基于ARM的嵌入式移动视频监控系统.docx
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基于ARM的嵌入式移动视频监控系统
项目
编号
申请人对研究项目简要说明
一、申请理由(包括前期工作基础及项目成员具备的知识、兴趣、已取得的成绩及相关科研经历等)
随着社会的不断发展和人民生活水平的不断提高。
日常生产生活的安全问题越来越受到重视。
视频监控成为解决安全问题的主要手段之一,它以直观形象和信息内容丰富而被应用于许多场合。
在这些场合中,我们见到的大多监控终端是不能移动的,也就是说是有线的。
然而很多场合,由于受客观条件的限制,人们不可能经常亲临现场进行直接观察,采用嵌入式视频监控系统可以从根本上解决这一问题。
安检人员可以携带我们所开发的手持监控终端,在无线网络覆盖的范围内,随时随地的进行监控,这样节省了大量的人力、财力,能更好的应对突发事件。
在信息化时代的今天,计算机网络技术、嵌入式技术、微电子技术和通信技术的迅速发展。
极大的推动了嵌入式视频监控技术的不断发展。
我们对这些技术很感兴趣,时刻关注着它们的发展动态。
相同的兴趣、共同的理想、不懈的追求、无尽的激情把我们紧紧地捆在了一起。
我们综合应用所学的电路基础、模电、数电、大学物理、信号与系统、电力电子技术、C++、高数、线性代数等基础课程,并利用暑假假期学习和查阅了大量的有关嵌入式的基本理论和实验基础,掌握了大量的实用性很强的知识。
我们不仅先后看了《Linux开发基础》、《Linux指令大全》、《经典硬件设计介绍》、《makefile大全》、《嵌入式Linux开发环境搭建》、《Linux软件开发》、《ARM嵌入式Linux系统》等理论知识,而且还做了《经典6410实验指导书》上的十一个实验,并做了Linux开发基础实验、U-Boot移植实验、内核移植实验、根文件系统等等实验。
通过这么多的理论加实践的学习,我们对嵌入式系统有了更深层次的理解。
我们小组的所有成员成绩优异,有的还获得了奖学金,都顺利的通过了国家计算机二级考试和英语四级考试。
不仅如此,基于对知识的渴望我们都拥有着广泛的兴趣,积极参加学校的各项活动并获得一定的奖项(参加的“收音机组装大赛”中获得了一等奖),并在忙碌的学习中挤出时间涉猎大量的图书,遨游于知识的海洋中,开阔视野,充实大脑。
我们充满自信地走上这个舞台,满怀激情的迎接每一个挑战,战胜失败,汲取教训,团队合作,定会在属于我们的舞台上舞出美丽的舞姿。
二、选题依据(包括项目的学术价值、应用价值、国内外研究现状分析,并列出主要参考文献)
学术价值:
针对现在的监控系统存在的一些问题,我们着手研究新的监控系统,基于嵌入式网络数字视频监控系统提高了接收终端的可移动性,显得更加的灵活快捷。
基于嵌入式网络数字视频监控系统主要分三个部分:
视频的采集和处理、数据的无线传输、手持终端的接受和处理
视频的采集模块和手持终端模块都是基于ARM11构成的,改变了传统的基于微机平台的机制,节省了大量的资源。
数据的无线传输是通过无线局域网来传输数据,改变了原来的有线的方式,节省了资源和空间,维护起来也比较方便,而且维护费用低。
基于嵌入式网络数字视频监控系统把嵌入式技术和视频采集压缩编码技术及无线网络传输技术结起来,改变了以往监控系统的模式和结构,将推动监控技术及设备的发展,具有重要的学术价值。
应用价值:
目前,企业集团、学校、工厂、银行、小区、超市等场所都需要更为先进的视频监控系统。
因此基于嵌入式网络数字监视系统具有很大的应用价值。
与传统的基于微机平台的多媒体监控系统相比,基于嵌入式网络数字视频监控系统具有很多的优点。
改变了以前的呆板的“蹲牢式”的监控方式,本系统的实现从而提高了监视的可移动性,监控人员可以随时随地的查看任一监视点的实时情况。
另外本系统的扩展能力强,只要有网络覆盖的地方都可以扩展监视点。
维护费用较低。
基于嵌入式网络数字视频监控系统引领了科学技术的发展潮流,具有广大的发展和应用前景,是监控系统的发展方向。
本系统的研究具有很大的应用价值。
国内外研究现状:
