基于V4L的WEB型嵌入式视频监控系统

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.98MB 58 页 15积分
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摘 要
本文通过对目前主流视频监控系统方案的研究，提出了基于 WEB 架构的嵌入
式Linux 视频监控系统。该系统通过基于 V4L 编程的视频采集方式，借助嵌入式
Linux 的网络功能，以 WEB 服务器的形式将视频图像信息传输出去。该系统以
UP-TECHPXA270-S 教学科研平台作为硬件开发平台，以 USB WebCam 摄像头作
为视频获取工具，选择嵌入式 Linux 操作系统为软件开发平台，通过开源软件库
libjpeg 对视频图像进行软件压缩，在客户端可跨平台以浏览器的方式访问嵌入式
视频传输服务器。
本文首先介绍了视频监控系统研究的主要关键技术和目前的发展状况以及一
些相关的设计方案。然后介绍了嵌入式系统开发的基本软、硬件知识，在此基础
上阐述了嵌入式 Linux 系统开发的具体步骤和细节，包括交叉编译环境的建立、系
统引导程序和文件系统的移植以及嵌入式 Linux 内核移植实现，确定了本系统所采
取的软、硬件框架和方案，并对每个功能模块进行细化。通过基于 V4L 的视频采
集模块、
libjpeg 库进行的 JPEG 视频压缩和基于 Socket 套接口编程的嵌入式 Linux
WEB 服务器实现网络传输这三个模块完成整个监控系统的功能。最后在局域网环
境下进行系统功能测试，系统基本达到预期要求，系统功能的实现具有一定的市
场应用价值。
关键词：嵌入式系统 V4L 编程 WEB 服务器 视频监控
ABSTRACT
In this paper, a WEB-based embedded video surveillance system has been
presented after the research of the currently major solutions in video surveillance system.
The system capture the video with a USB WebCam by V4L-based programming.
Consider the powerful function of the network based on embedded linux system, we
take WEB servers to transmit the video image information. The surveillance system is
built on the UP-TECHPXA270-S in teaching and research platform with some other
tools like USB Video Camera. While we take embedded linux operation system as soft
development platform and use the open source software library libjpeg to compress the
video image. The syetem can be cross-platform access to the embedded video WEB
server on the client by the browser.
The paper introduces the study of the key technologies and the current state of the
video surveillance system, as well as a number of related designs. The basic software
and hardware knowledge is essential to set up the embedded linux system especially of
specific steps and details, including the establishment of cross-compiler environment,
the system boot process and file system, and the linux kernel porting. The impliment of
the monitoring system functions mainly through three modules: the acquisition module
based on V4L programming and the compression by libjpeg , the library of JPEG, and
the embedded linux WEB server to achieve the network transmission, which based on
socket programming. Finally, the system could meet the expected demand in the test of
LAN environment and the implementation of the system has a certain market value.
