摄像机视频服务器是什么

目录目录.
II1.
引言.
11.
1.
背景介绍.
11.
2.
市场与应用.
12.
系统概述.
23.
硬件设计.
43.
1.
总体设计.
43.
1.
1.
MC9S12E128单片机简介.
43.
1.
2.
硬件框图.
53.
2.
硬件设计.
63.
2.
1.
电路设计.
63.
2.
2.
1.
单片机控制部分.
63.
2.
2.
2.
摄像头部分.
73.
2.
2.
3.
音视频压缩部分.
83.
2.
2.
4.
网络传输控制部分.
113.
2.
2.
网络摄像机PCB设计123.
2.
2.
1.
主控板部分.
123.
2.
2.
2.
摄像头部分.
134.
软件设计.
144.
1.
底层软件.
144.
1.
1.
模块设计.
144.
1.
2.
软件流程.
144.
2.
管理软件.
174.
2.
1.
模块划分.
174.
2.
2.
模块关系图.
214.
2.
3.
程序流程图.
224.
2.
4.
通信协议.
235.
系统应用结构.
24网络摄像机11.
引言1.
1.
背景介绍在人类社会跨入21世纪并向信息化社会迈进之际,嵌入式技术突飞猛进.
嵌入式系统因其体积小,结构紧凑、软硬件可剪裁等特性被大量应用于各种信号处理与控制的场合,在军事、家用电器、消费电子、工业控制、商业办公、医疗科教等场所都被广泛采用.

多媒体技术集计算机技术、声像技术和通信技术为一体,突破了计算机、通信、电视和出版等传统产业间的界线,将这些技术融合起来,使人们之间的交流更加方便、传递信息更加丰富,形式更加灵活,应用范围更加广阔.
网络摄像机综合应用了嵌入式与多媒体通信技术,是一种能直接与网络相连的多媒体网络终端,该设备采用全嵌入式设计技术,无需依赖其它设备就能独立连入TCP/IP网络,并实现音视频的采集、编码、传输功能.
局域网/互联网上的用户使用通用网络浏览器或专用监控管理软件就可以访问网络摄像机.
另外摄像机还可以配置RS-485接口,用户可以通过网络远程控制现场的云台,对现场进行全方位的监控.
随着网络应用的日益普及,网络摄像机将在安全保卫、远程监控、数字硬盘摄像机、远程教学、病房监护、社区服务等各领域得到广泛的应用.
1.
2.
市场与应用目前的数字视频监控系统一般都采用基于PC机的方案.
在PC中安装视频采集卡或视频采集/压缩卡,PC机除实现系统管理、命令处理及通讯协议外,还负责实现视频数据的采集、编码、存储、传输等工作.
在使用采集卡的系统中,采集卡只实现视频的A/D转换,视频压缩编码在PC机上用软件实现;而使用采集/压缩卡的系统中,视频的A/D及压缩编码都在卡上实现.
基于PC机的视频监控系统结构复杂,稳定性、可靠性较低,功耗大、成本高.
而且基于PC机的应用系统管理维护工作较繁重.
网络摄像机是一种新型嵌入式网络设备,采用各种编码技术实现视频压缩,基于TCP/IP网络实现语音、视频数据及命令的传输.
用户通过网络访问网络摄像机,对于有授权的用户还可以控制云台及摄像机镜头,或对网络摄像机进行各种参数设置.
由于网络摄像机采用一体化设计、使用TCP/IP网络,不需要布设专门的网络,降低了成本,具有即插即用、使用灵活、维护简单、稳定性高的优点.
网络摄像机可以满足家庭、办公室、银行、医院及各种工业和公众场合的监控应用需求.
例如在安全防范领域,网络摄像机与监控管理平台相配合,在银行、酒店等重要场所大量普及,凭借其优越的性能使视频安防系统迈入一个新的发展阶段.
除此之外,网络摄像机的应用领域也不断地扩展,例如在营业性网吧里可以方便地装上网络摄像机,就可以让公安部门通过监控软件随时检查是否有未成年人入内等情况.
网络摄像机22.
系统概述图1网络摄像机应用结构图嵌入式的MPEG-4网络摄像机在一块PCB上集成了模拟音、视频采集、MPEG-4格式视频编码器及语音编码器、10M/100M以太网传输、RS232串行串口、RS485串行接口.
网络摄像机把编码后的语音、视频数据以TCP/IP数据包的形式通过网络发送出去.
使用之前需要为网络摄像机配置有效IP地址,局域网或Internet上的用户使用配套的管理软件根据IP地址对网络摄像机进行访问.
在该项目设计中,要完成网络摄像的设计,包括硬件设计、底层软件设计,除此之外还要设计管理软件,一套软件可以管理多台网络摄像机.
我们设计的网络摄像机主要功能如下:z视频编码视频编码采用MPEG-4标准,视频分辨率为640*480.
z一路语音通道采集一路语音进行压缩和传输,方便对现场声音进行监听.
语音编码为ADPCM或MP2格式.
z云台控制通过集成的RS-485接口,网络摄像机可以把用户通过网络发来的云台控制命令转发到云台,实现转动云台、控制镜头的功能z移动检测报警摄像机能检测场景内景物的移动,并在检测到移动时产生报警信号,移动检测灵敏度可调.
z饱和度、对比度、色度、亮度可调用户可以调节前端视频的各项显示参数.
z帧速率、码速率可调帧速率为1~25帧/S可调,码速率可调.
z集成网络接口,支持TCP/IP协议,通过双绞线直接接入网络网络摄像机3z整体设计成本控制在800以内价格太高是目前阻碍网络摄像机发展的最重要原因之一,提高产品性价比方案设计必须考虑的问题.
z通过RS-232接口可以对网络摄像机的IP地址等进行初始化设置z采用专用的监控管理软件实现对网络摄像机的管理网络摄像机43.
硬件设计3.
1.
总体设计3.
1.
1.
MC9S12E128单片机简介在本方案中,采用Freescale的高性能MCU—MC9S12E128完成设备管理及通讯功能,通过外接的以太网控制器实现网络接口,支持TCP/IP网络协议.
MCU的结构图如下:图2MC9S12E128芯片结构MC9S12E128具有如下特点:·16bit高性能CPU核·在线调试接口·128K集成flash·10bit模数转换器·数模转换器·时钟发生器·3个4路定时器·2个脉冲宽度调试器·3个串行通信接口,1个串行设备接口,1个I2C总线·多达90个I/O引脚网络摄像机53.
