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                        網絡視頻監控系統開發

                        添加時間:2019/07/10 來源:中山大學 作者:戴祖國
                        本文以 ARM9 處理器 S3C2440 為硬件核心,從軟硬件介紹,硬件組成和嵌入式系統制作,設計并實現了一個基于 ARM 平臺的嵌入式 Linux 網絡視頻監控系統。該監控系統實際為一個小型 IPVS,具備 IPVS 的特征,屬于未來主流的監控系統發展方向。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          Linux 系統和嵌入式系統是計算機科學技術發展的兩個重要分支,近幾年,兩者相結合的嵌入式 Linux 系統應用飛速發展,成了計算機學術領域的熱點。視頻監控系統在多媒體技術、電子技術和網絡技術的快速發展下也開始向數字化、網絡化、嵌入式及智能化方向發展。嵌入式視頻監控系統因體積小、性能穩定、成本低廉、通信便利成了目前視頻監控領域廣泛采用的監控設備。

                          本文以 S3C2440 為開發平臺,設計并實現一個基于嵌入式 Linux 系統的,可通過 WIFI 和 WEB 方式訪問的網絡視頻監控系統,并討論和研究數字圖像處理技術中關于模糊圖像復原技術。

                          文中首先簡述了 ARM 處理器的相關知識,介紹了 S3C2440mini 開發板,Linux操作系統、嵌入式 Linux 操作系統及底層知識,嵌入式 Linux 開發平臺搭建及交叉編譯環境的建立,其次闡述了 Boot Loader 及原理,Linux 內核編譯,根文件系統的制作全過程;并介紹了u-boot以及燒寫內核鏡像和根文件系統的知識、燒寫Linux系統到開發板的方法。設計了基于該嵌入式 Linux 系統的 CMOS 攝像頭驅動程序,將該驅動程序加載到系統中運行,加載WIFI模塊,介紹如何編譯安裝mjpg-streamer,實現了一個基于 ARM9 處理器為核心的片上系統控制的,可通過 WIFI 和 WEB 方式訪問的網絡視頻監控系統。最后,對數字圖像處理技術中關于模糊圖像復原算法做了探討和研究,以及描述了該算法在本視頻監控系統中的應用。

                          關鍵詞: 嵌入式 Linux,ARM,視頻監控,圖像復原技術,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

                          視頻圖像能生動形象地描述客觀事物,是具體的、直觀的信息表達形式。隨著互聯網的發展和多媒體技術在互聯網上的應用,實時傳送音頻、視頻、多媒體動畫等的流媒體傳輸技術成了近些年來的研究熱點。

                          隨著我國的經濟、信息技術及網絡技術的迅速發展,監控系統被廣泛地應用到各行業中,監控系統不僅應用在通信、交通、安防等行業,它還逐步向其他行業,公眾方向發展。 隨著計算機、網絡以及圖像處理技術、傳輸技術的飛速發展,視頻監控制技術也有長足的發展。

                          本課題以 ARM9 為硬件平臺,構建一個開源的網絡視頻監控系統,并研究和探討將數字圖像處理技術應用到該系統中。目前,市場上的監控設備中普遍采用的前端攝像頭主要是CMOS和CCD兩種,CCD是集成在半導體單晶材料上的,制造工藝復雜,且技術比較成熟,無論是在感光度、解析度、曝光、色彩還原和噪點上都要優于 CMOS攝像頭,但采用 CCD 的攝像頭價格也相對昂貴,所以 CCD 一般用在數碼設備上,譬如對成像要求很高的數碼相機、高速攝影攝像機、光學遙測和頻譜望遠鏡等,在監控領域,因其對工作環境要求高以及價格昂貴應用較少。而 CMOS 攝像頭,是一種采用 CMOS 圖像傳感器的攝像頭,其工作原理與 CCD 攝像頭無區別。 CMOS 攝像頭有低成本、低耗電、工藝簡單以及高整合度的特性,隨著制造技術不斷地改良更新,CMOS 攝像頭的成像質量不斷提高,可見前景可期。但就目前而言,CMOS 攝像頭的影像品質與 CCD 仍有差距,本課題便是利用低成本的 ARM 硬件平臺和嵌入式 Linux操作系統、mjpg-streamer 等開源軟件,結合數字圖像處理技術,構建一個低成本、性能可靠的網絡視頻監控系統,旨在解決 CMOS 攝像頭的影像質量因硬件特性和傳輸損耗導致清晰度下降,如何利用圖像復原技術提高圖像質量問題。如果能實現預期,那么在交通監控、安防等這種對監控圖像清晰度要求極高的應用領域,其監控設備的投資成本將大大降低,對我國監控行業今后的發展有著重要意義。