Keywords: embedded, Video4Linux, WEB servers, Surveillance
目 录
摘 要 ...............................................................................................................................5
ABSTRACT ......................................................................................................................6
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 课题背景及意义 .............................................................................................1
§1.2 视频监控的主要研究内容 .............................................................................2
§1.3 视频监控的发展及相关设计方案 .................................................................3
§1.4 论文主要研究工作 ........................................................................................4
第二章 嵌入式系统开发基础 .........................................................................................5
§2.1 嵌入式系统 .....................................................................................................5
§2.1.1 什么是嵌入式系统 .............................................................................5
§2.1.2 嵌入式系统的发展 .............................................................................6
§2.1.3 嵌入式操作系统 .................................................................................6
§2.2 Linux 操作系统及其优缺点 .........................................................................7
§2.3 嵌入式处理器相关知识 ................................................................................9
§2.3.1 嵌入式处理器介绍 .............................................................................9
§2.3.2 ARM 处理器介绍 ................................................................................10
§2.4 国内外嵌入式 Linux 发展现状 ..................................................................10
§2.5 本章小结 .......................................................................................................11
第三章 建立交叉编译环境构建系统框架 ...................................................................12
§3.1 宿主机开发环境的建立 ...............................................................................12
§3.1.1 PC 机开发环境配置 ..........................................................................13
§3.1.2 交叉编译环境 ...................................................................................14
§3.2 Bootloader 和文件系统 .............................................................................15
§3.2.1 BLOB 移植 ..........................................................................................15
§3.2.2 文件系统移植 ...................................................................................17
§3.3 Linux 内核编译 ...........................................................................................18
§3.4 Linux 设备驱动 ...........................................................................................19
§3.5 系统设计方案 ...............................................................................................20
§3.5.1 系统方案 ............................................................................................20
§3.5.2 系统硬件介绍 ....................................................................................20
§3.6 本章小结 ......................................................................................................21
第四章 视频采集模块的设计和开发 ...........................................................................22
§4.1 USB 接口视频设备驱动 ...............................................................................22
§4.2 Linux 下的视频采集方式 ...........................................................................25
§4.3 基于 V4L 模块的视频采集实现 ..................................................................29
§4.4 图像数据压缩 ..............................................................................................34
§4.4.1 图像压缩必要性及其标准 ................................................................34
§4.4.2 JPEG 压缩 ..........................................................................................35
§4.4.3 JPEG 压缩的程序实现 ......................................................................36
§4.5 本章小结 ......................................................................................................36
II
