基于嵌入式Linux的图像监控系统

安徽财经大学（东校区） 卢 骞 曹海涛

基于嵌入式Linux的图像监控系统

安徽财经大学（东校区） 卢 骞 曹海涛

在Linux环境下实现图像监控，服务器使用多生产者多消费者模型，同步了采集端的图片传输与客户端的图片获取操作，保证了数据传输的正确性、有序性、与完整性。使用动态多缓冲机制解决了，消费者消费速度过慢而引起的数据丢失问题。多播技术提高了网络数据传输速率，明显改善画面的卡顿现象。

生产者-消费者；动态缓冲区；多播；数据采集；同步；互斥

在本次项目中通过使用摄像头做为采集端，装有linux系统的pc做为服务端，另有客户端软件，以供用户实时观察布设采集端区域的画面。

在本项目中采集端与客户端的关系，为一对多，即多个客户端可以同时获取同一采集端采集到的画面信息。两者具有明显的生产者与消费者的关系。

关系较为复杂，可以逐步分解后，利用生产者消费者模型，进行建模。

1.每个采集端代表一个进程，可以将多个生产者的情况，分解为只有一个采集端的，最后在汇总求得多个采集端与多个客户端之间的对应关系，并用代码实现其功能

2.一个采集端与多个客户端，即为一个生产者多个消费者模型。将采集端采集到的每一帧画面压缩后，通过网络传输至服务端，并将此帧画面通过“多播”的形式，发送给每个请求该采集端的客户。此过程可能会出现播放不流畅、丢帧等问题。主要原因在于，生产者提供帧信息的速度大于消费者消费帧信息的速度，使得生产者的帧信息发生数据丢失。同时，多个消费者均需要获取同一帧信息，导致了消费者平均等待时间较长、画面播放不流畅。

问题解决方案：

1.通过增设动态缓冲区，使得生产者不会因消费速度过慢导致数据丢失。

2.通过使用多播技术提高数据传输速率，解决画面卡顿问题。

生产者消费者介绍：

生产者-消费者模型是现代操作系统中典型的进程同步互斥问题，大量的多线（进）程通信系统应用都可以抽象为该系统的不同形式根据生产者、消费者以及缓冲区的数量，此问题可以分为8类［1］：

（1）单个生产者、单个消费者、单个缓冲区

（2）单个生产者、单个消费者、多个缓冲区

（3）单个生产者、多个消费者、单个缓冲区

（4）单个生产者、多个消费者、多个缓冲区

（5）多个生产者、单个消费者、单个缓冲区

（6）多个生产者、单个消费者、多个缓冲区

（7）多个生产者、多个消费者、单个缓冲区

（8）多个生产者、多个消费者、多个缓冲区

生产者消费者模型的选取：

本次项目选择多生产者—多消费者模型，并建立动态多缓冲机制。为解决服务端中生产者数据丢失问题，可在内存中动态开辟缓冲区，并将缓冲数据的节点按序链接形成链表，并提供首尾指针分别供消费者和生产者使用。在服务端的一个线程中创建节点接收采集端发送的帧信息，接收完成后将此节点链接至链表尾部。在另一个线程中不断的读取链表首部的节点，将节点从链表首部取下，将head指针指向下一待消费的节点。并取出节点中的帧信息以多播的方式发送给多播组成员。在生产者、消费者线程中，对链表以及链表首尾指针的操作作为临界资源，必须互斥访问，以避免任何情况的竞争条件。

struct ｛/* data shared by producers and consumers */

struct DATA_NODE *head；

struct DATA_NODE *tail；

Sem_t mutex， nstored； /* semaphores， not pointers */

｝ shared；

void *produce（void *）， *consume（void *）；

数据传输方式介绍：

网络中的数据传输方式分为单播、广播和多播。单播设计为发送信息至某一指定主机，广播将数据包发送给同一网络中的所有主机，而多播实现了把数据包发送给分散在各个子网的多播组成员

单播是一种点对点的传输方式，在向多个目标发送同一信息时，要将信息拷贝多次后分别发送至目标。单播的方式避免了发送数据给不需要的主机，但拷贝每份信息并经过网络传输，占用了很高的带宽和资源，效率极低。

广播能够传送一个单独的数据流到整个子网，路由器和接线器传播广播。广播方式对主机资源开销不比单播大，但对网络资源占用极大，并可能引起广播风暴使得网络瘫痪。广播传播的消息只能在子网范围内，不能跨越子网传输。

多播是一种传播信息到多个组成员的方法。组成员接收数据包，其它成员过滤掉硬件层的多播信息。多播组成员通常比全部接受者的数量少的多，动态的多播接受者组可以迅速的建立和解散。

传输方式的选取：

本次项目中需要将一个采集端采集到的信息，发送给每一个选择该采集端的客户。单播方式占用服务端内存资源，增加网络负担，效率较低，会出现画面卡顿的现象。实际使用中客户端分散在各个子网中，广播方式限制较大，并会占用大量网络资源，存在广播风暴的风险。多播可较好的解决此问题，多播可以将同一数据流发送给多播组内的每个成员，对主机资源占用较少，减轻了网络负担，并且没有网络位置的限制。在编程实现中，根据客户端的选择将客户端ip分入不同的多播组，采集到的图片帧通过多播方式发送给多播组成员。

结论：

生产者消费者模型使用广泛，在实际应用中，要根据具体的应用需求，选择合适的生消模型以系统中的同步问题。动态多缓冲机制可将效率较低的同步操作，转化为具有整体同步效果的异步操作，大大增加了实际通信效率。在网络编程中，发送相同数据包至多个目标主机，优先考虑多播技术。多播对主机资源占用较少，减轻了网络负担，并且没有网络位置的限制。

［1］李晓宇.操作系统中并发进程的生产者-消费者问题的研究［J］.许昌学院学报，32（2）：52-56.

项目来源：本文系安徽财经大学大学生科研创新基金项目研究成果，项目编号：XSKY1609ZD；安徽财经大学大学生创新创业计划项目研究成果，项目编号：201510378531。