基于Lab VIEW的远程视频监控系统设计与实现

许 珍，苏亚辉，2，夏 懿，贾素茂，岳 兵，任飞飞，周梦杰

（1.安徽大学 电气工程与自动化学院，安徽 合肥230601；2.安徽大学 计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽 合肥230039）

随着电子信息技术的发展和人们安全防护意识的增强，视频监控系统成为热门的研究［1-3］，并广泛应用于各领域（如居民住宅、银行、超市、交通等）［4-7］.应用领域的增加，导致实际应用中需要解决的技术问题越来越多.基于ARM、DSP等平台的视频监控系统在此基础之上陆续出现［8-9］，其中彭铁钢［8］使用ARM9 S3C2440作为处理器，开发容易，成本较低，但编码器部分是系统的性能瓶颈，且系统视频流畅度有待提高（其帧率为15 f／s）.张震震［9］使用TI公司的DSP芯片DM6437作为处理器，适合处理大量视频压缩算法，但若用其控制云台，处理器会因频繁中断，实时性下降，工作效率降低.

为解决上述问题，系统选用同时具有ARM和DSP内核的双核芯片TMS320DM6446［10］作为核心处理器.主控芯片的DSP处理器完成视频信息预处理、视频压缩算法；ARM处理器完成对整个系统的控制.二者协同工作，用于解决算法处理和系统控制分离等缺陷.

此外，随着网络多媒体技术的迅速发展，传统的近端视频监控系统［11］已不能满足视频会议、工业控制等诸多需要远程安防的领域的需求.因此，近些年远程视频监控逐步出现［12-15］.为解决远程视频监控的配置和操作的稳定性等问题，系统利用了Lab VIEW的Remote Panel技术，设计了基于B／S模式的可变焦、多视角的视频监控系统.

1 监控系统总体结构

系统上位机程序选用Lab VIEW编写，系统可以直接运用其集成的通信协议（如RS-485协议）和组件技术（如ActiveX）等［16］.下位机采用TMS320DM6446作为核心处理器，进行视频信息预处理，视频压缩传输并接收上位机的控制命令，从而控制云台方位的运动和镜头参数调节等功能.

系统总体流程图如图1所示，监控终端获取视频信息，对视频信息进行初步处理后可直接在视频处理后端使用LED显示器显示监控画面.本系统设计的重点是Lab VIEW近端监控和远程网页监控.视频信息提取压缩后通过流媒体服务器以网络为媒介传输到上位机Lab VIEW显示控制界面.与此同时，根据提取目标的运动信息分别对云台进行方位控制和镜头参数调节，实现Lab-VIEW近端监控.远端计算机得到授权后可以使用网页浏览器实现实时监控.

图1 视频监控总体流程图 Fig.1 Overall flowchart of video surveillance

2 系统下位机功能模块实现

系统结构框如图2所示，主控芯片选用TMS320DM6446双核处理器.结合DM6446提供的外围接口设计了各功能模块，包括视频输入模块、数据存储模块、云台控制模块、JTAG接口配置模块、视频处理后端、视频传输模块、电源模块等.

图2 系统结构框 Fig.2 Diagram of the system

2.1 云台控制模块

云台机械部分使用Pro／E绘制，经加工而成.云台水平扇扫和垂直俯仰分别使用直流电机C4981和舵机SG5010控制.舵机的精度0.14 s／60°，采用50 Hz频率，较好地去除了抖动问题.为了使舵机和直流电机更精确地控制整个系统，要求较高的转速稳定度，系统采用了速度预定和陀螺仪作为位置矫正，其控制框图如图3所示.

图3 云台控制结构框图 Fig.3 Structure diagram of PTZ control

云台通过串口接收服务器端计算机的控制码（即上位机发送过来的命令），并对控制码进行命令解析.将解析的命令转换成相应能够驱动云台转动和摄像机镜头动作的控制电压.驱动云台控制电路和摄像机镜头控制电路以控制云台转动，摄像机镜头参数调节等操作.云台控制模块软件程序流程图如图4所示.

