CN101808237A

CN101808237A - 嵌入式系统Web服务器的图像采集终端及图像采集方法

Info

Publication number: CN101808237A
Application number: CN 201010120234
Authority: CN
Inventors: 赵谦; 任博涵
Original assignee: Xian University of Science and Technology
Current assignee: Xian University of Science and Technology
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2010-08-18

Abstract

本发明涉及一种嵌入式系统Web服务器的图像采集终端及图像采集方法，该终端包括CPU，所述CPU通过USB接口连接数码摄像头，所述CPU通过USB接口连接U盘，所述CPU通过UART接口引出RS232接口，所述CPU连接有Flash存储器、SDRAM动态存储器、网络控制器和用于给CPU上的RTC电路供电的RTC后备电池。图像采集方法为记录下采集视频数据的时间，采集所述摄像头摄制的图像信息，对采集到的图像信息进行处理，处理后的数据保存至U盘中，CPU对收集的图像信息进行上传处理。本发明图像采集终端体积小、重量轻并且易于快速安装；图像采集方法实现简单。

Description

嵌入式系统Web服务器的图像采集终端及图像采集方法

技术领域

本发明涉及图像采集终端和图像采集方法，具体涉及一种嵌入式系统Web服务器的图像采集终端及图像采集方法。

背景技术

当前的信息化时代，是一个构筑在网络基础之上的时代。基于TCP/IP协议的IP网络，像Inter-net、Intranet与Extranet等以令人惊异的不可阻挡之势发展着。而以网络为基础的数字视频监控系统是视频监控系统发展的主流，传统的视频监控领域面临巨大变革，模拟视频系统正在逐步被数字视频系统替代。

现有的图像采集终端：

1、采用的都是高端的、运算能力强的处理器和高清晰度的摄像头，导致其价格昂贵，无法实现大规模的安装。

2、由于目前的视频监控系统都是传统的模拟视频系统，传输的视频数据巨大，使采集终端对网络带宽有比较严格的要求，一般都采用有线的形式进行数据的传输，不便于监控系统的架设。

3、对于图像的实时性要求较低的情况，高性能的监控系统造成资源浪费。

发明内容

本发明的目的是针对目前传统的视频监控系统安装困难、网络带宽要求较高和费用高等缺陷，提出的一种对于图像实时性要求不高的环境下的价格低廉，便于安装使用的图像采集终端和采集方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种嵌入式系统Web服务器的图像采集终端，其特征在于包括CPU，所述CPU通过USB接口连接数码摄像头，所述CPU通过USB接口连接U盘，所述CPU通过UART接口引出RS232接口，所述CPU连接有Flash存储器、SDRAM动态存储器、网络控制器和用于给CPU上的RTC电路供电的RTC后备电池；

所述CPU为S3C2410处理器；

所述Flash存储器中的软件包含三个模块：

(1)用于获取系统时钟的时间获取模块；

(2)基于Video4Linux下视频采集模块；

(3)基于Boa的网络处理模块。

所述数码摄像头为采用中星微ZC303芯片的数码摄像头。

嵌入式系统Web服务器的图像采集终端实现图像采集的方法，其特征在于包括以下步骤：

所述时间获取模块获取系统时钟记录下采集视频数据的时间；

所述视频采集模块采集摄像头摄制的图像信息，通过所述摄像头中自带的主控芯片对采集到的图像信息进行处理，处理后的数据通过所述USB接口被所述S3C2410处理器保存至所述USB接口连接的U盘中，所述网络处理模块对收集的图像信息进行上传处理。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明图像采集终端实现单帧图像的采集，并保存成文件，设备安装方便经济，并且可以快捷收集数据。

2、本发明图像采集终端对网络带宽要求不高，可采用3G无线网络或者zigbee、wifi等短距离无线网络，便于安装。

3、本发明图像采集方法方便实施。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明图像采集终端的结构框图。

图2为本发明图像采集终端软件的结构图。

图3为本发明图像采集终端网络处理模块的流程图。

附图标记说明：

1-CPU； 2-数码摄像头； 3-RS232接口；

4-Flash存储器； 5-SDRAM动态存储器；6-网络控制器；

7-RTC后备电池； 8-U盘； 9-软件；

10-时间获取模块；11-视频采集模块； 12-网络处理模块；

具体实施方式

如图1所示，本发明包括CPU1，CPU1通过USB接口连接数码摄像头2，CPU1通过USB接口连接U盘8，CPU1通过UART接口连接RS232接口3，CPU1连接有Flash存储器4、SDRAM动态存储器5、网络控制器6和用于给CPU1上的RTC电路供电的RTC后备电池7。

