基于PXA255和JPEG壓縮算法的嵌入式視頻監視系統

圖2 系統軟件框圖

在視頻采集與處理模塊中，首先要按照要求在linux2.4.19內核中加入V4L (video for linux) 的支持項，然后在usb總線驅動中就會出現一些camera的選項，里面就有ov511（支持網眼3000）和stv680（支持MDC-30L數碼相機）的驅動支持。
V4L定義了在linux下進行圖像采集的接口函數。主要有設備的open、close、read、write、ioctrl、mmap等對設備的操作方法，并通過結構體video_device_ stv680_template在內核中進行登記，方便在用戶狀態下進行設備的各種操作。可以以虛擬內存映射方式獲取圖像數據，主要是調用mmap內存映射函數stv680_mmap，其定義如下：
static int stv680_mmap (struct video_device *dev, const char *adr, unsigned long size)
在該函數中，利用系統調用remap_page_range，將物理地址pos對應的虛擬頁面地址page映射到用戶空間中去，從而實現了圖像數據從驅動到應用程序的轉移。對硬件底層的操作，集中在stv680_ioctl函數中，通過系統調用ioctrl對設備進行控制，其中包括：VIDIOCGCAP、VIDIOCSYNC等控制方式，對攝像頭進行配置、同步等操作。這些控制方式都符合V4L的控制規范，可以將一般的圖像采集程序不經過改動移植到這個驅動上來。
對采集上來的每一幀圖像數據我們采用JPEG壓縮。在實際應用中，JPEG壓縮使用Arm_linux下的libjpeg庫模塊，該模塊采用以離散余弦變換(Discrete Cosine Transform，DCT)為基礎的有損壓縮算法，在壓縮比為25:1的情況下，壓縮后還原得到的圖像與原始圖像相比較，非圖像專家難于找出它們之間的區別。經過交叉編譯后，將編譯生成的庫文件libjpeg.so拷貝到了sitsang板的文件系統中，從而使sitsang板支持jpeg壓縮格式的圖形。代碼實現部分的主要流程如下：
設置壓縮信息結構體struct jpeg_compress_struct cjpeg，其中保存著圖像原始信息和壓縮信息。其中圖像大小320x240，深度為3，顏色類型為RGB.
設置圖像壓縮品質：jpeg_set_defaults(cjpeg) jpeg_set_quality(cjpeg, quality, TRUE);
設置圖像壓縮方法：cjpeg.dct_method = JDCT_FASTEST（使用快速離散dct變換）
開始壓縮：
jpeg_start_compress(cjpeg, TRUE);
……
jpeg_write_scanlines(cjpeg, row_ptr, 1);
……
完成壓縮：jpeg_finish_compress(cjpeg); jpeg_destroy_compress(cjpeg)
在圖像的處理上，本文設計了簡單并且行之有效的圖像比較判斷程序，來判斷圖像是否發生變化，并且只有當圖像發生變換以后，系統才會自動將現場情況上報給監控主機。比較函數cmp_blks設定一個圖像發生變化的極限c_limit，然后將一幀圖像分割成12*12個圖像塊（block），對每一個block，將像素之差與c_limit進行比較，如果大于c_limit，則認為該塊圖像發生了變化，否則沒有變化。在野外無人值守的監控環境中，根據實驗和經驗進行設定c_limit的值，能夠合理的利用網絡帶寬進行傳輸并減少系統負擔。經過概算法確定的視頻變化塊信息可以用于以后圖像跟蹤的擴展功能。
3 系統的測試與結論
通過現場安裝測試，每個監視終端可以同時支持4臺視頻采集終端的連接與數據傳輸，服務器可以同時支持多達100臺視頻采集終端的數據轉發，長時間運行效果很好。經過圖像預處理、判斷和壓縮后，傳輸的數據量小，節省了網絡傳輸帶寬，適合無線網絡傳輸。