基于硬件壓縮技術的嵌入式圖像監控系統設計

　　1 引言

　　在危險的工業現場等應用領域，實施圖像監控的意義十分重大。圖像監控技術從模擬圖像監控到數字圖像監控是監控系統發展的趨勢，是數字化技術和計算機技術發展的必然結果。嵌入式圖像監控系統屬于數字圖像監控系統，能夠很好滿足客觀現狀對圖像監控系統的要求，達到多方位遠程監控的目的。數字圖像監控系統不僅符合信息產業的未來發展趨勢，而且代表了監控行業的未來發展方向，蘊藏著巨大的商機和經濟效益，基于小波壓縮的嵌入式圖像監控系統具有重要的現實意義，面向工業現場、交通、金融、商業等諸多領域的應用。

　　2 圖像監控技術的發展概況

　　2.1 本地模擬圖像監控系統存在的問題

　　圖像監控技術的發展經歷了三個主要階段：模擬圖像監控技術，基于pc的數字圖像監控技術和基于嵌入式系統的數字圖像監控技術。目前國內還較多地使用本地模擬圖像監控系統，即采用由攝像機、視頻矩陣、監視器和錄像機組成的監控系統，使用視頻線、控制線等電纜連接。雖然本地模擬圖像監控系統能夠保證采集得到的圖像清晰、不失幀，但在許多方面都存在著明顯的局限：

　　(1) 輸距離小，只能實現本地監控，而且圖像質量隨傳輸距離的增加而明顯下降;

　　(2) 系統的可擴展性差，由于電視或計算機與攝像頭的接口數目是有限的，因此擴展性差，無法形成復雜的監控網絡;

　　(3) 后期處理能力不強，無法利用先進的數字圖像處理技術，而且由于存儲介質限制，無法實現圖像數據的大容量存儲;

　　(4) 無法利用現有的網絡，必須重新鋪設專用線路，存在重復投資等問題。

　　2.2 對圖像監控系統的要求

　　隨著技術的進步和社會經濟的不斷發展，客觀上對圖像監控系統的準確性、有效性和方便性提出了更高的要求，主要體現在以下兩個方面：

　　(1)需要實施圖像監控的范圍更加廣闊，由傳統的安防監控向管理監控和生產經營監控發展，而且對同一套系統的覆蓋面和實施距離也提出了更高的要求，達到點多面廣的監控效果;

　　(2)要求監控系統與管理信息系統、網絡系統結合，實現對大量圖像數據的壓縮存儲、傳輸和自動處理，從而達到資源共享，為各級管理人員和決策者提供方便、快捷和有效的服務。

　　數字圖像監控系統不僅可以克服模擬圖像監控系統的局限性，而且能夠很好地滿足客觀現狀對圖像監控系統的高要求。第一代數字圖像監控系統是以pc機為核心，以大容量硬盤作為存儲介質，使用pc機處理圖像信號，利用計算機的數據處理能力與顯示器的高清晰度，將視頻信號通過視頻采集卡采集到計算機中、并由顯示器顯示，大大提高了圖像的質量，利用通信接口卡，可以通過通信網絡實現信息在一個多個監控中心的共享，很好地體現了數字圖像監控系統的優勢。但同時也存在缺點：一是無法實現“無人值守”，系統需要專人看護;二是穩定性較差，整個系統的穩定性依賴于pc機的性能，而且功耗相對較大。新一代的數字圖像監控系統以嵌入式處理器為核心，開發以太網接口直接實現圖像數據經現有網絡傳輸，授權用戶在任何地方都可以通過普通的網絡瀏覽器查看監控終端的圖像，工程費用大大降低，而且系統可以長時間穩定運行。

　　數字監控設備的核心技術在于將模擬視頻信號數字化并壓縮編碼在可利用的數字通信線路上傳輸。目前常用的圖像壓縮技術有：jpeg標準，mpeg標準、h.26x標準和小波變換等。jpeg標準是由國際圖像編碼聯合專家組于1990年最終確定的靜止圖像壓縮編碼技術，該標準包括圖像編碼和解碼以及壓縮圖像數據的編碼表示。該標準的基本編碼方式是將圖像分成8×8的子塊，分別作dct、量化，然后進行哈夫曼(或算術)編碼，無需進行幀間編碼;mpeg標準是用于運動圖像及其伴音壓縮與編碼的標準，該標準包括：(1)mpeg-1是面向普通家庭電視機分辨率水平的視音壓縮標準，旨在達到vcr質量，視頻壓縮率為26:1;(2)mpeg-2是面向廣播電視級分辨率視頻的視音壓縮標準，適用于計算機顯示質量的圖像，壓縮后的數據率為6mbps，可將視頻節目中的視頻、音頻、數據內容等組成部分復合成單一的比特流，適合于在網上傳輸;(3)mpeg-4用于每秒10幀低速率和64kbps的低帶寬視頻信號傳輸，編碼系統開放并可隨時加入新的算法;(4)mpeg-7標準是針對基于內容檢索需求的“多媒體內容描述接口”，它將多種不同類型的多媒體信息進行標準化的描述，同時為多媒體描述的不同步驟定義了一整套的方法和工具，將描述與所描述的內容相聯系，以實現快速有效的搜索;h.26x標準主要是指h.261標準和h.263標準：

