高性能、低功耗嵌入式CPU和高可靠性網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的面世，使得可視電話、視頻會議、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等運(yùn)算數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用在嵌入式設(shè)備中實現(xiàn)成為可能。傳統(tǒng)的基于同軸電纜的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、可靠性低且價格昂貴，因而出現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器等遠(yuǎn)程Web視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在本嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，使用高性能ARM9芯片作微處理器，控制video4linux實現(xiàn)USB攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集，采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)JPEG壓縮后，在 ARM9芯片的控制下通過2.4GHz無線發(fā)送/接收模塊進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸；視頻傳輸模塊再將視頻數(shù)據(jù)通過串口或網(wǎng)絡(luò)提交給視頻應(yīng)用服務(wù)端，最后由視頻應(yīng)用服務(wù)端將接收到的壓縮數(shù)據(jù)幀重組、復(fù)合成視頻圖像，實現(xiàn)無線視頻監(jiān)控。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由視頻采集終端、2.4G無線發(fā)送模塊、2.4G無線接收模塊、視頻傳輸和視頻應(yīng)用服務(wù)端等5個模塊組成。 其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

視頻采集終端包括以S3C2410X為核心的中央控制和數(shù)據(jù)處理中心，以及USB Camera數(shù)據(jù)采集單元。中央控制和數(shù)據(jù)處理中心主要完成視頻采集終端控制和視頻圖像壓縮，并將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)編碼處理后，通過SIO發(fā)送到 nRF2401無線發(fā)射模塊。

視頻傳輸模塊主要包括：以S3C2410X為核心的中央控制和數(shù)據(jù)處理中心以及將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l應(yīng)用服務(wù)端的MAC接口和UART接口。視頻傳輸模塊的中央控制和數(shù)據(jù)處理中心主要完成以下任務(wù)：nRF2401將接收到的視頻數(shù)據(jù)提交給SIO模塊，S3C2410X先解碼SIO模塊數(shù)據(jù)，再通過UART 接口或MAC接口將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l應(yīng)用服務(wù)端。

視頻應(yīng)用服務(wù)端從串口或網(wǎng)絡(luò)接口接收視頻數(shù)據(jù)，并將其重組、復(fù)合成視頻圖像。

1.1 視頻采集終端硬件結(jié)構(gòu)

在本設(shè)計中，充分利用了S3C2410X所繼承的片上資源，只需要擴(kuò)充SDRAM、Nand Flash、4X4 Array Keyboard、USB Host、Ethernet Interface、RS232 Interface、JTAG、Power等模塊。視頻采集終端是整個系統(tǒng)的核心模塊之一，主要完成視頻捕獲和圖像壓縮，其硬件邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2 視頻采集終端硬件邏輯框圖

2 視頻采集模塊設(shè)計與實現(xiàn)

視頻捕獲模塊是整個視頻采集終端的核心。它通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)調(diào)度V4L (video4linux)和影像設(shè)備驅(qū)動程序來完成視頻捕獲。V4L 是Linux影像系統(tǒng)與嵌入式影像的基礎(chǔ)，是Linux kernel里支持影像設(shè)備的一組APIs，配合適當(dāng)?shù)囊曨l采集卡與視頻采集卡驅(qū)動程序，V4L可以實現(xiàn)影像采集、AM/FM無線廣播、影像CODEC、頻道切換等功能。目前，V4L 主要應(yīng)用在影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)里，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，比如：遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、視頻會議、視頻監(jiān)控、可視電話等。V4L為2層式架構(gòu)，最上層為V4L驅(qū)動程序，最下層則是影像設(shè)備驅(qū)動程序。

在Linux操作系統(tǒng)中，外部設(shè)備都作為設(shè)備文件來管理，因此，對外部設(shè)備的操作就轉(zhuǎn)變成對設(shè)備文件的操作。視頻設(shè)備文件位于/dev/目錄下，一般情況下為video0。當(dāng)攝像頭通過USB接口連接到視頻采集終端后，在程序中調(diào)用V4L APIs對設(shè)備文件video0的讀操作即可實現(xiàn)攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集。其主要過程如下：

1) 打開設(shè)備文件： int v4l_open(char *dev, v4l_devICe *vd){}打開影像源的設(shè)備文件；

2) 初始化picture： int v4l_get_picture(v4l_device *vd){} 獲取輸入的影像信息；

3) 初始化channel：int v4l_get_channels(v4l_device *vd){} 獲取每個channel的信息；

4) 對channel設(shè)置norm：int v4l_set_norm(v4l_device *vd, int norm){} 對所有的channel設(shè)置norm；

5) 設(shè)備地址映射：v4l_mmap_init(v4l_device *vd){} 返回存放圖像數(shù)據(jù)的地址；

6) 初始化mmap緩沖區(qū)： int v4l_grab_init(v4l_device *vd, int width, int height){}；

7) 視頻捕獲同步： int v4l_grab_sync(v4l_device *vd){}；

8) 視頻捕獲： int device_grab_frame(){}。

通過以上操作，即可將攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集到內(nèi)存。采集到內(nèi)存的視頻數(shù)據(jù)既可采用文件的形式保存，也可將其壓縮后封裝進(jìn)數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。本設(shè)計采用后一種處理方法，即：先將采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行JPEG壓縮，再將其封裝進(jìn)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)揭曨l應(yīng)用服務(wù)端處理。