基于嵌入式WEB的視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.引言

視頻服務(wù)器一種對(duì)視音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、存儲(chǔ)及處理的專用嵌入式設(shè)備，它在遠(yuǎn)程監(jiān)控及視頻等方面都有廣泛的應(yīng)用。視頻服務(wù)器采用MPEG4或MPEG2等壓縮格式，在符合技術(shù)指標(biāo)的情況下對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，以滿足存儲(chǔ)和傳輸?shù)囊?。隨著音視頻編碼技術(shù)的不斷發(fā)展和寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，視頻傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)變得更容易和成本更低，使得視頻傳輸?shù)男枨笕找嬖鲩L(zhǎng)?；?strong>嵌入式WEB的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸得到了人們的廣泛關(guān)注。

2. 基于嵌入式WEB技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)特征及原理

采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和專用的硬件結(jié)構(gòu)，無(wú)論是軟件還是硬件都保證了嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器比基于PC機(jī)的系統(tǒng)具有更高的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性。本視頻服務(wù)器使用MPEG-4視頻壓縮技術(shù)，與MJPEG和H.263等壓縮方式比，具有壓縮比高、碼流小、圖像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于Internet環(huán)境下的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且可以節(jié)省存儲(chǔ)空間。

本系統(tǒng)由攝像機(jī)、嵌入式WEB服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控端組成。攝像機(jī)用來(lái)采集監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的視頻。嵌入式WEB服務(wù)器是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，有硬件和軟件兩個(gè)部分，詳細(xì)結(jié)構(gòu)將在下面分別介紹。其主要功能包括：為監(jiān)控端提供WEB訪問(wèn)頁(yè)面；對(duì)監(jiān)控端的訪問(wèn)進(jìn)行有效性、安全性檢查；響應(yīng)監(jiān)控端的請(qǐng)求，為監(jiān)控端提供所需要的視頻圖像；接收監(jiān)控端的控制信息，經(jīng)過(guò)軟硬件轉(zhuǎn)換后對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行控制。監(jiān)控系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖 1 嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖
 

3. 嵌入式 WEB 服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)

嵌入式WEB服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要由CPU芯片、MPEG-4音視頻編碼芯片、Flash芯片、SDRAM內(nèi)存、以太網(wǎng)絡(luò)接口、大容量硬盤組成。其中CPU采用MOTOROLA公司的PowerPC系列嵌入式通信處理器MPC8250。MPEG-4音視頻編碼芯片完成對(duì)從攝像頭傳送過(guò)來(lái)的視頻數(shù)據(jù)的壓縮和編碼。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及對(duì)圖像質(zhì)量的要求，本系統(tǒng)選用基于MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的分層可擴(kuò)展性編碼方案。壓縮后的視頻數(shù)據(jù)根據(jù)需要，可以存儲(chǔ)在大容量硬盤中，或者通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)視頻存儲(chǔ)功能，需要采用大容量的硬盤。

圖 2 嵌入式 WEB 服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)

4. 嵌入式 WEB 服務(wù)器的軟件系統(tǒng)

4.1 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，是在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、硬件相關(guān)性、軟件固態(tài)化等方面有著突出特點(diǎn)的專用操作系統(tǒng)。

4.2 應(yīng)用軟件

服務(wù)器的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要由WEB服務(wù)器、CGI程序、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)mSQL、視頻調(diào)度與傳輸模塊、存儲(chǔ)管理與調(diào)度模塊、攝像機(jī)控制模塊等幾個(gè)重要部分組成。

4.2.1 WEB服務(wù)器與CGI程序

WEB服務(wù)器通過(guò)HTTP協(xié)議與監(jiān)控端瀏覽器軟件進(jìn)行信息交互，提供其他應(yīng)用程序模塊的接口以及視頻數(shù)據(jù)瀏覽界面和攝像機(jī)控制界面。此外，它還要對(duì)監(jiān)控端的訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行控制，過(guò)濾監(jiān)控端的請(qǐng)求和控制信息，處理多個(gè)監(jiān)控端的請(qǐng)求和控制的同步和優(yōu)先級(jí)問(wèn)題。WEB服務(wù)器通過(guò)調(diào)用CGI程序?qū)崿F(xiàn)和瀏覽器的交互，也就是CGI程序接受瀏覽器發(fā)送給WEB服務(wù)器的信息，進(jìn)行處理，將響應(yīng)結(jié)果再回送給WEB服務(wù)器及瀏覽器。原則CGI程序可以用任何程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)，但是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的CGI程序具有執(zhí)行速度快、安全性高等特點(diǎn)。

　圖3 嵌入式 WEB 服務(wù)器的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)

4.2.2嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)mSQL

在本系統(tǒng)中，用戶信息的存儲(chǔ)，用戶的登錄登出，視頻設(shè)備參數(shù)的存儲(chǔ)與查詢，視頻文件的存儲(chǔ)與查詢等，都需要一個(gè)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。綜合考慮，本系統(tǒng)使用mSQL（MiniSQL）作為本系統(tǒng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。mSQL是一款優(yōu)秀的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，體系結(jié)構(gòu)小巧，占用系統(tǒng)資源少，特別適合在嵌入式Linux系統(tǒng)中使用。

4.2.3視頻調(diào)度與傳輸模塊

視頻數(shù)據(jù)的傳輸一般采UDP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，而采用UDP的IP傳送方式有點(diǎn)播、廣播和組播三種，其中組播是服務(wù)器只向特定的用戶組發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，組中的各用戶可以共享這一數(shù)據(jù)包，而組外的用戶卻無(wú)法接收到。本系統(tǒng)采用IP組播方式，采用組播技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：可以讓服務(wù)器承擔(dān)大量客戶端的視頻數(shù)據(jù)播送要求；由于數(shù)據(jù)包拷貝數(shù)量和發(fā)送目的地址少，大大減少了網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量，從而保證較高的服務(wù)質(zhì)量；減小了視頻數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膸捳加?，減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議使用RTP/UDP/IP模型。RTP協(xié)議是一種提供端對(duì)端的實(shí)時(shí)媒體傳輸服務(wù)的協(xié)議，由實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP和實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP兩個(gè)部分組成。RTP/UDP/IP的方式兼顧了視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與QoS保證。同時(shí)針對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)狀況的不確定性，還可以采取一定的擁塞控制和差錯(cuò)控制策略。

4.2.4存儲(chǔ)管理與調(diào)度模塊

存儲(chǔ)管理模塊的主要功能是將壓縮和編碼后的視頻信息根據(jù)一定的策略存儲(chǔ)至磁盤中特定的區(qū)域，將視頻文件信息存儲(chǔ)到嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)響應(yīng)視頻調(diào)度與傳輸模塊的請(qǐng)求，按一定的磁盤調(diào)度策略和優(yōu)先級(jí)順序從磁盤中讀取視頻數(shù)據(jù)至內(nèi)存緩沖區(qū)。本系統(tǒng)采用等長(zhǎng)分組存儲(chