1、 大學畢業設計（論文）開題報告一、課題任務與目的1、課題任務圖像采集系統作為一種比較通用的圖像采集裝置，在各個行業有著廣泛應用，本題目設計以嵌入式系統為核心的圖像采集系統，具有一定的通用性。基本要求：設計系統的總體方案。設計圖像傳感器與嵌入式系統的接口。設計圖像采集和存儲的軟件。部分實驗及調試。 撰寫畢業設計論文，答辯。2、課題目的嵌入式是當今最為熱門的概念之一，嵌入式系統是指以應用為核心，以計算機技術為基礎，軟硬件可剪裁，對功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴格要求的專用計算機系統。其應用已經滲透到各個領域，無論是在工業控制、交通管理、信息家電、安防，還是個人手持設備，都有著非常廣泛的應用。而

2、且，隨著智能化、信息化和網絡化發展，“后PC時代已經來臨，這預示著嵌入式系統技術將會獲得更為廣闊的發展空間。例如，在通信領域，數字技術正在全面取代模擬技術：在廣播電視領域，美國已經開始實施模擬電視數字化，我國在2015年之前，也將會全面實現數字電視；在個人領域，各種嵌入式產品也將為個人提供移動數據處理和網絡通信等功能。而這些都離不開嵌入式技術的應用。視頻監測是安全防范系統的重要組成部分，它是一種防范能力較強的綜合系統。視頻監測以其直觀、準確、及時和信息內容豐富而廣泛應用于許多場合。近年來，隨著計算機網絡以及圖像處理、傳輸技術的飛速發展視頻監測技術也有了長足的進步。正是由于數字視頻監測具有傳統模

3、擬監測無法比擬的優點，而且符合當前信息社會中數字化、網絡化和智能化的發展趨勢，所以數字視頻監測正在逐步取代模擬監測，廣泛應用于各行各業。對于本畢設的研究，即對結合了嵌入式、網絡、圖像處理和傳輸技術于一體的嵌入式網絡視頻圖像監測系統的研究，意義是明顯的。不但有助于我們解決傳統監測系統的缺點，提高監測系統功能，而且更是有實際意義，例如國內城鎮化與城市建設、安全事故頻發地區，智能家居和病人監測等，這些方面都需要有新一代的監測系統保證。本畢業設計主要是針對病人監測而提出的初步解決方案。 二、調研資料情況1、國內外現狀 視頻監測系統現狀視頻監測系統發展了短短二十幾年的時問，從最早的模擬檢測到前些年的數字

4、監測，再到現在方興未艾的網絡視頻監測，發生了翻天覆地的變化。從技術角度出發視頻監測系統的發展劃分為三代：傳統的模擬信號視頻監測這類系統主要是以模擬設備為主的閉路電視監測系統，圖像信息以模擬信號在視頻電纜中傳輸，一般傳輸距離不能太遠。本地模擬信號監測系統主要由攝像機、視頻矩陣、監視器、卡帶式錄像機(VCR)等組成，利用視頻傳輸線將來自攝像機的視頻連接到監視器上，利用視頻矩陣主機，采用鍵盤進行切換和控制，錄像采用使用磁帶的長時間錄像機。主要應用于安保、生產管理場合等小范圍內的監測。這種方式傳輸距離有限，無法入網、監測方式單一以及存儲信號耗費大量存儲介質等缺點。 基于PC的多媒體監測20世紀90年代

5、中期，基于PC的多媒體監測隨著數字視頻壓縮編碼技術的發展而產生，PC機的普及也推動了此類技術的發展。系統在遠端有若干個攝像機、各種視頻采集設備，獲取圖像信息，經過視頻壓縮卡處理，通過通信網絡將這些信息傳到監測中心。這類監測系統功能較強，便于現場操作，但穩定性不夠好，結構復雜，視頻前端(如CCD等視頻信號的采集、壓縮、通信)較為復雜，可靠性不高，功耗高，費用高；需要有多人值守；同時，軟件的開放性也不好，傳輸距離明顯受限。PC機也需專人管理，特別是在環境或空間不適宣的監測點，這種方式不理想。 基于嵌入式的網絡視頻監測視頻監測系統越來越多的應用于各個領域，比如，智能小區、銀行的安全監測，醫院病房的監