目前国内外的视频监控系统主要包括三种:
模拟视频监控、基于微机平台的多媒体监控,和基于嵌入式网络视频服务器的网络化数字视频监控。
1、模拟视频监控系统
模拟监控系统发展较早,是第一代监控系统。
其主要构成是:
摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等。
这个时期的监控系统具有以下的特点:
视频和音频信号的采集、传输、存储均为模拟形式,质量最高,同时经过几十年的发展,技术越来越成熟,系统功能强大、完善,然而模拟视频系统却存在着一些问题:
它只适用于较小的地理范围,与信息系统无法交换数据,监控仅仅限制于监控中心,应用的灵活性较差,而且不易扩展。
2、基于微机平台的多媒体监控系统
多媒体监控系统完全冲破了传统模拟监控系统的框框,它以高性能的多媒体监控机位核心,采用模块化结构,主控端的全部设备集成于一体,另外,该系统还具有友好的人机交互界面和基于网络的多级分控能力,每一级都有自我管理和控制的功能,并可以受上一级的控制。
DVR(DigitalVideoRecorder,数字视频录像机)是第二代多媒体监控系统的核心产品,采用微机和windows平台,在计算机中安装视频压缩卡和相应的DVR软件,不同型号视频卡可连接1\2\4路视频,支持实时视频和音频,是第一代的升级实现数字化的可选方案。
多媒体监控系统的特点:
视频、音频信号的采集、存储主要为数字形式,质量高,功能更为强大、完善,与信息系统可以交换数据,应用的灵活性好。
DVR系统从监控点到监控中心为模拟方式传输,与第一代系统相似存在许多的缺陷,要实现远距离视频传输需要铺设光缆、在光缆两端安装视频光端机设备,系统成本高,不易维护、且维护费用较大。
3、基于嵌入式网络数字视频监控系统
网络数字视频监控将传统的模拟视频信号转换为数字信号,通过计算机网络来传输,通过智能化的计算机软件来处理。
系统将传统的视频、音频及控制信号数字化,以IP包的形式在网络上传输,实现了视频\音频的数字化、系统的网络化、应用的多媒体化以及管理的智能化。
基于嵌入式网络数字视频监控系统与第一、第二代系统相比,具有以下一些明显的优势:
利用现有的网络资源,不需要为新建监控系统铺设光缆、增加设备,轻而易举地实现远程视频监控;系统扩展能力强,只要有网络的地方增加监控点设备就可以扩展新的监控点;维护费用低,网络由网络提供商提供,前端设备是即插即用、免维护的系统;系统功能能力强大、数字化录像方便于保存和检索。
在网络中的每一台计算机,只要安装了客户端软件,给予相应的权限就可以成为监控工作站。
据调查,目前企业集团用户、学校、工厂、小区等地点所用的监控系统绝大多数都是“蹲牢式”的,即采集来的数据通过有线网络传输到机房,机房电脑再经过视频的相关简单处理显示在电脑屏幕上,需要值班人员需要一直地待在监控室里,不能离开,很不方便。
因此设计基于嵌入式的可移动无线视频监控系统具有非常广阔的市场前景和需求。
本创新性试验结合了嵌入式技术和视频通信技术,在无线局域网环境下建立了移动视频监控系统,为客户提供质量高,实时性视频图像。
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三、研究方案(包括研究目标、研究内容、研究方法、实验方案和技术路线、可行性分析等)
本课题的思路是结合视频监控的发展趋势,开发一套基于嵌入式ARM11的可移动视频监控系统,在嵌入式监控终端上主要要完成USB摄像头驱动设计、视频图像采集、图像压缩、图像数据的发送、嵌入式服务器图像接收的设计,并通过手持终端实时监控。
该系统采用Samsung公司的以ARM11为核心的S3C6410处理器,该处理器作为视频处理的芯片省去了实现视频编解码算法复杂的软件编程,S3C6410具有MMU(内存管理单元),从而支持Linux,WindowsCE等嵌入式操作系统,操作系统为实现嵌入式视频处理的复杂控制提供了高效的管理。
S3C6410处理器内部有专门用于图像处理的BIT处理器,Samsung公司提供在BIT处理器上运行的固件程序,固件程序分为启动代码程序和视频编解码程序。
固件程序给软件人员实现视频编解码算法带来了方便,使开发人员能够集中精力到开发与视频处理相关的最大化附加值的产品上来。
S3C6410处理器视频处理的最大优点是不需实现MPEG4,H.263,H.264算法,只需把固件程序拷贝到BIT处理器的内部存储器上,然后创建相应的线程,通过运行线程完成视频编解码。
硬件设计主要以S3C6410处理器为核心,采用大容量的DDRSDRAM设计和大容量的NANDFLASH作为外部存储器,加上液晶显示屏(LCD)及触摸屏(TSP)接口电路设计,为实际的应用和开发提供了可视化的界面和方便的操作平台。
图1系统框架
系统主要分为三部分。
第一部分是视频采集终端。
采用嵌入式硬件开发平台s3c6410,使用USB摄像头与开发板连接,构成前端视频采集系统。
USB摄像头内部本身包含有CMOS传感器和DSP压缩芯片,CMOS传感器将外部视频信号传送到DSP压缩芯片,DSP芯片将CMOS的图片信息压缩,然后通过USB接口传送到嵌入式处理器上。
然后通过无线网络发送出去。
系统框架如图1所示。
第二部分是视频数据的无线传输。
采用boa服务器,通过wirelessrouter将经过编码压缩的图像数据,分块打包传输到手持终端接收重组。
第三部分是手持可移动终端监控设备。
该部分功能采用基于ARM11的嵌入式硬件开发平台S3C6410,Qt4.3在Linux操作系统下开发完成。
可对多个数据源进行视频数据接收,原理图如图2所示:
图2客户端与服务器端交互图
客户端软件主要对视频采集终端传输过来的视频数据进行接收和各种处理。
在这部分实现了对多个数据源的视频监控。
用户可以通过选择接收数据源地址同时与多个视频采集终端建立RTP/RTCP连接。
为接收到的视频数据提供图像的单帧捕捉和连续多帧捕捉、AVI格式的视频保存以及制定视频保存计划,由系统按指定的时间自动完成定时保存工作。
用户还可以将接收到的视频数据通过RTP协议传输给局域网中的其他用户,进行视频共享,对相关信息提供数据库管理功能。
图3客户端软件主要功能模块
本部分的关键是视频数据的接收和图像视频的显示。
视频数据接收:
负责对发送过来的数据进行接收,放入视频缓冲区内,为其他功能提供视频数据。
本系统可同时支持多个视频数据源的接收,每个数据源设置4帧的缓冲区,保证对多个数据源的同时缓冲存取。
用户首先通过数据源IP地址设置对话框添加要接收的数据源地址及本地接收端口号,然后根据用户选择的数据源地址个数决定建立多少个会话。
建立会话后,为每个会话分配动态内存空间用来存放由接收线程收到的图像数据,再分配用来显示和操作接收到的图像数据的相应Qt自定义控件
图像视频显示:
视频数据接收到视频缓冲区后,需要显示到视频监控窗口中,系统中使用了双缓冲技术,该技术是一种GUI编程技术。
在Qt中QPixlnap提供了一种双缓冲的机制,它提供了一个在后台处理图像的设备。
当一个QPixmaP对象将处理完毕的图像在屏幕上显示时,另一个QPixmap对象在后台处理一帧图像。
这两个缓冲区并行工作,交替显示,提高了图像的刷新速度,也提高程序的效率。
当一帧图像数据收到后,由接收进程发送一个信号(SIGNAL)给显示部件,并将捕捉到的该帧图像数据存入建立的图像显示缓冲区,再由显示部件相应的槽函数根据捕捉到的图像的长度和宽度调用date()函数,启动paintEvent事件刷新显示窗口。
以ARM11处理器为核心的嵌入式可移动视频监控系统具有可靠性高、体积小、成本低和使用便利等特点,适用于移动视频监控等实际场合。
本系统采用模块化设计方法,使得设计更加简洁、高效,具有良好的扩展性和易用性,有利于系统升级。
另外采用嵌入式的方法,系统成本较低,易于推广使用,具有有很大的经济效益和社会效益。
而随着科技的发展,各项技术也已成熟,可移动视频监控系统必将是人们研究的热点。
四、项目的创新点、特色和拟解决的关键问题或技术
创新点:
在通常情况下,当被监控点和控制中心相距较远而且位置较分散时,利用传统布线的方式成本会非常高。
而且对于目标监控点不固定或移动物体的监控,有线网络更是束手无策。