1.
2.
硬件框图系统硬件框图如下:CMOS镜镜网网镜摄摄MPEG-4ASIC音音音音音摄摄SDRAM音音ADCMC9S12E128CCIR601MCU控控摄摄SRAMLAN91C111RS485接接语音语语MPEG-4音音音音语音以以网云云控控MIC控控武参RS232接接网网网语控控摄摄RJ45音音音音音控控武参串接串串图3硬件结构框图如图3所示,网络摄像机主要由摄像头、音/视频采集与压缩、单片机主控电路、网络接口等部分组成.
网络摄像机由CMOS影像传感器将光学影像直接转换为符合CCIR601标准的数字视频信号,再输出到专用MPEG-4编码芯片进行视频压缩;同样,语音A/D将MIC检测到的语音进行A/D转换,并将数字化语音数据输出到专用编码芯片进行语音压缩编码.
专用MPEG-4编码芯片进行音、视频压缩,单片机读取压缩的语音、视频数据并通过网络传输.
网络摄像机6传输控制模块的核心是Freescale高性能MCU系列的MC9SE128,它向MPEG-4压缩芯片发送控制命令,可以直接读取压缩后的音、视频数据,通过网络控制芯片LAN91C111实现网络传输,网络传输采用TCP/IP协议.
此外,MCU控制模块还可以控制云台,通过串口进行设备配置等.
Freescale公司MC9S12E128是一个16位微控制器,总线频率可达25MHZ;以太网控制芯片采用SMSC公司的LAN91C111,该芯片是一款全双工以太网控制器,10/100M自适应,100Base-TX/10Base-T接口.
3.
2.
硬件设计3.
2.
1.
电路设计3.
2.
2.
1.
单片机控制部分单片机控制部分的硬件框图如图4所示.
MCUMC9S12E128SRAMM68AW1278MHZADDR&DATA(15.
.
0)Flip-LatchR/WResetSwitcherADDR(15.
.
0)GPIO232TransceiverMAX3221ECAEResetSCS3VEnergySupplyADDR(15.
.
0)DATA(15.
.
0)485TransceiverSP3483ENECLKADDR(18,19)ChipselectGeneralControlSignal图4单片机控制部分硬件框图硬件由以下几部分组成:1.
单片机及辅助电路,采用摩托罗拉的高性能单片机MC9S12E128,外接8M晶体振荡电路提供工作时钟;2.
地址锁存器,采用两片TC7VLVX573A实现对16bit地址的锁存;网络摄像机73.
随机存储器SRAM,采用两片128K*8的SRAM芯片M68AW127组成128K*16的存储器,以和单片机的16bit数据宽度相适应;4.
232接口芯片,MAX3221ECAE;5.
485接口芯片,SP3483EN;6.
复位按钮.
开机上电后,单片机运行引导程序,将单片机的执行代码及变量拷贝至片内和片外SRAM中,运行单片机程序.
根据预先的设置控制其它部分的运行,读取音视频压缩数据,并交给网络传输部分发送,此外还响应串口或网络部分的各种命令,从而完成网络摄像机的功能.
该部分原理图如图5所示.
图5单片机控制部分电路原理图3.
2.
2.
2.
摄像头部分1.
功能原理图像传感器完成网络摄像机的视频采集功能.
图像传感器由一格格的感光二极管组成,这些感光二极管把光传换成为电荷.
每一感光二极管能都记录下投射到它的表面的光线的强度或亮度,这个对光照进行反应的过程是聚焦电荷的过程,光越强,电荷越多.
这些电荷被检测之后,转换为数字信息,这些数字信息将显示有多少光投射到二极管上.
由这些数字信息就可以重塑图像.
2.
设计实现目前市场上应用的图像传感器主要有CMOS和CCD两种.
CMOS影像传感器过去有着信噪比小、分辨率低这些缺点,一直无法和CCD技术抗衡.
但近年来,CMOS传感器发展迅速.
和CCD传感器相比,CMOS传感器具有低电源消耗、在芯片上复合有额外的电路、低系统成本等优点.
CMOS耗电量也不到CCD的1/10,售价也比CCD便宜近1/3.
目前在130万像素以下的CMOS品质已相当接近CCD感应器,而且体积比CCD更小.
时至今日,CMOS传感器的应用范围已经非常广泛,包括数码相机、电脑摄像头、可视电话、第三代网络摄像机8手机、智能型安全系统、汽车倒车雷达、玩具,以及工业、医疗等多种用途.