6、護，工廠車問的現場視頻監測以及應用于遠程網絡實驗中觀看實驗設備、觀看操作、查看實驗結果等等。對于視頻監測系統的要求也是越來越高：實時性好、可靠性高、操作簡單、可以接入網絡。這樣的數字化、網絡化、低成本的視頻監測系統的開發與設計正受到重視。20世紀90年代末，隨著計算機、網絡、電子與通信、圖像處理等技術的飛速發展，基于嵌入式技術的遠程網絡視頻監測技術應用而生。這類視頻監測系統集中了多媒體技術、數字圖像處理、網絡傳輸、嵌入式等最新技術。第三代視頻監測技術不僅僅可解決圖像傳輸、遠程控制、現場信號采集等監測功能，還可提供高質量的監測圖像和便捷的監測方式。它的主要原理是：嵌入式服務端采用微處理器和嵌入式

7、實時操作系統，結合網絡技術，將采集來的視頻圖像經過壓縮處理，傳輸到網絡，實現網絡視頻監測。嵌入式視頻監測系統以其小巧、靈活、低成本、性能穩定、高性能的特點而獨具優勢，結合TCPLP技術，通過建立CS或者BS工作模型來實現網絡視頻監測。這類系統可以直接連入以太網，具有靈活方便、即插即看等特點。嵌入式視頻服務器、網絡攝像機以及嵌入式 DVR 正是這類視頻監測產品的代表。 嵌入式網絡視頻監控系統優點嵌入式網絡視頻監測系統與其它監測系統相比較，具有如下優點： 嵌入式網絡視頻監測系統實際上是基于TCP/IP網絡技術開發出來的，直接連入網絡，即插即看，擴大布控地域，而且增加設備只是IP地址的擴充，方便使用

8、、節省成本。嵌入式視頻監測系統采用嵌入式實時多任務操作系統，系統的實時性、穩定性、可靠性大大提高，也無需專人管理，非常適合于無人值守的環境。基于網絡的特性可以使得監測更為靈活，隨時隨地得到現場的情況，通過聯網可以使得攝像機具備了強大的功能，成為許多場合的監測手段。由于網絡的雙向傳輸特性，還可以通過控制與攝像機相連的云臺來實現攝像機的全方位監測，通過網絡對現場進行控制，還可以通過適當的圖形分析辨識方法，實現對監測現場異常情況的實時監測報普，以及對目標的追蹤等。2、視頻監測系統的發展方向視頻監測正從以前的模擬監測到現在的數字監測；從現場監測到遠程監測；從有人值守監測到現在的無人值守監測，視頻監測詎

9、朝著數字化、網絡化、集成化的嵌入式視頻監測方向蓬勃發展。數字化是網絡化的前提，網絡化又是系統集成化的基礎，所以，視頻監測發展的最大兩個特點就是數字化和網絡化。數字化是21世紀的特征，是以信息技術為核心的電子技術發展的必然。系統的網絡化在某種程度上打破了布控區域和設備擴展的地域和數量界限。系統網絡化將使整個網絡系統硬件和軟件資源的共享以及任務和負載的共享，這也是系統集成的一個重要概念。3、目前視頻監測系統國內外常見方案設計目前，國內外對基于嵌入式網絡視頻監測系統的研究，一般集中于嵌入式視頻監測系統的設計、嵌入式操作系統的研究、視頻圖像的網絡傳輸以及視頻圖像處理等幾個方面。在嵌入式視頻監測系統設計

10、方面一般是考慮系統的整體結構和功能，例如小型網絡攝像機，系統由圖像傳感器、嵌入式處理器、圖像處理器、網絡接口組成，通過壓縮優化算法和背景差分算法可以使攝像機實現實時的圖像壓縮、傳輸，并能跟蹤目標，該系統的主要特點是實時性的提高；在嵌入式操作系統方面，一般集中于嵌入式操作系統在視頻監測系統中的應用研究，例如在嵌入式Linux下對視頻采集設備驅動程序的研究等；在對視頻圖像網絡傳輸的研究中，例如。有在IP組播方式下的網絡視頻傳輸方案，可以大大的節約網絡帶寬，提高視頻的播放效率或者采用流媒體的格式傳送視頻圖像數據，可以更好的實現視頻的傳輸及播放等；在視頻監測領域關于視頻圖像處理的研究一般是通過一定的圖