CPU1采用S3C2410处理器。

如图2所示，图像采集终端的软件9包含三个软件模块：

(1)时间获取模块10，用于获取系统时钟；

(2)基于Video4Linux下视频采集模块11；

(3)基于Boa的网络处理模块12；

图像采集终端实现图像采集的方法包括以下步骤：时间获取模块10获取系统时钟，记录下采集视频数据的时间，视频采集模块11采集摄像头2摄制的图像信息，通过摄像头2中自带的主控芯片对采集到的视频数据进行处理，处理后的数据通过USB接口被CPU1保存至外置存储器U盘8中，网络处理模块12对收集的图像进行上传处理。终端在投入运行之前都需要通过RS232接口对本身自带的RTC电路进行硬件时钟的设置，RS232接口在硬件调试和终端状态监控都起着重要的作用。

该终端启动后，通过文件系统中的初始化文件，完成一系列的相关的硬件的初始化，包括加载RTC的驱动程序、同步系统时间和网络控制器的驱动程序等。完成硬件初始化后，启动应用程序，该程序流程图如图3所示，有以下步骤组成：

1、首先完成Web服务器的初始化工作，设置信号量，设置TCP套接字、绑定端口、开始侦听、进入循环结构，以及等待接收客户浏览器的Request连接请求；

2、当有客户端Request连接请求时，Web服务器负责接收客户端请求，并保存相关请求信息；

3、在接收到客户端的Request连接请求之后，分析客户端请求，解析出请求的方法、URL目标、可选的查询信息及表单信息，同时根据请求做出相应的处理；

4、在请求的处理模块中，判断请求是否CGI程序，不是则读取指定数据到Web浏览器；请求是CGI程序，首先获取系统当前的时间，通过Video4Linux内核编程应用接口获取USB接口的视频摄像头采集的视频数据，本终端通过调用CGI程序实现网络图像采集并将获取到的数据上传到备份到USB接口的外置存储器U盘8上；

5、Web服务器完成相应处理后，向客户端浏览器发送响应信息，关闭与客户机的TCP连接。

图像采集终端的软件9中的模块功能：

1)、时间获取模块10：

使用中国标准时间为采集到视频文件命名，其文件命名格式为：YY(年)MM(月)DD(日)HH(24小时制)。在嵌入式Linux中有硬件时钟与系统时钟两种时钟。硬件时钟是指硬件平台上的时钟设备，当内核中的RTC模块被驱动起来，即使系统处于关机状态下它也能够正常工作(通常采用后备电池供电)。系统时钟则是指kernel中的时钟。

当使用过程中出现停电等意外状况使视频采集终端重新启动，系统中的软件时钟会恢复到硬件时钟初始设置下的时间，为了使系统时间不发生混乱，终端上的硬件时钟要与现实时间保持一致，需要有独立的电源保证硬件时钟电路正常运行。

本终端采用“软件驱动+硬件电路”的方式，利用软件商Linux-2.6内核下RTC驱动模块和硬件S3C2410内置的RTC电路、后备的锂电池以及一个高精度的晶振来保存终端的硬件时钟。

首先在Linux-2.6内核中添加上RTC模块驱动，使RTC模块可以正常工作。其次，在编译busybox时选上hwclock，用来操作RTC。在根文件系统中的初始配置文件中添加hwclock s，让系统在启动时同步RTC。进入到shell中后，设置硬件时钟时，首先使用date命令(″date MMDDHHmm(分钟)YYYY″)设置好系统时钟，然后使用hwclock--systohc把硬件时钟设置为和当前系统时间一致。用date设置完时间后，运行hwclock w保存到RTC模块中的寄存器。当Linux内核启动时，系统时钟会去读取硬件时钟，之后系统时钟独立运作。

2)、视频采集模块11：

在本终端中，视频采集是分两步实现的：一是选择USB接口的数码摄像头，并在Linux内核中添加了摄像头驱动；二是编写了上层应用软件获取视频数据。本文主要讨论第二步。

IUSB接口摄像头2的驱动

USB接口的摄像头2的工作原理为：目标由镜头(LENS)生产的光学图像投射到图像传感器的表面上，转化为电信号，由A/D(模数转换)转换后变为数字图像信号，送到摄像头中的处理芯片中存贮和加工处理，通过USB接口发送到USB主机。当前市场上常见的摄像头以其处理芯片的不同分为两类：一类是OV511芯片；另一类是中星微的ZC303芯片。两种摄像头2采集到的数据在格式上是不同的，通过OV511采集到的原始图片格式为RGB格式，一张图片的大小是十几兆；而ZC303的原始图片格式是jpg格式，一张图片十几K。由于嵌入式硬件资源宝贵以及视频数据数量巨大，本终端选用ZC303芯片的数码摄像头。