考虑到本系统处理的图像为VGA格式(30万像素,640*480),并综合低成本的要求,我们选用了Omnivition公司的OV7620芯片.
该芯片支持VGA/QVGA两种图像,最高像素达326688,帧速率可达30fps,数据格式包括YCrCb4:2:2、GRB4:2:2、RGBRawData三种,支持CCIR601、CCIR656、ZVport等数字视频接口,在功能及图像品质上能达到一般网络摄像机的要求.
OV7620有两种控制方法:上电重启方式和SCCB接口控制方式.
上电重启方式是复用芯片的视频数据总线.
在芯片上电复位后,视频数据引脚初始化为三态引脚,从外部读入控制信息设置芯片工作状态,在2048个时钟周期后视频数据总线恢复正常功能.
SCCB接口控制方式是通过SCCB接口,对状态控制寄存器直接进行读写控制,达到需要的工作状态.
从应用的角度而言,SCCB方式更加灵活一些,但该方式下OV7620必须工作在从模式下,而本系统中芯片只能以主模式工作,所以在设计时采用上电重启方式.

摄像头部分的电路原理如图6所示.
图6摄像头部分电路原理图3.
2.
2.
3.
音视频压缩部分音视频压缩部分的硬件框图如图7所示.
网络摄像机9Video&AudioCodecMPEG-4ASICSDRAMK4S643232-TCD(31.
.
0)A(11.
.
0)DATA_RDATA_WAudioADCUDA1345ADATA27MHZ11.
2896MHZVD(15.
.
0)HD(15.
.
0)SDATARDWRCSnrdnwrncs3VEnergySupplyDigitalVideoData(YUV)HostInterfaceDataControlSignal图7音视频压缩部分硬件框图硬件由以下几部分组成:1.
音视频编码器及辅助电路,采用MPEG-4ASIC芯片,工作晶振(27MHZ),音频压缩晶振(11.
2896MHZ),压缩芯片可以实现视频数据的MPEG4硬件压缩,具有压缩效果好、功耗低的特点;2.
动态存储器K4S643232-TC,这是一款512*32Bit*4Banks的SDRAM;3.
音频模数转换芯片UDA1345,提供AD和DA功能,功耗低;音视频压缩芯片在单片机的控制下,接收由摄像头部分传送过来的16bitYUV数据和由音频AD传送过来的音频数据,进行MPEG4压缩,压缩完后的数据通过总线传送给单片机进行处理.
该部分的原理图如图8所示.
网络摄像机10图8.
1音视频压缩部分视频接口部分原理图图8.
2音视频压缩部分音频部分原理图CCIR601视频接口网络摄像机113.
2.
2.
4.
网络传输控制部分网络传输控制部分的硬件框图如图9所示.
ControlNetworkLAN91C111NC25MHZD(15.
.
0)nRDResetResetIntr03VEnergySupplyDATA(15.
.
0)nWRTPIO(1.
.
0)DATAA(15.
.
0)AddressHST-005PRJ45ControlSignalEEROMAT93C46EEROM图9网络传输控制部分硬件框图硬件由以下几部分组成:1.
网络控制芯片及辅助电路,LAN91C111NC,这是一款独立网络控制芯片,此外由一25MHZ的晶体振荡电路提供工作时钟;2.
隔离变压器HST-005P;3.
网线接口RJ45;4.
SEEROMAT93C46;5.
两个指示灯;6.
复位按钮.
网络部分受单片机部分控制,在MCU控制下,接收音视频数据并向网络发送数据.
电路原理如图10所示.
网络摄像机12图10网络传输控制部分电路原理图3.
2.
2.
网络摄像机PCB设计3.
2.
2.
1.
主控板部分图11是网络摄像机主控板的PCB图.
该PCB板为4层板,双面焊接器件,从而缩小了体积.
此外还对元器件的整体布局和器件之间的连线反复进行了优化,从而提高了系统的可靠性.
网络摄像机13图11主控板PCB图3.
2.
2.
2.
摄像头部分摄像头部分单独做成一块小PCB,如图12所示,CMOS传感器前方安装镜头.
摄像头与主控板通过扁平电缆连接,从主控板获得工作电源,并实现与主控板之间的数字视频数据传输.
图12摄像头部分PCB图至CCD网传传MIC语音、视频编码器RJ-45网络插座RS-232、RS4855VDC输入MC9S12E128LAN91C111CMOSsensorCCIR601数字视频总线网络摄像机144.
软件设计4.
1.
底层软件4.
1.
1.
模块设计底层软件在网络摄像机的硬件中运行,实现高速实时视频传输、音频传输、云台控制、视频质量调节,还可体通过网络摄像机的串口对摄像机进行配置.
音视频传输部分需要保证数据的实时性,网络接入的带宽各不相同,因此不能采用TCP协议,如果采用UDP协议传送速据,服务器端不必等待接收端的应答,因此数据的实时性有充分的保证,但是在网络条件恶劣的情况下会产生丢包现象,因此在上层监控软件中有可能会丢失部分音视频数据,不过可以通过降低编码单元的帧速率或码速率降低丢包率.

UDP协议包括广播、组播和单播三种方式.
在广播方式下服务器同时对局域网内的所有地址发送数据包,显然不满足设计的要求;在组播方式下服务器向一个固定的IP地址发送数据包,加入该组播IP地址的客户端可以获取服务器发送的数据包,此方式满足设计的要求,但是很多交换机并不支持组播方式,因此局域网以外的网段可就访问不到服务器,所以组播方式也不能采用;在单播方式下,服务器向发送连接请求的客户端发送UDP数据包,虽然消耗系统资源较多,但是可以跨网段运行,因此在设计中采用单播方式传输视频和音频数据.
·命令数据要保证数据的准确性,因而采用TCP协议传输.
·命令类型包括云台控制,视频亮度、色度、饱和度、对比度调节,帧速率、码速率控制等.
·云台协议可以通过串口配置,云台控制数据由上层监控软件发送,底层只做数据的转发,云台协议可以随时变更,非常方便.
底层软件作定时器控制,实现云台控制的"步进"效果,单片机通过RS485对云台进行控制.
·用户可以根据个人习惯通过上层软件调整视频的亮度、色度、饱和度、对比度,调整之后底层软件保存调整以后的状态.
·用户可以根据网络条件调整视频的帧速率、码速率来获得最佳的视频显示效果.