11、形分析算法，實現目標識別，目標跟蹤，以及報警等功能。例如利用背景差分算法在圖像處理中，控制運動模塊使攝像機可以跟蹤信息庫中的目標網等。隨著壓縮編碼技術、計算機網絡技術和嵌入式系統的發展，以嵌入式視頻服務器為核心的視頻監測系統開始在市場上嶄露頭角，該系統不需要處理模擬視頻信號的PC，而是把攝像機輸出的模擬視頻信號通過內置的嵌入式視頻編碼器直接轉換成數字信號，通過計算機網絡傳輸出去，嵌入式視頻服務器具備視頻編碼處理、網絡通信、自動控制等強大功能，直接支持網絡視頻傳輸和網絡管理，使得監測范圍達到前所未有的廣度。目前，國內在這方面的研究剛剛起步，隨著數字技術的發展、圖像數字壓縮編碼技術及標準的改進、芯

12、片成本的不斷下降、從事研究的單位越來越多。現階段，嵌入式網絡視頻監測系統的解決方案主要有以下幾種： 視頻采集芯片+DSP處理器。該方案中由視頻采集芯片完成圖像的預處理，由DSP完成圖像的編碼：基于MPEG-4、H.263或MJPEG標準的壓縮，經以太網網絡傳輸。方案的主要缺點是控制不夠靈活，不適合作系統控制，因為DSP通常沒有強大的操作系統。 DSP處理器+嵌入式處理器。該方案采用由DSP完成基于MPEG-4、H263或MJPEG標準的圖像壓縮，在嵌入式處理器上運行嵌入式OS(如嵌入式Linux OS)進行系統控制和網絡傳輸。方案的主要缺點是：由于有兩個主要的芯片，設計、調試、使用較難，系統成

13、本偏高。 圖像采集芯片+嵌入式處理器。該方案中，在嵌入式處理器上運行嵌入式OS(如嵌入式Linux OS)進行系統控制和網絡傳輸。方案的主要缺點是：缺乏強大的圖像處理能力，很難滿足高實時性要求。 其他方案。DSP中央處理器完成圖像圖像壓縮編碼、編碼數據網絡傳輸和本地存儲，采用CPLD完成圖像采集的控制邏輯的脫機遠程視頻監測方案。4、調研及參考資料1 方彥軍. 嵌入式系統原理與設計，國防工業出版社2 趙燕. 傳感器原理及應用， 北京大學出版社3 伊拉希 (美)(ElahiA.). 網絡通信技術，科學出版社，4 任哲. 嵌入式實時操作系統uC/OS-II原理及應用(第2版)，北京航空航天大學出版社

14、5 張綺文. 解書剛.ARM嵌入式常用模塊與綜合系統設計實例精講（第2版）, 電子工業出版社6 劉文耀. 數字圖像:采集與處理, 電子工業出版社7 王晨營，時良平 智能 家居監測系統的設計 科技創新導報 2008年lO月8 許雪梅，周文，徐蔚欽，黃帥 基于ARM9+LINUX的無線視頻監控系統的設計 刊名:計算機測量與控制 年，卷(期)： 2010,18(11)9 王戩，王耀青 WinCENet系統下的usb camera驅動程序開發刊名：微機算機信息 200810 李侃，廖啟征 基于S3C2410平臺與嵌入式Linux的圖像采集應用刊名：微計算機信息 年，卷(期)： 2006(8)11 錢華

15、明， 劉英明，張振旅 基于S3C2410嵌入式無線視頻監控系統的設計 刊名：計算機測量與控制 年，卷(期)： 2009,17(6)三、初步設計方法與實施方案1、系統的總體方案設計整個系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由主控制板模塊、攝像頭采集模塊、傳輸模塊和視頻監控PC等組成。軟件部分由linux2.6.12內核、攝像頭驅動、網卡驅動以及視頻系統組成結構如圖1所示。首先，通過攝像頭采集程序對圖像進行采集，并通過攝像頭中的DSP芯片對圖像進行JPEG壓縮，然后通過USB將采集到的數據發送到主控制板上，主控制板上對接收到的數據進行處理及存儲，當需要對視頻進行監控時，主控制板再運行圖像的發送程序通