图4 云台控制程序流程图 Fig.4 Diagram of part control program block

系统软件采用模块化思想进行设计，根据系统功能分析系统软件可划分为以下模块：系统初始化、指令数据包接收、指令数据包校验和指令控制.为了提高指令数据包接收的实时性和可靠性，指令数据包接收采用中断方式进行.因此，系统云台控制软件部分可分为主程序和中断程序两大部分.主程序由系统初始化、指令数据包校验和指令解析控制等模块构成.系统初始化模块主要实现主控芯片端口初始化、串口初始化、定时器初始化等功能；指令数包校验模块是根据通信协议的规定算法对接收到的指令数据包进行数据正确性校验，以保证接收到指令的正确性；指令解析控制模块是根据接收到的指令进行相应的云台、摄像机镜头的运行或状态控制操作.

2.2 视频输入模块

系统选择海康威视DS-2CZ2192P-WD型号模拟摄像机采集视频信息.DM6446的视频处理前端VPFE（video processing front end）含有CCD控制器、预处理器等模块，具有一定的图像、视频处理功能.但其不能直接将10bit的原始数据转换成需要的数据格式，因此需要在视频输入模块添加一个功能更为强大的视频解码设备来完成工作.

系统采用TI公司的TVP5150［17］作为视频解码器芯片.它是一款超低功耗视频解码器，支持两种视频格式输入，可同时输入两路复合视频信号或一路超级视频信号，输出的视频格式为8 bit ITU-R BT.656，同时也可单独输出视频的同步信号，非常适合在低功耗、便携式的场合使用.

2.3 数据存储模块

根据系统的数据存储需求，系统设计了DDR2，NAND Flash和SD外部存储器及接口.DDR2选用的芯片为MICRON公司的MT47H64M16，内存规格为8M＊16＊8banks，单片内存大小为1Gbit.基于NAND Flash写入速度、擦除速度快、价格相对便宜以及拥有更高的存储单元密度等优点.本系统选用NAND Flash作为DM6446的系统内核，以便系统上电时程序顺利加载.另一方面，NAND Flash也可存储系统中的应用程序和视频处理算法.系统NAND Flash芯片选用的是三星公司的K9K1208Q0C，它拥有262144个行地址以及528个列地址，芯片的总容量高达l Gbit.此外，系统还外接了8 Gbit的SD Card存储临时视频文件等.

2.4 实时视频压缩

相对于MPEG-4，H.263等图像压缩技术，H.264具有更好的网络传输适应性和高压缩比，因此更适合于网络远程视频监控系统.系统使用的H.264视频压缩处理进程采用多线程结构，主要包含以下4个线程：Main thread、Capture thread、Video thread和Writer thread.Video线程首先从Capture线程获取原始图像数据，使用DM6446的DSP进行视频压缩，压缩成H.264格式，再发送给Write线程.

2.5 实时网络传输

在Linux环境下搭建流媒体服务器，通过网络把实时采集到的视频传输给远程客户端.安装Helix Server服务器软件后，对服务器进行配置.采集的H.264视频压缩文件使用NFS挂载到流媒体服务器中的Content目录下即可实现视频的网络传输，远端客户机通过支持H.264文件格式的播放器便可观看监控画面.

3 Lab VIEW上位机设计

为使视频监控系统控制与显示界面一体化，系统利用Lab VIEW软件编程，实现视频信息的解析、存储、回放等功能，后期拟添加追踪算法等.同时使用Lab VIEW设计控制界面，实现云台的方位及镜头参数调节等功能.

3.1 通信协议

Lab VIEW控制界面与下位机之间采用长距离抗干扰性强的RS485通信，通信协议使用PELCO-D云台专用协议.PELCO-D协议采用一个数据包的格式传输，所有数据均采用十六进制，一个命令数据包由7个字节组成，如表1所示.

