台，并设立了一个名为mjpg-streamer-mini2440的开源项目.基于TE6410开发板，笔者在mjpg-streamer-mini2440开源项目的基础上进行拓展，使之能够移植到TE6410开发板上正常使用.
图3 方案软件框图siv 011
3.1 交叉开发环境的搭建
TE6410开发板采用U-Boot作为引导程序、嵌入式Linux系统镜像（版本号为3.0.1）和rootfs.yaffs2文件系统.将这3个文件从开发板附带的光盘里复制到SD卡中，SD卡插入开发板的SD卡槽，开发板设置为SD卡启动模式，启动开发板一键安装嵌入式Linux系统.
交叉开发环境需要Linux桌面系统，选用Ubuntu12.10.首先在计算机安装VMware8.0虚拟机，在虚拟机中安装Ubuntu12.10；再在Uubuntu12.10中安装交叉编译工具链Arm-Linux-Gcc-4.3.2；之后使用VMware8.0自带的VMware-Tools实现虚拟机和主机的文件共享；最后将虚拟机设置为桥接方式使之能够上网，并将虚拟机和开发板设为同一网段后使用ping命令将虚拟机和开发板连通.
恒温室3.2 MJPG-streamer移植过程
将MJPG-streamer视频流服务器移植到TE6410开发板上运行，从而实现图像采集和网络传输，具体移植过程如下：
(1)下载mjpg-streamer-mini2440项目源代码：mjpg-streamer-mini2440-read only，并放在ubuntu的一个文件夹中（比如/mnt/webcamera文件夹）.
(2)进入 webcamera文件夹中，用 VI编辑start_uvc_yuv.sh 的内容[5]：
执行以下命令进行编译链接并打包[6]：
在当前目录下会生成
经过以上步骤，已将参数配置成适合TE6410开发板和USB摄像头的环境，将它复制到SD卡中.
(4)在TE6410开发板上安装MJPG-streamer.将SD卡插入开发板的SD卡槽里，在开发板的终端输入以下命令安装MJPG-streamer：
3.3 M-JPEG压缩算法研究与实现
M-JPEG视频编码格式,把运动的视频序列当作连续的静止图像来处理，该压缩方式单独完整地压缩每一帧，在编辑的过程中可随机存储每一帧，可进行精确到帧的编辑.其主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩.M-JPEG单帧压缩算法为JPEG算法，即把一幅图像分成8×8的方阵之后进行离散余弦变换（DCT）.离散余弦变换是将光强数据转换成频率数据，从而得知强度变化情况.因为人类视觉系统对图像的低频成分比对高频成分有更高的敏感度，因此如果对图像的高频成分进行量化，再还原成光强数据，尽管与原图像有些差异，但人眼难以分辨[7].JPEG压缩是有损压缩，损失的部分是人类视觉不容易觉察到的高频成分，节省大量需要处理的数据信息.以下就是JPEG所使用的二维DCT公式
式中：f(i,j)为像素值，F(u,v)为变换系数，u,v为系数下标.
在压缩时，将原始图像分成很多个8×8像素的图像数据块.之后，通过零均值化，将每个字节的值从0～255转为-128～+127，并以此作为离散余弦正变换FDCT(Forward DCT)的输入.FDCT将每个数据块的值换为64个DCT系数,第1个系数称为直流系数,而其余63个系数则
称为交流系数.在解压缩时,经逆向IDCT(Inverse DCT)将64个DCT系数还原为8×8像素的数据块,然后组成完整图像[8].
4 方案测试
USB摄像头插入开发板的USB Host端口，开发板上电.首先，在超级终端下进入TE6410开发板，使用ping命令将虚拟机和开发板连通.之后，启动开发板上的服务器端.此时，MJPG-streamer启动，并且其输入组件通过USB摄像头采集JPEG格式的图像，保存到内存中；网络服务器输出组件能够从内存中获取JPEG格式的图像，并将图像流式传输成为M-JPEG视频流，通过网络服务器发送给计算机.在虚拟机的Web浏览器中输入开发板IP地址发出访问请求，服务器收到访问请求后与客户端建立连接并将视频数据发送到客户端监听端口，用户可以在虚拟机的Web浏览器中观察到实时的视频画面.测试在Ubuntu12.10操作系统下完成，采集原始图像的格式为YUYV，分辨率为640×480，转换成JPEG格式图片的压缩率为0.8∶1.在此测试环境中，视频画面清晰、流畅，实时性好.本方案的测试对照结果见图4，图4a是开发板的液晶屏上显示的YUYV格式图像，图4b是用户平台的Web浏览器中显示的JPEG格式图像.
图4 方案的测试对照结果
5 结语
本方案使用支持Linux-UVC的USB摄像头采集图像，采用飞凌公司出品的ARM11开发板TE6410和嵌入式Linux操作系统处理图像，通过移植MJPG-streamer视频流服务器，实现基于网络的视频采集传输.本方案是一种结构紧凑、占用空间很小的网络视频采集传输方案，不仅USB摄像头非常容易获得，而且充分利用现有的网络资源，不必使用额外的设备或资源.本嵌入式视频采集传输方案将在视频会议、交通监控等方面有很好的应用前景.
豫公网安备41160202000603
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