基于ARM9的嵌入式无线视频监控系统

2 视频采集模块设计与实现

视频捕获模块是整个视频采集终端的核心。它通过嵌入式Linux操作系统调度V4L (video4linux)和影像设备驱动程序来完成视频捕获。V4L 是Linux影像系统与嵌入式影像的基础，是Linux kernel里支持影像设备的一组APIs，配合适当的视频采集卡与视频采集卡驱动程序，V4L可以实现影像采集、AM/FM无线广播、影像CODEC、频道切换等功能。目前，V4L 主要应用在影像串流系统与嵌入式影像系统里，其应用范围相当广泛，比如：远程教学、远程医疗、视频会议、视频监控、可视电话等。V4L为2层式架构，最上层为V4L驱动程序，最下层则是影像设备驱动程序。

在Linux操作系统中，外部设备都作为设备文件来管理，因此，对外部设备的操作就转变成对设备文件的操作。视频设备文件位于/dev/目录下，一般情况下为video0。当摄像头通过USB接口连接到视频采集终端后，在程序中调用V4L APIs对设备文件video0的读操作即可实现摄像头视频数据采集。其主要过程如下：

1) 打开设备文件： int v4l_open(char *dev, v4l_device *vd){}打开影像源的设备文件；

2) 初始化picture： int v4l_get_picture(v4l_device *vd){} 获取输入的影像信息；

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

4) 对channel设置norm：int v4l_set_norm(v4l_device *vd, int norm){} 对所有的channel设置norm；

5) 设备地址映射：v4l_mmap_init(v4l_device *vd){} 返回存放图像数据的地址；

6) 初始化mmap缓冲区： int v4l_grab_init(v4l_device *vd, int width, int height){}；

7) 视频捕获同步： int v4l_grab_sync(v4l_device *vd){}；

8) 视频捕获： int device_grab_frame(){}。

通过以上操作，即可将摄像头视频数据采集到内存。采集到内存的视频数据既可采用文件的形式保存，也可将其压缩后封装进数据包，通过网络传输到数据处理中心。本设计采用后一种处理方法，即：先将采集的视频数据进行JPEG压缩，再将其封装进数据包传输到视频应用服务端处理。

3 视频压缩模块设计

由于视频采集模块采集的视频数据信息量较大，如果直接通过网络传输，则会增加数据传输系统的负担，大大降低数据传输效率。为此，本设计采用JPEG —Joint Photographic Experts Group压缩编码算法对视频数据进行压缩。JPEG是一个适用于彩色、单色多灰度、连续色调静止数字图像的压缩标准，是静态数字图像压缩的国际标准，不仅适用于静止图像压缩，而且适用于电视图像序列的帧内图像压缩。由于JPEG压缩采用的是全彩影像标准，其主要处理过程包括：色彩模型转换、离散余弦— DCT变换、重排DCT结果、量化、编码等。

在本设计中，采用最基本的JPEG算法，其主要步骤为：首先，通过离散余弦变换（DCT）去除数据冗余；其次，使用量化表对DCT系数进行量化；最后，采用Huaffman可变字长编码对量化后的DCT系数进行编码，使其熵达到最小。通过实验，数据压缩效果良好，图像压缩率可以达到70%左右。

4 nRF2401无线发射、接收模块设计

本设计采用nRF2401 2.4GHz无线收发芯片完成视频数据的无线传输。nRF2410是一款单片射频收发芯片，工作在2.4GHz~2.5GHz ISM频段，该芯片内置频率合成器、功率放大器、晶振和调制解调器等功能模块，其输出功率和通信频道等参数都可以通过程序进行配置。内置的 DuoCeiver接收器使nRF2401可以使用同一天线同时接收两个不同频道的数据，这为视频数据的传输提供了有利条件。

nRF2401在发送和接收数据时主要完成以下操作：

1）初始化发送端和接收端：主要完成I/O端口的配置，使能发送器/接收器，启动计数器等；

2）发送器/接收器配置：先打开配置方式，再配置发送/接收器，最后使能收发功能；

3）接收包/接收包处理：

4）发送/接收数据：完成数据包的发送/接收操作；

5）读取A/D转换结果：等待AD转换完成后，读取A/D转换结果数据，并开始接受新的转换；