16、過網卡將圖像發送出去，最后我們通過接收程序使用另一個網卡對圖像進行接收，最終顯示在windows PC顯示屏中。 圖1 總系統構成2、硬件設計將飛凌公司的FL2440開發板作為主控制板，使用USB攝像頭進行圖像的采集，作為采集模塊，并通過USB傳輸到主控制板。傳輸模塊使用有線（無線）網卡，采用IEEE 802.3x以太局域網技術，進行數據的接發。宿主機通過串口與開發板相連，對其進行控制及程序的調試。整個硬件設計如圖2所示。 圖2 系統硬件圖 主控制板主控制板芯片采用飛凌公司的FL2440開發板,內部集成了三星公司ARM920T內核的1632位RISC嵌入式微處理器S3C2440，主頻高達400

17、MHz，能夠完成JPEG軟件圖像壓縮以及USB數據傳送的要求。FL2440內置豐富的外設資源，其中包括256MB NAND Flash、64MB SDRAM，串口和USB等接口控制電路數字攝像頭選用中星微的ZC301PH 攝像頭，內部有AD轉換芯片和DSP芯片，攝像頭輸出的是JPEG流，最大分辨率能達到640480，支持的最小分辨率為160X 120。當圖片大小設置成640480，調色板設置成YUV420P時，經攝像頭內部DSP處理后，輸出JPEG流，圖像數據量大為減少，加快了USB輸出到處理器的速度。3、軟件設計因開發應用環境是在嵌入式Linux系統下進行的，所以首先需要將嵌入式Linux的

18、環境搭建好，應用程序開發的過程中，才能夠進行編譯、調試和運行。 嵌入式Linux環境的建立本文選用的是FL2440開發板，飛凌公司已給了建立嵌入式Linux環境所需要的開發包，我們依次對uboot，kernel，cramfs文件系統進行交叉編譯后，通過USB下載到開發板上，有效地對開發板進行控制和調試。攝像頭驅動和網卡驅動的移植將開發板自帶的有線網卡驅動源代碼以及在網上將萬能usb攝像頭驅動程序源代碼gspcawebcam drivers下載下來，gspcawebcam drivers 是linux下攝像頭支持的最廣泛的一個驅動, 這是由一個法國醫生(HYPERLINK :/mxhaard.f

19、ree.fr/ t _blank)所設計編寫的開源驅動，針對FL2440開發板修改后，把它們放在相應的內核目錄下，修改相應的Kconfig，Makefile和編譯器，內核選項等修改后，通過make menuconfig命令進入內核配置界面，選擇模塊的方式，重新編譯內核，最終得到它們相應的驅動(ko文件)。基于V4L的視頻采集程序視頻采集是整個視頻采集模塊的核心。Video4Linux(簡稱V4L)是Linux專門針對視頻設備提供的應用程序接口，是Linux對視頻設備的內核級驅動。通過它可以執行打開、讀寫及關閉等操作。視頻采集程序的流程如圖3所示。 圖3 視頻采集流程圖Video4Linux的結

20、構體struct v4l_struct包括以下變量struct video_capability描述了設備名稱，可支持的分辨率、信號源等攝像頭的基本信息，通過ioctl函數的VIDIOCGCAP命令獲得這些基本信息；struct video_picture描述了設備采集圖像的各種屬性，這些屬性可通過ioctl函數的VIDIOCGPICT命令獲得，使用VIDIOCSPICT可改變圖像的屬性；struct video_mbuf包含了利用內存映射獲取數據時的幀信息，它可使用VIDIOCGMBUF獲取；命令VIDIOCAMCAPTURE和VIDIOSYNC，分別用于獲取視頻圖像、判斷圖像是否截取成功。

21、在V4L中有兩種方式采集視頻：用read()函數直接讀取方式；用mmap()函數內存映射方式截取視頻。mmap()函數通過系統調用使得進程之間通過映射同一個普通文件實現共享內存，本系統采用內存映射方式。USB攝像頭在Linux中的設備文件名為/dev/video0，視頻采集程序便是針對此設備名操作。加載驅動后，利用pthread_create()函數創建采集線程wl，調用open()函數打開設備，調用成功表示捕獲了視頻硬件返回其描述符；利用ioctl中的VlDIOCGCAP命令獲取設備文件的相關信息，VIDIOCGPICT讀取采集圖像的屬性，使VIDIOCSPICT，以及修改v_mmap中關于圖像幀的設置等操作，對設備進行初始化設置。完成后，使用VIDIOCAMCAPTURE捕獲視頻圖像，通過VIDIOSYNC命令判斷圖像采集成功后，繼續下一幀數據的采集。 網絡傳輸程序本文選用的是基于802.3