                          ARM 公司是一家靠轉讓設計許可,專門從事基于精簡指令集技術芯片設計開發的知識產權供應商;由于它本身不直接從事芯片生產,所以由世界各合作的大半導體生產商從 ARM 公司購買其設計的 ARM 技術授權,根據各自不同的應用領域,加入適當的外圍電路,生產各具特色的 ARM 處理器進入市場;目前,得到 ARM 公司授權的大半導體公司多達幾十家,間接使得 ARM 技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持,促成整個系統成本進一步降低,從而使 ARM 處理器更容易進入市場被消費者所接受,更具有競爭力[1]。

                          ARM 公司最早開發產品被命名為 ARM1,是于 1983 年開始開發的。次年該公司便推出了第二款產品 ARM2,該芯片具備 32 位數據總線及 26 位的尋址空間,擁有64 Mbyte 的尋址范圍。之后 ARM 家族系列產品越來越多,不斷發展,從 ARM7 系列、ARM9 系列、ARM9E 系列到 ARM10E 系等,ARM 微處理器技術被廣泛應用于便攜式通信產品、手持運算、多媒體和嵌入式解決方案等領域,已成為 RISC 的標準。其中,ARM9 系列應用最廣泛,本文中實驗使用的 S3C2440 便是由三星公司推出的內核為 ARM920T 的 ARM9 家族成員,其為手持設備和普通應用提供了低功耗和高性能、降低整體系統成本的小型芯片微控制器的解決方案。

                          展望未來,由于 ARM 的商業模式是開放的,因此即使 Intel 攜 Atom 戰略進入小型芯片微控制器市場競爭,也難以對 ARM 構成威脅,因為世界上任何一家半導體廠商都可以購買 ARM 的授權。典型例子就是 2012 年 10 月 29 日 AMD 宣布:AMD 將會設計基于 64-bitARM 架構的處理器,并且目前 AMD 和 ARM 在服務器領域的合作已經得到了 Dell(戴爾)、HP(惠普)兩大服務器廠商,以及服務器系統廠商 RedHat(紅帽子)的鼎力支持,新的生態系統已具雛形,可見 ARM 未來發展和應用前景可期,研究以 ARM 為核心的應用系統是很有意義的。

                          嵌入式技術起源于上世紀 70 年代的微型機,與通用計算機不同,通用計算機系統硬件技術發展方向是總線帶寬無限提升和存儲容量無限擴大,不斷提高處理器的效率以便適應高速的、海量的數值運算;而嵌入式計算機系統的技術發展方向是與對象系統密切相關的嵌入性能、控制能力和控制的可靠性,其技術要求是對象的智能化控制能力[2]。從這點上看,嵌入式計算機系統是為了某種“專門的應用”而“嵌入”到對象中的計算機系統。其具有體積小、便攜性、廉價、高速運算、高可靠性等特點。

                          隨著這幾年智能設備的爆炸性發展,國內外許多在電子信息和計算機行業頗具實力的公司也紛紛加入到以 ARM 處理器為核心的嵌入式系統的應用與研究中來。然而,國內在基于 ARM 的應用領域的研究與國外相比,還相對落后,在嵌入式技術領域,如果國內的公司想要提高國際競爭力,必須自行研發基于 ARM 的處理器核心和架構等。本文所使用的嵌入式 Linux 系統和 mjpg-streamer 都屬于國外的開源軟件,所以加快這方面的研究步伐迫在眉睫。

