多路嵌入式H.264視頻服務(wù)器的設(shè)計

1   引　言

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)和視頻壓縮技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體技術(shù)的研究和應(yīng)用受到了越來越多的重視，其中視頻服務(wù)器的發(fā)展尤為迅速，特別是嵌入式視頻服務(wù)器[1][2]，由于具有體積小，安裝靈活的特點，只要能接入到Internet, 它就可以為任何授權(quán)的用戶提供實時的視頻監(jiān)控服務(wù)，避免了鋪設(shè)專門線路進行視頻信號傳輸?shù)陌嘿F費用。

基金項目：河南省高校杰出人才創(chuàng)新工程項目資助 (2005KYCX003)
 
嵌入式視頻服務(wù)器是一種能提供視頻采集，視頻數(shù)據(jù)壓縮，網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的一種多媒體信息服務(wù)器。其傳輸處理的是視頻流，而視頻傳輸具有實時性高、數(shù)據(jù)量大等特點，它需要滿足以下三點要求：一：高帶寬，高帶寬保證大數(shù)據(jù)量的多媒體數(shù)據(jù)傳輸效率；二：支持QoS，保證傳輸?shù)馁|(zhì)量、資源預(yù)留；三：支持多種傳輸方式。由于嵌入式環(huán)境資源的限制，在視頻數(shù)據(jù)的實時性傳輸和圖象質(zhì)量方面，其QoS一直得不到保證。特別是多路的情況，實時視頻的傳輸質(zhì)量隨路數(shù)的增加會急劇下降。嵌入式視頻服務(wù)器性能的瓶頸主要在于視頻數(shù)據(jù)的傳輸上，因此縮短視頻數(shù)據(jù)的傳輸時間就能提高視頻服務(wù)器的性能。縮減視頻數(shù)據(jù)的傳輸時間可以從兩個方面入手：一：減少視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘?。主要通過采用高性能的壓縮編碼技術(shù)來減少傳輸?shù)男畔⒘俊６翰捎眠m合多媒體數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議。考慮到嵌入式的系統(tǒng)資源及其寶貴，故我們選用了目前編碼效率最高的H.264[3]技術(shù)和專門為傳輸多媒體數(shù)據(jù)的RTP[4]傳輸協(xié)議設(shè)計了本文這套系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該嵌入式視頻服務(wù)器在不影響圖象質(zhì)量的前提下，能夠比以往的視頻服務(wù)器占用更低的帶寬。

2           系統(tǒng)的硬件組成

我們在設(shè)計中采用了HHARM2410嵌入式開發(fā)套件，它由核心板和底板組成，核心板上集成Samsung S3C2410 處理器（203M 的主頻，100M的總線速度），64M SDRAM以及16M 的FLASH。底板上提供以下外設(shè)接口：一個四線RS-232 串口，一個USB HOST接口，一個10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，一個TFT LCD接口, 一個觸摸屏接口。操作系統(tǒng)采用裁減過的嵌入式Linux。該嵌入式視頻服務(wù)器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式視頻服務(wù)器硬件組成

應(yīng)用程序通過編碼器模塊采集H.264視頻流,按照RTP協(xié)議實時打包,并通過以太網(wǎng)接口 實現(xiàn)實時流傳輸( IP Streaming) 。另外還可以擴充一塊802. 11b /g無線模塊,來達到無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪康?并可通過IDE接口擴充一塊IDE硬盤作為本地H.264視頻圖像存儲之用。

3   服務(wù)器軟件設(shè)計

服務(wù)器是整個系統(tǒng)的核心，它工作在嵌入式Linux平臺上，嵌入式Linux是標準Linux經(jīng)裁減得到的，同Linux一樣，具有穩(wěn)定，安全，高效率，實時性好等優(yōu)點。服務(wù)器端采用模塊化設(shè)計，從功能角度，服務(wù)器端的軟件體系結(jié)構(gòu)可劃分為5個模塊：采集模塊，編碼模塊，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，存儲模塊，設(shè)備控制模塊。其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示：

（1）采集模塊，主要完成視頻的采集，圖像格式的轉(zhuǎn)換，在此處設(shè)定采集的圖像格式為YUV。采用Linux的v4l[5]來實現(xiàn)，v4l是Linux中提供的一個音視頻接口規(guī)范，所有的音視頻設(shè)備的驅(qū)動編寫要用到這些接口。[!--empirenews.page--]

（2）編碼模塊，主要完成對采集的圖像的壓縮編碼。對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行壓縮可以有兩種方案，一種是用硬件來壓縮，它可以有專用系統(tǒng)和通用系統(tǒng)兩種形式，其中，專用系統(tǒng)使用專用芯片實現(xiàn)圖像的硬件壓縮,通用系統(tǒng)則利用通用芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。相對于通