第五章 网络编程与视频传输的研究 ...........................................................................37
§5.1 Linux 下网络通信概述 ...............................................................................37
§5.2 Socket 套接口 .............................................................................................37
§5.2.1 套接口与端口 ...................................................................................37
§5.2.2 套接口编程相关数据结构 ...............................................................38
§5.2.3 套接口通信实现 ...............................................................................39
§5.3 Web 视频服务实现 .......................................................................................42
§5.3.1 嵌入式 Web 服务器概述 ...................................................................42
§5.3.2 Boa 服务器移植与构建 ....................................................................42
§5.3.3 视频服务器设计 ...............................................................................43
§5.3.4 客户端程序设计 ................................................................................46
§5.4 系统测试 .......................................................................................................47
§5.5 本章小结 ......................................................................................................49
第六章 总结与展望 .......................................................................................................50
§6.1 论文总结 ......................................................................................................50
§6.2 发展与展望 ..................................................................................................51
参考文献 .........................................................................................................................52
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................55
致 谢 .............................................................................................................................56
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题背景及意义
随着电子信息化的发展，计算机和网络化技术在人们的日常生活中得到越来
越广泛的应用。在通用计算机技术得到高速发展和普遍应用的时代，一个以嵌入
式技术为发展重点的的后 PC 时代正在来临，嵌入式技术的发展能够推动各行各业
的技术更新与改造、产品升级与换代进程，能够最有效的提高生产效率和加快社
会工业自动化进程[1]。
信息采集技术在过去十几年中得到飞速发展，早已摆脱仅仅依靠文字和静态
图片的方式进行信息记录，实时高品质的图像和视频信息越来越受到人们的青睐，
而视频采集在这个过程中无疑是个重要的环节。在众多视频采集系统中，结合高
速发展的嵌入式技术和现代信息采集为一体的嵌入式视频采集系统以其小巧、灵
活、低成本、高性能的特点而独具优势，特别是在数字安防领域得到重要推广。
由视频采集的发展形成的视频监控技术是一门集计算机、网络通信和数字视
频技术于一体的综合技术。凭借计算机和多媒体技术的发展，以及自动控制技术
和多媒体技术的融入，监控技术的发展变得日臻成熟。
目前为止，各种传统的视频监控系统在各个领域依然发挥着重要作用，给人
们的生产、生活都提供了很大的方便。但是在新的形势下对监控技术提出了更高
的的要求，通过网络实现远程监控是现代视频采集与监控的一个发展趋势[2]。传统
的视频监控系统在面对距离较远或者需要联网监控的应用场合就需要铺设或者租
用大量的传输线路，甚至需要对产品本身进行技术更新，容易造成代价昂贵而又
维护不便的尴尬局面。如果新的监控设备能够利用现有的 Internet 网络将监控视频
传输出去，那么不仅能够节约系统成本，而且传输方便、范围广泛。新的性能出
色而又价格适中的监控系统能够让普通的家庭用户也享受到数字化安保带来的好
处，让视频监控真正进入到人们的日常生活中，能够有力的推动数字化安防的进
程。基于以上需求，本论文的研究的课题主要就是在嵌入式 Linux 系统中，结合强
大的网络技术，研究嵌入式视频信息的采集与传输方法，实现 WEB 型的嵌入式视
频监控系统。
基于 V4L 的WEB 型嵌入式视频监控系统
2
§1.2 视频监控的主要研究内容
目前对基于嵌入式网络视频监控系统的研究，在基于应用层来说，一般集中
于系统结构设计方案、视频采集、视频编码方案、数据压缩、数据传输方案以及
数据安全方案等[3]。
在嵌入式系统结构设计方面主要考虑系统的整体结构和功能框架，包括业务
层部署方案，数据库建模方案，系统插件设计方案，对话框和图形交互界面等。
对嵌入式视频采集方案的研究，主要是针对选用的嵌入式操作系统下相应的
视频采集方案的设计，包括开发流程、视频窗口，视频录像设计或者是否选择专
用视频采集监控卡等。
在视频编码方案研究中，主要是对 H.26x、MEPG-4 的层析结构分析、编码技
术研究以及各自适用的应用场合等。
在视频压缩方案研究中，主要是对数据压缩分析，数据压缩实现以及像 JPEG、
AVI 等压缩方案和专用视频压缩卡的选择应用方面。
在图像数据传输方面，主要是针对各种网络传输协议的应用研究，包括流媒
体传输协议的研究、RTP/RTCP 协议下的数据传输方法的研究以及 TCP、UDP 数
据传输和数据广播传输技术等。重点主要还是在采用先进的视频传输格式，节约
网络带宽，提高视频播放效率等方面。
在数据安全方面，主要是对于 DES、RSA 数据加密算法和加密狗、数据包加
密方案的应用研究。
在视频监控产业中，特别是对安防监控来说，其核心技术主要包括光学成像
技术、视频编解码算法、硬件芯片技术、视频内容智能分析技术。随着新的芯片
技术、压缩编码技术和嵌入式系统网络化的的发展，以嵌入式视频服务器为核心
的视频监控系统开始在新的数字安防市场上崭露头角。该系统中前端摄像机输出
的视频信号不再需要通过传统的处理模拟信号的 PC，而是由内置的嵌入式视频编
码器直接转换成数字信号，通过网络传输出去。新型的嵌入式视频服务器通常都
需要具备视频编码处理、网络通信、自动控制等强大功能，直接支持网络视频传
输和网络管理，能够使监控范围达到前所未有的广度。这需要我们在新的环境条
件下，勇于技术创新，实现更多的科研成果来推动市场的发展。
摘要：

摘要本文通过对目前主流视频监控系统方案的研究，提出了基于WEB架构的嵌入式Linux视频监控系统。该系统通过基于V4L编程的视频采集方式，借助嵌入式Linux的网络功能，以WEB服务器的形式将视频图像信息传输出去。该系统以UP-TECHPXA270-S教学科研平台作为硬件开发平台，以USBWebCam摄像头作为视频获取工具，选择嵌入式Linux操作系统为软件开发平台，通过开源软件库libjpeg对视频图像进行软件压缩，在客户端可跨平台以浏览器的方式访问嵌入式视频传输服务器。本文首先介绍了视频监控系统研究的主要关键技术和目前的发展状况以及一些相关的设计方案。然后介绍了嵌入式系统开发的基本软、硬件...

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