4.
1.
2.
软件流程底层软件框架如图13所示:MC9212E128为传输控制单元,它从MPEG4编码单元中读取音视频数据,然后通过以太网向上层传送音视频数据,并执行上层软件发送的控制命令.
网络摄像机15图13底层软件结构框图系统采用使用TCP/IP协议进行网络传输,通过管理软件对前端网络摄像机进行监控,数据解析流程如图14所示:网络摄像机16图14数据解析流程TCP/IP协议在设计中通过以下函数实现:·tcp_Init()函数此函数实现网络芯片的内存地址映射,寄存器地址映射,ROM代码搬移,IP地址配置.
·tcp_Open()函数此函数建立TCP连接.
·tcp_Listen()函数此函数侦听指定端口的TCP连接.
·tcp_Abort()函数此函数取消一个TCP连接.
·tcp()函数此函数周期性的处理套接字(socket)列表中的每个列表任务,由于底层没有操作系统支持,此函数用循环方式传递或接收数据包(相当于开辟多任务).
·tcp_Unthread()函数此函数从socket列表中去掉一个指定的socket,取消和此socket的连接.
·tcp_Close()函数此函数断开TCP连接,关闭socket.
·tcp_Retransmitter()函数此函数周期性的执行TCP重传.
·tcp_Write()函数此函数向一个连接上的socket写数据.
·tcp_Handler()函数网络摄像机17此函数为接收数据包的句柄.
·tcp_Send()函数此函数发送数据包.
·tcp_ProcessData(s,tp,len)此函数处理接受到的数据包.
2.
通信协议由于设计中涉及到的命令、数据类型繁多,因此需要设计详细的通信协议,对不同的命令定义不同的命令类型.
1.
TCP/IP通道#defineAV_DATA0x00此类型表示音视频数据(音频和视频数据用MPEG4编码器整合在一起,因此只需要一种类型)#defineCMD_YUNTAI0x01此类型表示云台控制命令#defineCMD_FRAME_FREQ0x02此类型表示视频帧数率#defineCMD_CODE_SPEED0x03此类型表示码速率#defineCMD_VIDEO_BRIGHTNESS0x04此类型表示视频亮度控制命令#defineCMD_VIDEO_CHROMA0x05此类型表示视频色度控制命令#defineCMD_VIDEO_SATURATION0x06此类型表示视频饱和度控制命令#defineCMD_VIDEO_CONTRAST0x07此类型表示视频对比度控制命令2.
RS232通道RS232通道配置系统的IP地址,端口,网络摄像机地址,云台类型.
在系统初始化的时候,可以通过超级终端进行配置.
4.
2.
管理软件4.
2.
1.
模块划分管理软件依据功能被分为六大模块:1.
登陆模块启动运行管理软件的监控终端后,首先弹出的是用户登陆对话框,界面如图15所示.
网络摄像机18图15用户登陆对话框本系统用户分administrator(管理员)、operator(操作员)两级.
administrator级用户帐号只设了一个:admin,初始密码为1,且不能增加和删除administrator级用户帐号,但可以修改其密码.
administrator级用户具有用户管理权限,即administrator级用户可通过用户管理按钮添加、删除用户和修改用户密码,并在用户权限配置对话框中配置相应的权限.

operator级用户则不具备此权限.
除用户管理权限外,administrator级用户还具有其他一切权限.
operator级用户的权限均需在用户权限配置对话框中得设置,每个用户都有自己的权限列表.
具体权限如下:选路和观看视频的权限;语音监听的权限;对云台、镜头的控制权,包括云台的转动、镜头的伸缩,光圈的收放,以及焦距的调节的权限;对视频YUV分量的调节权限,包括:亮度;色度;对比度;修改视频服务器工作状态的权限,包括:码速率;帧速率.
系统提供安全完善的用户帐号密码管理功能,只有拥有帐号密码、经过授权的用户才能进行相应权限的操作.
2.
主控模块主控模块管理其它模块并实现程序界面、用户身份认证、权限控制、云台控制、视频录像、报警联动等功能,管理软件的主界面如图16所示.
网络摄像机19图16主界面主控模块对应一个主控线程,负责处理用户操作产生的消息及管理其它线程.