表1 PELCO-D协议格式 Tab.1 PELCO-D protocol format

具体设置如下：在command 1中：Bit0为变倍小控制位；Bit1为变倍大控制位；Bit2为Iris open（光圈大）控制位；Bit3为Iris close（光圈小）控制位；Bit4为Focus Far（焦距远）控制位；Bit5为Focus Near（焦距近）控制位；Bit7和Bit6始终为0.Command2字节中，Bit0，Bit1，Bit2，Bit3分别为上、下、左、右控制位；Bit4，Bit5，Bit6，Bit7分别为最上端、最下端、最左端、最右端控制位.这两个字节中，所有控制位置1为有效，置0为无效.

3.2 控制界面

控制界面主要用来发送数据给下位机，以控制云台方位运动和镜头参数调整.此设计用VISA驱动模块实现数据的发送.VISA作为仪器I／O函数库，编程与传统的I／O软件编程基本相同，主要是通过设备的端口读写操作和属性控制，实现仪器的命令与数据交换.

程序设计首先进行VISA串口配置，选中VISA配置串口节点.配置参数包括波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、流控制、超时处理、结束符使能以及结束符.此处配置选用默认值可满足本设计需要.然后调用While循环，在此循环内利用VISA Write节点进行数据发送操作.

Lab VIEW前面板界面包括云台动作控制：上、下、左、右、最上端、最下端、最左端、最右端；镜头参数调节控制：变焦长、变焦短、聚焦近、聚焦远、光圈大、光圈小.

3.3 显示界面

系统利用ActiveX容器创建Windows Media Player播放器控件，并用属性节点和调用节点对其配置，实现系统视频解码.为了解决Windows Media Player不支持H.264格式视频播放问题，嵌入了H.264视频解码器.Windows Media Player支持实时传输控制协议RTSP，对其进行配置可接收远端服务器视频信息.使用Lab VIEW编写系统显示与控制主界面如图5所示.

图5 系统主界面 Fig.5 Main interface of the system

3.4 远程多机显示控制实现

系统选用Lab VIEW来实现远程监控，不但拓宽了监控远程化距离，减少控制系统运行成本，还实现了多台PC在不同地点监控的目标.其具体设置操作如下：

设置Lab VIEW Web服务器时，进入主菜单中“工具＞选项”，系统会弹出一个对话框.在对话框下拉菜单中选择“Web服务器配置”页面，继而系统会弹出Web服务器配置对话框.Web服务器配置好后，选择需要发布的VI程序，配置完成后便可在Web上发布HTML文件.在页面上右键选择请求VI控制，获得绝对控制权，利用计算机通过网页浏览器便可访问该网页，授权后可实现控制和显示的效果.测试的结果与在上位机端一致.

4 实现结果与讨论

4.1 云台控制性能分析

系统搭建完成后，对其进行功能测试，证明系统能稳定实现手动追踪、近端与远程视频监控性能稳定.云台方位控制测试结果与分析如下：

控制云台运动的PWM波上升沿为0.5～2.5 ms，精度为8μs，舵机旋转角度精度为0.72°.经多次试验，得到上下俯仰45°时，俯仰角度与上升沿触发次数关系图，如图6（a）所示；水平扇扫90°时，水平扇扫角度与上升沿触发次数关系图，如图6（b）所示.

图6 云台偏转角度与触发次数关系图 Fig.6 Diagram of between PTZ deflection angle and rising edge trigger frequency

根据相关误差处理公式对云台方位控制的测试数据进行处理.

式中：n为PWM波上升沿触发次数；ε为绝对误差；θn为PWM触发n次后的角度；φ是单次触发角度均值.

对于上下俯仰运动，由曲线图可以看出绝对误差ε=2；根据公式（1）算出相对误差δ=4.4；由公式（2）和（3）算出标准方差s2=0.881.同理水平扇扫时，绝对误差ε=5°；根据公式（1）得到相对误差δ2=5.5%；由公式（2）和（3）计算出标准方差s2=1.168.