用系統(tǒng),用專用芯片對圖像用硬件進行壓縮可以快速進行圖象壓縮,減少處理器的開銷等點。第二種壓縮方法就是用軟件來實現(xiàn)，這種方法對機器的硬件配置要求較高，但運用起來靈活，考慮到現(xiàn)在硬件技術(shù)已經(jīng)比較成熟，故我們采用第二種方案，對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行軟壓縮，此處利用H.264標準進行壓縮。H.264壓縮標準是一種新的編碼方法。與其他壓縮編碼方式比較，利用H.264標準可以獲得更高的壓縮比及更好的圖象質(zhì)量。H.264編碼器都是開源的，可以從網(wǎng)上下載，此處用的是t264，對采集到的YUV格式的數(shù)據(jù)進行逐幀壓縮。

（3）網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，完成現(xiàn)場多媒體數(shù)據(jù)及歷史多媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)的傳輸，用于支持瀏覽端的現(xiàn)場預(yù)覽和記錄回放功能。其基本過程是碼流經(jīng)碼率控制部分進行碼率調(diào)整，然后由RTP組件傳送到網(wǎng)絡(luò)中。傳輸啟動之初，組播控制器根據(jù)多用戶代理提供瀏覽端的組播策略來協(xié)商組播策略；傳輸過程中，RTCP組件實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀況并反饋給決策控制器，決策控制器控制分離器、視頻抽幀器和碼流復(fù)合器組件，完成碼流的動態(tài)整合。其傳輸體系結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3視頻流傳輸體系結(jié)構(gòu)

（4）存儲模塊，多個攝像頭采集的多路視頻數(shù)據(jù)經(jīng)編碼壓縮后形成復(fù)合媒體流，通過存儲組件，存為H.264文件，同時向數(shù)據(jù)庫中寫相應(yīng)的文件信息。

（5）設(shè)備控制模塊，設(shè)備控制器接收用戶界面發(fā)出的或網(wǎng)絡(luò)傳送來的控制命令，控制解碼器，完成對云臺、鏡頭等設(shè)備的控制。

4   客戶端軟件設(shè)計

客戶端主要完成視頻數(shù)據(jù)的接收,解碼和顯示工作,同時還可以動態(tài)設(shè)置編碼器的數(shù)。從功能角度,客戶端的軟件體系結(jié)構(gòu)可劃分為3個模塊：設(shè)備控制模塊，網(wǎng)絡(luò)的接收與反饋模塊，顯示模塊。其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示：

（1）設(shè)備控制模塊，根據(jù)用戶輸入的命令((例如改變視頻窗口大小、接收路數(shù),圖象分辨率、開始/停止遠程監(jiān)控等), 產(chǎn)生控制命令并通過一個TCP連接發(fā)送到服務(wù)器端,服務(wù)器端設(shè)備控制器接收這些控制命令，并完成對云臺、鏡頭等設(shè)備的遠程控制。

（2）網(wǎng)絡(luò)的接收與反饋部分，根據(jù)用戶的基本帶寬情況（局域網(wǎng)還是非局域網(wǎng)）及請求的任務(wù)類型（現(xiàn)場預(yù)覽還是歷史回放），確定該接收碼流是否基于組播策略接收。RTP組件完成碼流的接收，RTCP組件檢測碼流的丟包率并反饋給服務(wù)器端。

圖4 客戶端軟件體系結(jié)構(gòu)

（3）顯示模塊，同步源過濾器從RTP組件得到碼流，在控制器的協(xié)調(diào)下，完成解碼及同

步的視頻播放。此處我們采用的是Microsoft DirectShow[6]架構(gòu)來完成H.264 碼流的實時解碼和圖像顯示工作。

試驗證明,對于包含有視頻服務(wù)器、多監(jiān)控客戶中心的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng),上述網(wǎng)絡(luò)傳輸部分能夠很好地完成視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸，網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能力良好。

5   結(jié)束語

本文創(chuàng)新點是提出了一種多路嵌入式H.264視頻服務(wù)器的設(shè)計方案，并給出了系統(tǒng)硬件組成和軟件的體系結(jié)構(gòu)框架，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的Motion2JPG和MPEG21相比,采用H.264標準壓縮圖像,降低了帶寬占用率。對于四路QCIF和一路D1分辨率的高清晰度實時視頻監(jiān)控,只需占用65K和250K的網(wǎng)絡(luò)帶寬即可滿足傳輸需求。