视频录像包括报警录像和手工录像两种方式.
报警联动是指当告警发生时,管理软件所进行的一系列操作.
包括在软件界面上进行相应的提示以及进行录像等.
3.
通信模块实现监控终端与网络摄像机之间的通信,将监控终端的控制命令发给网络摄像机,并从网络摄像机接收音视频数据和其它信息.
通信模块所接收的数据类型可细分为命令收发子模块和数据接收子模块.

通信模块从网络端口收到报文后,经过数据包类型分析,将数据按类型分别送入接收缓存(音视频数据)或是命令队列(包括报警信息、配置修改命令、应答命令等),并向主控模块发出提示,由主控模块决定唤醒哪个线程、进行怎样操作.
通信模块也可以从网络接口向低层单片机发送控制命令,包括云台控制命令、录像命令、语音监听命令等.

具体数据传输中音视频数据采用UDP协议,信令数据采用TCP协议.
4.
视频解码、显示模块实现多路视频解码、显示功能,具体包括:管理软件具有在一个监控终端上监视1*1路、2*2路、3*3路、4*4路前端图像的功能.
·在多路显示时用户可以根据需要随时关闭其中的任意一路.
·用户可方便的在任何一个视频显示窗口中的图像上叠加时间、前端设备名称、图像实际分辨率、帧速率、码速率等字符串信息.
·用户在某个视频显示窗口双击后,监控终端系统将自动转换为1*1路的显示方式,其它窗口的视频将被关闭掉.
·视频解码、显示模块负责开辟视频缓存区,并且在接收数据之后,读取数据、解码及显示.
网络摄像机20本系统最多可以处理16路视频,每一路对应一个视频播放对象,开启一个数据接收进程、一个解码进程和一个图像显示线程,数据接收进程将接收的数据存入一个队列中,图像显示进程根据播放的时间控制调用解码进程,请求解码一帧数据,解码进程从接收队列读取一帧数据,解码后送给显示线程显示出来.
5.
语音监听模块语音监听放模块负责开辟音频缓存区,接收网络摄像机的压缩语音数据,解码后通过PC机声卡回放,实现语音监听.
管理软件系统具有最多监听一个网络摄像机语音的功能,用户可以根据需要主动打开或关闭该语音通道,如果在打开该路语音之前有其他路语音打开,则之前的语音通道自动关闭.
6.
网络摄像机配置模块实现管理网络摄像机的配置表和工作状态表的功能.
管理软件既可以从单片机接受网络摄像机的配置表和工作状态表,也可以通过通信模块将修改的配置表和工作状态表传给网络摄像机进行处理.
网络摄像机的配置表的信息包括:ID号;IP地址和端口;网络摄像机名字;网络摄像机地址;云台协议.
工作状态表包括:图像分辨率(固定为640*480);码速率;帧速率;亮度;对比度;清晰度;饱和度.
网络摄像机214.
2.
2.
模块关系图主控主主通武主主音音视视、显显主主网网网网网串串配网网网网网武工工工配登陆主主网网网网网串串置武工工工管管主主语音语语主主图17管理软件模块关系图网络摄像机224.
2.
3.
程序流程图图18管理软件程序流程图网络摄像机234.
2.
4.
通信协议通信协议具体的定义了一些管理软件与底层单片机的信令和数据传输协议.

具体的信令定义在底层软件设计中已经详细说明.
网络摄像机245.
系统应用结构网络摄像机需要外接5V的DC电源,通过RJ45接口接入网络,使用之前需要通过RS-232串口进行IP地址及其它一些初始参数的设置.
在一台网络主机上安装并运行监控管理软件,就能对网络摄像机进行管理,实现监控.