4.2 系统监控效果

除了测试云台方位运动性能外，还对视频监控系统近端与远程视频监控效果进行测试和分析.

测试选用笔筒作为被监控目标，进行Lab-VIEW上位机近端实时控制与显示.实验目标是通过点击云台方位运动按钮将被监控目标笔筒移动到监控视野中央，再使用镜头调节按钮将被监控目标笔筒进行放大，以清晰地观察被监控目标的细节特征.其监控效果如图7所示.

其中，初始画面如图7（a）所示；通过点击Lab VIEW上位机界面的方位移动按钮，将监控目标移动到监控视野中心位置如图7（b）所示；再使用Lab VIEW上位机界面镜头调节按钮，将被监控目标放大如图7（c）所示；继续将被监控目标进一步放大，可以进一步看清目标的细节如图7（d）所示.

图7 Lab VIEW近端监控图 Fig.7 Diagram of proximal Lab VIEW monitor

除了进行近端Lab VIEW界面显示和控制测试外，还进行了IE浏览器远程视频实时监控测试.此次试验仍是以笔筒为被监控目标，实现网页远程监控.计算机获得授权后，通过点击网页上的云台方位运动按钮和镜头参数调节按钮将被监控目标移动到监控视野中央并放大.IE浏览器远程监控过程中云台响应与监控画面显示均良好，具体测试效果如图8所示.

图8 IE浏览器远程监控图 Fig.8 Diagram of IE browser remote monitor

其中，图8（a）是云台初始位置画面；图8（b）通过调节上下左右方位按钮将被监控目标笔筒移动至画面中央；图8（c）和图8（d）图是对被监控目标进行不同比例的放大，使目标特征更加明显.

上述Lab VIEW近端和IE浏览器远程控制和显示实验的视频信息采集，采用海康威视DS-2CZ2192P-WD枪式模拟一体机摄像机.该摄像机的有效像素为752（水平）×582（垂直），变焦范围为36倍光学变焦及16倍数字变焦.文献［11］的枪式摄像机像素为515（水平）×582（垂直），可变焦范围为27倍光学及10倍数字变焦.从上述数据可以看出，本系统所采集视频的清晰度满足实际视频监控需求，且高于文献［11］.本系统实际采集的视频分辨率为720（水平）×480（垂直），码率为2 400 000，帧率为25 f／s，满足人眼观看流畅度要求，且高于文献［8］实时速度15 f／s.此外，本系统摄像机采用PAL制式，每秒采集25帧图片，系统视频帧速率达25 f／s（DSP内核的视频编码速率25 f／s，ARM核的传输速率也达到了25 f／s），此时DSP CPU负荷为69%，实现了编码视频流的实时传输.

5 结束语

系统以DM6446为核心处理器，使用Lab-VIEW作为上位机编程软件，实现了预设的手动追踪功能.对系统的性能进行了测试，云台控制响应速度较快，水平扇扫和垂直俯仰运动控制稳定（上下俯仰相对误差为4.4%，水平扇扫相对误差为5.5%），变聚焦（27倍光学及10倍数字变焦）功能良好.系统实时监控时DSP CPU负荷为69%左右，视频帧速率达25f／s（DSP内核的视频编码速率25 f／s，ARM核的传输速率也达到了25 f／s），实现了编码视频流的实时传输.

本系统具有远端网络监控易配置、功能可扩展，可用于家庭、工厂、学校以及银行等多种领域，具有较好的市场前景.后期可研究追踪算法，进一步实现监控系统的智能化和人性化.

［1］Lee S C，Nevatia R.Hierarchical abnormal event detection by real time and semi-real time multi-tasking video surveillance system［J］.Machine vision and applications，2014，25（1）：133-143.