　　(1)h.261是于1989年制定的可視電話和電視會議的視頻壓縮標準，建議傳輸速率為p×64kbps(p=1~30)，該標準采用具有運動補償的幀間預測，然后對預預測誤差作dct、量化和霍夫曼編碼，采用向前預測使編碼延遲減小;

　　(2)h.263標準是itu-t制定的低比特率視頻壓縮標準，采用的圖像格式為qcif(180×144)或subqcif(128×96);小波變換以其良好的空間-頻率局部特性和與人眼視覺相符的變換機制，在圖像編碼領域得到了廣泛應用。在小波壓縮系統中，有2個至關重要的因素：一是壓縮編碼算法;二是小波濾波器。壓縮編碼算法主要有shapiro的零樹編碼以及said的spiht和xiong的時頻量化等。在濾波器的選擇上一般選擇正交濾波器組，除去圖像像素之間的相關性。cohen和daubechies等人的9-7雙正交小波基不僅具有良好的數學性質，還具有良好的壓縮性能，與小波變換相配套的零樹編碼算法以其高效性被mpeg-4采納。在圖像監控領域采用小變換算法或集成小波變換功能的芯片，將使圖像的質量得到很大幅度的提升，是一種優良的解決方案。

　　目前國際上很多廠商遵照h.261、mpeg-i、mpeg-ii、wavelet標準研制生產除了單片型的視頻傳輸編解碼器，采用硬件方式進行圖像的壓縮和解壓縮，完全脫離pc結構。通常分為編碼部分和解碼部分，一對編解碼器配合使用可以同時對視頻音頻數據的雙向傳輸。它有效的解決了視頻信號在低帶寬線路上的傳輸，使長距離傳輸實時活動圖像變得容易和便宜。

　　3 嵌入式處理器的發展概況

　　嵌入式系統 (embedded system)被定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。今天，嵌入式系統已經無處不在，從汽車、pda、電視機，到工控生產現場、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等方面，都能發現嵌入式系統的蹤影。從國內外的嵌入式系統發展狀況來說，嵌入式系統的應用正在從傳統的單一應用范圍、狹窄應用對象、簡單實現功能向現在和未來社會需要的應用需要進行轉變。工業自動化領域對嵌入式系統的需求正在慢慢擴大，特別是最近幾年來隨著工業以太網的發展，對嵌入式智能設備的需求越來越明顯。嵌入式系統在智能設備里面的應用，是對嵌入式系統概念和應用范圍的一個變革，會出現一個由多芯片、多處理器占領工業自動化應用市場領域的局面。

　　目前，在嵌入式處理器市場上，arm系列處理器以其高性價比，價格低廉廣受用戶青睞，而且許多國際知名的芯片生產廠家都已經購買了arm芯片設計許可并開始大量生產針對特定應用領域的arm芯片，芯片種類十分豐富。arm公司專注于芯片內核設計，其內核功耗少、成本低、功能強，特有的16位/32位雙指令集，存儲器比等價32位代碼節省近35%，16位的thumb狀態和正常的arm狀態之間的開銷為零。目前arm嵌入式處理器有5個產品系列-arm7、arm9、arm9e、arm10和securcore。

　　arm7系列是低功耗的32位核，最適合應用于對價位核功耗敏感的產品，可分為應用于實時環境的arm7tdmi、arm7tdmi-s以及適用于開放平臺的arm720t核適用于dsp運算及支持java的arm7ej等。arm7采用三級流水線和馮-諾依曼結構，提供0.9mips/mhz的性能。迄今為止，arm7tdmi是世界上應用最廣泛的32位嵌入式處理器。

　　arm9系列采用5級流水線和哈佛結構，提供1.1mips/mhz的性能，是高性能和低功耗的硬宏單元。arm920t和arm922t具有全性能的mmu、指令和數據cache以及高速amba總線接口。

　　arm10系列硬宏單元，帶有dsp擴展、embeddedice-rt、全性能mmu、cache和64位ahb指令和數據接口，采用六級流水線，提供1.25mips/mhz的性能，比同等的arm9器件性能提高50%。