                          視頻監控系統從上世紀 80 年代至今發展了近三十年,在國內外市場上,主要存在兩種類別的監控系統產品,一類是數字控制的模擬視頻監控,一類是數字化視頻監控。前者技術成熟,性能穩定,被廣泛應用于實際監控工程中;后者則是近些年隨著計算機的發展而崛起的以計算機技術及圖像壓縮技術為核心的視頻監控系統,并解決了模擬視頻監控的不足,但技術尚未成熟,一直在發展中。數字化視頻監控系統具有網絡化和系統集成化的特點。從信息采集、數據處理、傳輸、系統控制等的方式和結構形式上打破了“經典閉路電視系統是以攝像機成像技術為中心”的結構,并向嵌入式方向發展。

                          第三代視頻監控系統是完全 IP 視頻監控系統(IPVS),與前面兩種方案相比,全IP 視頻監控系統的優勢是內置了 Web 服務器,并直接提供以太網端口甚至 WIFI 模塊。

                          攝像機生成 JPEG、MPEG4 或 H.264 數據文件,任何經授權客戶機都可以從網絡中任意位置訪問、監視、記錄和打印,真正實現了遠程訪問和控制。本文研究的網絡視頻監控系統,便是第三代視頻監控系統 IPVS,以 S3C2440 開發板和嵌入式 Linux 系統為控制中心,實現一個基于 ARM9 處理器為核心的片上系統控制的,可通過 WIFI 和WEB 方式訪問的嵌入式網絡視頻監控系統。

                          目前國內外對基于 ARM 的嵌入式網絡視頻監控系統的研究已經到了相當的高度,國內近幾年這類研究論文和專著也非常多,但將數字圖像處理技術應用到這種監控系統中的研究并不多。對圖像的清晰度還依賴于前端攝像頭的質量,所以對于廣泛采用的低成本的 CMOS 攝像頭的監控系統的圖像質量的研究就很有必要。

                          數字圖像處理技術最早應用于上世紀 20 年代的報紙業,利用 Bartlane 電纜圖片傳送系統傳輸圖像,再由電報打印機采用特殊字符在編碼紙帶中產生數字圖像,這中早期的數字圖像處理復原改進工作,僅涉及到打印過程的選擇和亮度等級的分布等問題。之后發展到支持一種基于光學還原的技術,于電報接收端采用穿孔紙帶打印出圖片,其色調和分辨率進步較明顯。但是由于當時還沒有發明出計算機,所以這種應用并沒有考慮數字圖像處理的結果,因為數字圖象處理的歷史是與數字計算機的發展是密切相關的。

                          在數字圖象處理概念中,圖像被定義為一個二維函數 f(x,y),當空間坐標點 x和 y 以及幅值 f 為有限的、離散的數值時,該圖像為數字圖像。而數字計算機本身就是個離散系統,所以,數字圖象處理便指借用數字計算機來處理圖像。事實上,數字圖象處理需要強大的計算能力和存儲量,因此,計算機技術的發展程度決定了數字圖象處理技術的發展水平。

                          今天,數字圖象處理技術的應用幾乎涉及了所有的技術領域,無論是醫學、商業廣告、天文學觀測、人造衛星、軍事、報刊雜志、電影電視、監控行業等等。但無論如何,從數字圖象處理技術的發展來看,不難看出,數字圖象處理技術始終圍繞著一個重要的問題展開——圖像復原技術!由于設備、系統和傳輸介質本身存在的缺陷,一副描述真實事物的圖像在經過數字化處理后或多或少會與我們的視覺感受到的真實事物有偏差,即失真:或者模糊、或者有色差等等。

                          數字圖像復原技術不同于圖像增強技術,圖像增強是一個主觀過程,而圖像復原大部分過程是一個客觀過程,圖像復原的最終目的是改善給定的圖像。它試圖利用某種先驗的知識來重建或復原被退化的圖像,即把圖像退化模型化,再采用相反的過程進行處理,以便復原出原來的圖像。

                        網絡視頻監控系統開發:

                        CMOS CAMERA接口及定義
                        CMOS CAMERA接口及定義

                        配置CMOS攝像頭驅動(1)
                        配置CMOS攝像頭驅動(1)