［2］Wang X，Wang M，Li W.Scene-specific pedestrian detection for static video surveillance［J］.Pattern Analysis and Machine Intelligence，IEEE Transactions，2014，36（2）：361-374.

［3］Groenenboom J.Audio module for a video surveillance system，video surveillance system and method for keeping a plurality of locations under surveillance：U.S.，8，624，975［P］.2014-01-07.

［4］王博，高玉斌.远程伺服系统外物入侵的视觉检测系统设计［J］.中北大学学报（自然科学版），2014，35（5）：558-564.Wang Bo，Gao Yubin.Design of visual invade detection system for remote servo［J］.Journal of North University of China（Natural Science Edition），2014，35（5）：558-564.（in Chinese）

［5］Cai Y，Medioni G，Dinh T B.Towards a practical PTZ face detection and tracking system［C］∥Applications of Computer Vision（WACV），2013 IEEE Workshop on.IEEE，2013：31-38.

［6］Huang S C.An advanced motion detection algorithm with video quality analysis for video surveillance systems［J］.Circuits and Systems for Video Technology，IEEE Transactions on，2011，21（1）：1-14.

［7］赵正杰.基于CC1110的井下SimpliciTI无线监测传感网络设计［J］.中北大学学报（自然科学版），2013，34（2）：194-198.Zhao Zhengjie.Design of underground simpliciTI wireless monitoring sensor networks based on CC1110 chip［J］.Journal of North University of China（Natural Science Edition），2013，34（2）：194-198.（in Chinese）

［8］彭铁钢，刘国繁，曹少坤.基于ARM的嵌入式视频监控系统设计［J］.计算机工程与设计，2010，31（6）：1191-1194.Peng Tiegang，Liu Guofan，Cao Shaokun.Design of embedded video surveillance system based on ARM［J］.Computer Engineering and Design，2010，31（6）：1191-1194.（in Chinese）

［9］张震震，李临生，田启川.基于DSP的视频监控平台的设计［J］.微型机与应用，2013，32（6）：86-88.Zhang Zhenzhen，Li Linsheng，Tian Qichuan.Design of video surveillance platform base on DSP［J］.Microcomputer ffIts Applications，2013，32（6）：86-88.（in Chinese）

［10］Instruments T.TMS320DM6446 digital media system-on-chip［EB／OL］.Texas Instruments，2007：11-23.

［11］吕世良，王晓茜，刘金国.数字视频监控系统设计与实现［J］.测控技术，2014，33（2）：80-82.LüShiliang，Wang Xiaoqian，Liu Jinguo.Design and realization of digital video monitoring system［J］.Measurement ffControl Technology，2014，33（2）：80-82.（in Chinese）

［12］张秋林，夏靖波，邱婧.基于ARM和FPGA的双路远程视频监控系统设计［J］.液晶与显示，2012，26（6）：780-784.Zhang Qiulin，Xia Jingbo，Qiu Jing.Design of dual remote video momitoring system base on ARM and FPGA［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，26（6）：780-784.（in Chinese）

［13］Micheloni C，Rinner B，Foresti G L.Video analysis in pan-tilt-zoom camera networks［J］.Signal Processing Magazine，IEEE，2010，27（5）：78-90.

［14］曲广建，朱振海，汪旭光.远程视频监控技术研究及在工程爆破中的应用［J］.工程爆破，2012，18（3）：81-84.Qu Guangjian，Zhu Zhenhai，Wang Xuguang.Remote video surveillance technology research and application in engineering blasting［J］.Engineering Blasting，2012，18（3）：81-84.（in Chinese）

［15］Zhang J，Wang Y，Chen J，et al.A framework of surveillance system using a PTZ camera［C］∥Computer Science and Information Technology（ICCSIT），2010 3rd IEEE International Conference on.IEEE，2010，1：658-662.

［16］陈树学，刘萱.Lab VIEW宝典［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［17］Instruments T.TVP5150 Data Manual［EB／OL］.Texas Instruments Incorporated，2002，2：3-4.