　　嵌入式操作系統通常分為商用型和免費型兩類。商用的嵌入式操作系統有windriver(風河)的vxworks和psos、美國ati的nucleus plus以及microsoft(微軟)的windows ce等。免費的嵌入式操作系統有嵌入式ulinux、uc/os等。商用型操作系統功能穩定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，但往往價格昂貴。免費型操作系統具有源代碼公開和無需版稅的優勢，但也存在著開發困難的不足。

　　數字監控設備的核心技術在于將模擬視頻信號數字化并壓縮編碼在可利用的數字通信線路上傳輸。目前常用的圖像壓縮技術有：jpeg標準，mpeg標準、h.26x標準和小波變換等。jpeg標準是由國際圖像編碼聯合專家組于1990年最終確定的靜止圖像壓縮編碼技術，該標準包括圖像編碼和解碼以及壓縮圖像數據的編碼表示。該標準的基本編碼方式是將圖像分成8×8的子塊，分別作dct、量化，然后進行哈夫曼(或算術)編碼，無需進行幀間編碼;mpeg標準是用于運動圖像及其伴音壓縮與編碼的標準，該標準包括：(1)mpeg-1是面向普通家庭電視機分辨率水平的視音壓縮標準，旨在達到vcr質量，視頻壓縮率為26:1;(2)mpeg-2是面向廣播電視級分辨率視頻的視音壓縮標準，適用于計算機顯示質量的圖像，壓縮后的數據率為6mbps，可將視頻節目中的視頻、音頻、數據內容等組成部分復合成單一的比特流，適合于在網上傳輸;(3)mpeg-4用于每秒10幀低速率和64kbps的低帶寬視頻信號傳輸，編碼系統開放并可隨時加入新的算法;(4)mpeg-7標準是針對基于內容檢索需求的“多媒體內容描述接口”，它將多種不同類型的多媒體信息進行標準化的描述，同時為多媒體描述的不同步驟定義了一整套的方法和工具，將描述與所描述的內容相聯系，以實現快速有效的搜索;h.26x標準主要是指h.261標準和h.263標準：

　　(1)h.261是于1989年制定的可視電話和電視會議的視頻壓縮標準，建議傳輸速率為p×64kbps(p=1~30)，該標準采用具有運動補償的幀間預測，然后對預預測誤差作dct、量化和霍夫曼編碼，采用向前預測使編碼延遲減小;

　　(2)h.263標準是itu-t制定的低比特率視頻壓縮標準，采用的圖像格式為qcif(180×144)或subqcif(128×96);小波變換以其良好的空間-頻率局部特性和與人眼視覺相符的變換機制，在圖像編碼領域得到了廣泛應用。在小波壓縮系統中，有2個至關重要的因素：一是壓縮編碼算法;二是小波濾波器。壓縮編碼算法主要有shapiro的零樹編碼以及said的spiht和xiong的時頻量化等。在濾波器的選擇上一般選擇正交濾波器組，除去圖像像素之間的相關性。cohen和daubechies等人的9-7雙正交小波基不僅具有良好的數學性質，還具有良好的壓縮性能，與小波變換相配套的零樹編碼算法以其高效性被mpeg-4采納。在圖像監控領域采用小變換算法或集成小波變換功能的芯片，將使圖像的質量得到很大幅度的提升，是一種優良的解決方案。

　　目前國際上很多廠商遵照h.261、mpeg-i、mpeg-ii、wavelet標準研制生產除了單片型的視頻傳輸編解碼器，采用硬件方式進行圖像的壓縮和解壓縮，完全脫離pc結構。通常分為編碼部分和解碼部分，一對編解碼器配合使用可以同時對視頻音頻數據的雙向傳輸。它有效的解決了視頻信號在低帶寬線路上的傳輸，使長距離傳輸實時活動圖像變得容易和便宜。

　　3 嵌入式處理器的發展概況

　　嵌入式系統 (embedded system)被定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。今天，嵌入式系統已經無處不在，從汽車、pda、電視機，到工控生產現場、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等方面，都能發現嵌入式系統的蹤影。從國內外的嵌入式系統發展狀況來說，嵌入式系統的應用正在從傳統的單一應用范圍、狹窄應用對象、簡單實現功能向現在和未來社會需要的應用需要進行轉變。工業自動化領域對嵌入式系統的需求正在慢慢擴大，特別是最近幾年來隨著工業以太網的發展，對嵌入式智能設備的需求越來越明顯。嵌入式系統在智能設備里面的應用，是對嵌入式系統概念和應用范圍的一個變革，會出現一個由多芯片、多處理器占領工業自動化應用市場領域的局面。