在目前Linux核心中，视频部分的标准是Video for Linux(简称V4L)。这个标准定义了一套接口，内核、驱动、应用程序以这个接口为标准进行交流。V4L涵盖视、音频流捕捉及处理等内容，USB接口的摄像头也属于支持的范畴。USB接口的摄像头2驱动首先在内核中声明了一个video_device结构，并且指定文件操作函数指针数组fops，向系统注册。fops有驱动程序中需要提供的基本的I/O操作接口函数open、read、write、close等。在应用程序发出文件操作的相关指令时，内核根据这些指针调用函数，并将该结构作为参数传递给它们。这样就完成了驱动与内核之间的通信。

通过网络下载spca5xx驱动源码，添加至内核源码中的相应位置上，通过修改源码所在的目录下的Makefile和Config文件在编译Linux内核时将其静态的加载至内核中，使编译完成的内核支持ZC303芯片，摄像头2正常运行。

II Video4Linux下视频编程

在程序中常用到如下的数据结构：

struct video_capability videocap；

struct video_picture videopict；

struct video_mmap vmmap；

struct video_mbuf videombuf；

struct video_window vw；

这些数据结构都是Video4Linux支持的，它们的用途如下：

video_capability包含摄像头2的基本信息，例如设备名称、支持的最大最小分辨率、信号源信息等，分别对应着结构体中成员变量name[32]、maxwidth、maxheight、minwidth、minheight、channels(信号源个数)、type等；

video-picture包含设备采集图象的各种属性，如brightness(亮度)、hue(色调)、contrast(对比度)、whiteness(色度)、depth(深度)等；

video_mmap用于内存映射；

video_mbuf利用mmap进行映射的帧信息，实际上是输入到摄像头存储缓冲中的帧信息，包括size(帧的大小)、frames(最多支持的帧数)、offsets(每帧相对基址的偏移)。

video_window包含了capture area的信息。

程序中用到的主要系统调用函数有：open(“/dev/v41/video”，intflags)、close(fd)、mmap(void*start，size_tlength，intprot，intflags，intfd，off_toffset)、munmap(void*start，size_tlength)和ioctl(int fd，int cmd，□)。

Video4Linux下视频编程如下。首先打开视频设备文件，摄像头在系统中对应的设备文件为/dev/v41/video，采用系统调用函数open()，用法如下：

int vd->fd＝open(”/dev/v41/video”，O_RDWR)；

if(fd＜0)return(-1)；

接着对摄像头2进行参数设置。先通过I/O控制命令读取设备信息，然后对待定项进行修改，最后通过I/O控制命令保存到内核中。利用ioctl(vd->fd，VIDIOCGCAP，&vd->videocap)函数读取structvideo_capability中有关摄像头的信息。该函数成功返回后，这些信息从内核空间拷贝到用户程序空间videocap各成员分量中，使用printf函数就可得到各成员分量信息，

完成初始化设置工作后，即可实现视频图像截取，图像截取有两种方法：一为read()直接读取；二为mmap()内存映射。read()通过内核缓冲区来读取数据；而mmap()通过把设备文件映射到内存中，绕过了内核缓冲区，最快的磁盘访问往往还是慢于最慢的内存访问，所以mmap()方式加速了I/O访问。另外，mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一文件实现共享内存，各进程可以如访问普通内存一样对文件进行访问，访问时只需要使用指针而不用调用文件操作函数[3]。程序中采用了内存映射方式，即mmap()方式。

利用mmap()方式视频截取具体进行操作如下：

①先使用ioctl(vd->fd，VIDIOCGMBUF，&videombuf)函数获得摄像头存储缓冲区的帧信息，之后修改video_mmap中的设置，例如重新设置图像帧的垂直及水平分辨率、彩色显示格式。可利用如下语句

vmmap.height＝240；

vmmap.width＝320；

vmmap.format＝VIDEO_PALETTE_RGB24；

②接着把摄像头对应的设备文件映射到内存区，具体使用mmap(0，vd->mbuf.size，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，vd->fd，0)操作。这样设备文件的内容就映射到内存区，该映像内存区可读可写并且不同进程间可共享。该函数成功时返回映像内存区的指针，失败时返回值为-1。

3)、基于Boa的网络处理模块12：

Boa是一款单任务的HTTP服务器，与其他传统的Web服务器不同的是当有连接请求到来时，它并不为每个连接单独创建进程，也不通过复制自身进程来处理多链接，而是通过建HTTP请求列表来处理多路HTTP连接请求，同时它只为CGI程序创建新的进程，这样就在最大程度上节省了系统资源，这对嵌入式系统来说至关重要。同时它还具有自动生成目录、自动解压文件等功能，因此，Boa具有很高的HTTP请求处理速度和效率，在嵌入式系统中具有很高的应用价值。