无线网络的发展给视频监控带来了全新的应用方式。
移动监控系统由于其安装方便、灵活性强、性价比高等特性已被更多行业所接受,必将在军事、公检法、安保、金融、交通、电信、电力、石油、新闻、消防、水利及其他领域得到广泛的应用。
研制开发出可移动的手持监控终端,克服了由于客观条件的限制,人不可能亲临现场进行直接观察的困难,同时也减少了人力,财力。
特色:
设计的这个基于ARM11处理器和嵌入式Linux实时操作系统的无线视频监控终端系统,能提供一定的数据传输率。
该无线视频监控终端可通过无线AP方便地接入无线局域网和有限局域网,只需在一定的范围内,安装无线接入点就可以和网内任何一个视频监控终端以及带无线局域网卡的监控主机通信。
我们所开发的可移动监控终端可应用与一般的安全监控和工业控制的场合,该系统成本低、体积小、易安装、易扩展、手持终端易携带,具有良好的通用性、实用性和可靠性,具有很好的参考价值。
与传统的监控系统相比,它可以摆脱线缆的束缚,有安装周期短、维护方便、扩容能力强和迅速收回成本等优点。
拟解决的关键问题和技术:
1扩展视频采集与压缩编码和无线传输硬件模块。
2移植linux的u-boot及内核实时操作系统。
3开发相关硬件模块的驱动和系统应用软件。
4用QT制作手持终端的菜单。
五、项目进度安排(查阅资料、选题、设计项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、撰写研究论文和总结报告和成果推广等)
第一阶段(2011.1-2011.3):
吸收消化国内外同类产品的设计思想,论证系统模块划分,完成硬件结构总体设计和软件框图。
第二阶段(2011.4-2011.6):
在开发板的基础上构建硬件平台,完成相应bootloarder、kernel、根文件系统及相应驱动的的移植,用QT开发手持终端的界面。
第三阶段(2011.7-2011.12):
研究S3C6410A处理器视频编解码模块的功能,视频编解码固件程序的下载方法和使用方法。
分析系统图像处理过程,包括图像采集、图像编码、图像传输、图像接收等。
在此基础上进行硬件电路的设计。
第四阶段(2012.1-2012.4):
系统调试运行。
进行调试改进,完善相关技术文档,为下步产品化做准备。
六、拟利用资源(科研教学设施、仪器设备、资料等)
物理与信息工程学院已经有数字电路实验室、模拟电路实验室、DSP实验室、嵌入式系统实验室、EDA实验室。
图书及网络电子资料充足,所需基础实验仪器设备、科研测试条件都已经基本具备。
七、经费使用计划
序号
支出项目及理由
金额(元)
1
设备购置:
ARM11开发板
3500
2
材料:
元器件、设备附件、制板等
3000
3
资料印刷
1000
4
发表论文版面费
1000
5
差旅费
1500
合计
10000
八、项目预期成果(研究论文、专著、调研报告、专利、计算机软件、研制产品等)
无论拟申请何种级别的项目,均需按以下三种情况分别填写(论文指学生以第一作者或导师以第一作者、学生为第二作者发表):
立项级别
研究报告篇数(必填)
正式发表论文
其他
发表论文篇数
发表论文级别(SCI、EI、CSSCI、国内核心、CN)
若评为国家级项目
1
1
国内核心
产品及软件
若评为重点项目
1
1
CN
若评为校级一般项目(含学院自筹项目)
1
九、诚信承诺
本项目全体成员郑重承诺,该项目研究将遵守学校有关规定,恪守学术规范,不抄袭他人成果,不弄虚作假,先诚实做人,再诚信做学问和研究,按项目研究进度和合同约定的内容保质保量完成各项研究任务。
如有违规行为,愿承担一切责任,接受学校的处理。
项目组成员签名:
年月日
十、学院意见(应包括推荐项目的类别,按国家级和校级重点项目、校级一般项目、学校立项学院资助项目三种类别填写)
学院国家大学生创新性实验计划工作小组组长签名(学院盖章):
年月日
十一、学校意见:
学校国家大学生创新性实验计划领导小组组长签名(学校盖章):
年月日
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