　　目前，在嵌入式處理器市場上，arm系列處理器以其高性價比，價格低廉廣受用戶青睞，而且許多國際知名的芯片生產廠家都已經購買了arm芯片設計許可并開始大量生產針對特定應用領域的arm芯片，芯片種類十分豐富。arm公司專注于芯片內核設計，其內核功耗少、成本低、功能強，特有的16位/32位雙指令集，存儲器比等價32位代碼節省近35%，16位的thumb狀態和正常的arm狀態之間的開銷為零。目前arm嵌入式處理器有5個產品系列-arm7、arm9、arm9e、arm10和securcore。

　　arm7系列是低功耗的32位核，最適合應用于對價位核功耗敏感的產品，可分為應用于實時環境的arm7tdmi、arm7tdmi-s以及適用于開放平臺的arm720t核適用于dsp運算及支持java的arm7ej等。arm7采用三級流水線和馮-諾依曼結構，提供0.9mips/mhz的性能。迄今為止，arm7tdmi是世界上應用最廣泛的32位嵌入式處理器。

　　arm9系列采用5級流水線和哈佛結構，提供1.1mips/mhz的性能，是高性能和低功耗的硬宏單元。arm920t和arm922t具有全性能的mmu、指令和數據cache以及高速amba總線接口。

　　arm10系列硬宏單元，帶有dsp擴展、embeddedice-rt、全性能mmu、cache和64位ahb指令和數據接口，采用六級流水線，提供1.25mips/mhz的性能，比同等的arm9器件性能提高50%。

　　嵌入式操作系統通常分為商用型和免費型兩類。商用的嵌入式操作系統有windriver(風河)的vxworks和psos、美國ati的nucleus plus以及microsoft(微軟)的windows ce等。免費的嵌入式操作系統有嵌入式ulinux、uc/os等。商用型操作系統功能穩定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，但往往價格昂貴。免費型操作系統具有源代碼公開和無需版稅的優勢，但也存在著開發困難的不足。

　　5 圖像監控系統軟件設計

　　系統軟件要完成圖像的實時采集，壓縮，打包，網絡傳輸功能。完成的后的設備相當于帶網卡的計算機和攝像頭的集成，設備分配一個ip地址，可像普通pc機一樣聯入internet網，在全球任何地方都可鍵入正確的ip地址獲取本系統采集的圖像數據，對現場進行實時監控。整個系統的結構示意如圖3所示：

　　圖像監控設備上配有以太網接口rj45，當用網線把監控設備與internet連接，配置好ip地址并運行網絡服務器后，用戶在internet上任何一臺機器上就可以在瀏覽器中敲入ip地址，訪問存在監控設備中的主頁了。另外，主站pc機還可以不斷依次發出查詢信息，對下層嵌入式設備節點進行查詢，下層智能設備也隨時監聽網絡，與上層主站pc機進行數據通信，比如要是讀取信息，則把自己測量的數據打包返回，要是寫入信息，則把數據段的信息寫入相應內存地址。

　　用戶與服務器的交互是通過cgi程序來完成的。cgi(common gateway interface共用通道界面)簡單地講是個運行在web服務器上的程序，由瀏覽器的輸入觸發。這個腳本通常是客戶端與服務器中其他程序如數據庫的橋梁。用戶可以通過點擊頁面，監視下層數據，如溫度，開關狀態等，具體交互過程如圖4所示：

　　用戶在遠程瀏覽器輸入智能設備的ip值以后，當得到服務器確認后，進入監控界面。上面有對智能設備重要數據的顯示和下傳界面。用主頁來顯示數據監控界面，不僅利用了現有it技術，節省購買和開發監控顯示軟件的費用，而且使用戶不受地域的限制，后一點在工業自動化應用中具有十分重要的意義。這使得智能設備像普通pc機一樣聯入internet網，在全球任何地方都可鍵入正確的ip地址獲取智能設備采集的數據，對現場進行實時監控。

　　6 結束語

　　基于硬件壓縮技術的嵌入式圖像監控系統采用了目前先進的小波變換技術和嵌入式技術，設計完成的圖像監控系統具有傳統的圖像監控系統無可比擬的優勢，能夠成功地應用到工業現場。而且由于大多的現場總線設備都提供了以太網接口，因此本系統能夠方便地實現與現場總線網絡的互聯，真正實現網絡監控、管控一體化的目的。