I Boa在ARM上的移植

从网上下载Boa源码Boa-0.94.13.tar.gz，解压在工作目录中。修改Makefile文件：(a)修改CC＝gcc为CC＝arm-linux-gcc；(b)修改CPP＝gcc-E为CPP＝/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-gcc -E。然后使用make命令生成Boa。使用时还需要对Boa的配置文件根据时机应用进行相应的修改。

II Boa功能实现

嵌入式Web服务器Boa和普通Web服务器一样，能够完成接收客户端请求、分析请求、响应请求、向客户端返回请求结果等任务。它的工作过程主要包括：

(a)完成Web服务器的初始化工作，如创建环境变量、创建TCP套接字、绑定端口、开始侦听、进入循环结构，以及等待接收客户浏览器的连接请求；

(b)当有客户端连接请求时，Web服务器负责接收客户端请求，并保存相关请求信息；

(c)在接收到客户端的连接请求之后，分析客户端请求，解析出请求的方法、URL目标、可选的查询信息及表单信息，同时根据请求做出相应的处理；

(d)Web服务器完成相应处理后，向客户端浏览器发送响应信息，关闭与客户机的TCP连接。

嵌入式Web服务器Boa根据请求方法的不同，做出不同的响应。如果请求方法为HEAD，则直接向浏览器返回响应首部；如果请求方法为GET，则在返回响应首部的同时，将客户端请求的URL目标文件从服务器上读出，并且发送给客户端浏览器；如果请求方法为POST，则将客户发送过来的表单信息传送给相应的CGI程序，作为CGI的参数来执行CGI程序，并将执行结果发送给客户端浏览器。Boa的功能实现也是通过建立连接、绑定端口、进行侦听、请求处理等来实现的。其初始化部分的源代码，用于打开一个有效的socket描述符，然后将其转换为无阻塞套接字。函数bind()用于建立套接字描述符与指定端口间的关联，并通过函数listen()在该指定端口侦听，等待远程连接请求。

Boa的整体工作流程如图3所示，当侦听到连接请求时，Boa调用函数get_request(int server_sock)获取请求信息，通过调用函数accept()为该请求建立一个连接。在建立连接之后，接收请求信息，同时对请求进行分析。当有CGI请求时，为CGI程序创建进程，并将结果通过管道发送输出。

根文件系统中的配置文件linuxrc

虚拟机上使用交叉编译链接该程序使之生成可执行代码，将该可执行代码存储在U盘上。为了保证在硬件平台上上电后能自启动该段代码，在编译Linux2.6内核时指定了进入根文件系统时执行的第一个脚本文件linuxrc，该脚本文件是一个shell脚本文件，常用的功能为加载必要的模块、动态加载内核所需的驱动和挂载文件系统。

实现了视频数据采集终端的硬件平台与软件平台的搭建。将Boa移植到运行Linux操作系统的ARM处理器上，建立嵌入式Web服务器，为用户提供基于HTTP协议的网络接入方式，这样的设计方案可以很好地运用到网络监控系统中。由于Boa只支持基于CGI的动态网页，因此需要编写适当的CGI程序来实现对视频数据的发送和对控制指令的处理。Web服务器通过调用CGI程序实现网络图像采集，同时向监控现场发送各种指令。

该方法实现了单帧图像的采集，并保存成文件的形式供进一步处理和网络传输使用。该终端安装简单、对网络带宽要求较低并且安装费用低，适合对于图像实时性要求不高的环境下安装和使用。

Claims

1.一种嵌入式系统Web服务器的图像采集终端，其特征在于包括CPU，所述CPU通过USB接口连接数码摄像头，所述CPU通过USB接口连接U盘，所述CPU通过UART接口引出RS232接口，所述CPU连接有Flash存储器、SDRAM动态存储器、网络控制器和用于给CPU上的RTC电路供电的RTC后备电池；

所述CPU为S3C2410处理器；

所述Flash存储器中的软件包含三个模块：

(1)用于获取系统时钟的时间获取模块；

(2)基于Video4Linux下视频采集模块；

(3)基于Boa的网络处理模块。

2.根据权利要求1所述的嵌入式系统Web服务器的图像采集终端，其特征在于所述数码摄像头为采用中星微ZC303芯片的数码摄像头。

3.一种利用权利要求1所述的嵌入式系统Web服务器的图像采集终端实现图像采集的方法，其特征在于包括以下步骤：

所述视频采集模块采集摄像头摄制的图像信息，终端启动后，运行存储在NAND Flash中的视频采集程序，该程序通过控制所述摄像头中自带的主控芯片对采集到的图像信息进行处理，处理后的数据通过所述USB接口被所述S3C2410处理器保存至所述USB接口连接的U盘中，所述网络处理模块对收集的图像信息进行上传处理。