                        配置CMOS攝像頭驅動(2)
                        配置CMOS攝像頭驅動(2)

                        配置USB無線網卡驅動(1)
                        配置USB無線網卡驅動(1)

                        配置USB無線網卡驅動(2)
                        配置USB無線網卡驅動(2)

                        配置USB無線網卡驅動(3)
                        配置USB無線網卡驅動(3)

                        配置USB無線網卡驅動(4)
                        配置USB無線網卡驅動(4)

                        配置USB無線網卡驅動(5)
                        配置USB無線網卡驅動(5)

                        嵌入式網絡視頻監控系統硬件組成實物圖
                        嵌入式網絡視頻監控系統硬件組成實物圖

                        使用MiniTools燒寫引導裝載程序
                        使用MiniTools燒寫引導裝載程序

                        啟動MJPG-streamer
                        啟動MJPG-streamer

                        通過WEB瀏覽器訪問MJPG-streamer
                        通過WEB瀏覽器訪問MJPG-streamer

                        目錄

                          第一章 緒論
                            1.1 本課題研究目的及意義
                            1.2 本課題研究背景與現狀
                            1.3 數字圖像復原技術
                            1.4 本文主要研究內容
                          第二章 基于 ARM 核心的嵌入式視頻監控系統分析
                            2.1 ARM 簡介
                            2.2 ARM 微處理器結構
                              2.2.1 RISC 體系結構
                              2.2.2 ARM 微處理器的指令結構
                              2.2.3 ARM 微處理器的寄存器結構
                            2.3 基于 S3C2440A 的 mini 開發板
                              2.3.1 mini 2440 開發板介紹
                              2.3.2 Mini2440 開發板地址空間分配和片選信號定義
                            2.4 Linux 操作系統
                              2.4.1 Linux 的特點
                              2.4.2 Linux 操作系統的組織結構
                            2.5 基于 ARM 的嵌入式 Linux 系統
                            2.6 基于 ARM9 的嵌入式 Linux 網絡視頻監控系統需求分析與設計
                              2.6.1 系統總體結構設計
                              2.6.2 嵌入式網絡視頻監控系統設計方案
                            2.7 本章小結
                          第三章 嵌入式 Linux 系統開發環境搭建與移植
                            3.1 嵌入式 Linux 開發環境搭建
                              3.1.1 宿主機操作系統版本選擇
                              3.1.2 交叉編譯環境的建立
                            3.2 編譯 Boot Loader
                              3.2.1 Boot Loader 概述
                              3.2.2 U-boot 編譯移植
                            3.3 配置編譯內核
                            3.4 建立根文件系統
                            3.5 本章小結
                          第四章 嵌入式 Linux 網絡視頻監控系統的實現
                            4.1 文件系統和設備驅動的關系
                            4.2 Linux 系統設備驅動加載
                              4.2.1 基于 S3C2440 的 CMOS 攝像頭驅動程序的分析與設計
                            4.3 在內核中配置加載相關的設備驅動
                              4.3.1 配置 CMOS 攝像頭驅動
                              4.3.2 配置 USB 無線網卡驅動
                            4.4 嵌入式網絡視頻監控系統硬件連接
                              4.4.1 燒寫 Boot Loader
                              4.4.2 引導嵌入式系統內核映像
                              4.4.3 安裝 CMOS 攝像頭
                            4.5 安裝 MJPG-streamer 視頻服務器軟件
                              4.5.1 video for Linux2 與嵌入式 WEB 服務器 boa
                              4.5.2 MJPEG-streamer 服務器軟件安裝
                            4.6 本章小結
                          第五章 模糊圖像復原技術在視頻監控中的應用研究
                            5.1 圖像復原技術
                            5.2 Sobel 邊緣檢測算子
                            5.3 維納濾波復原技術
                            5.4 圖像復原技術在嵌入式 Linux 網絡視頻監控系統中的應用
                            5.5 本章小結
                          第六章 總結與展望
                            6.1 總結
                            6.2 展望
                          參考文獻
                          致謝

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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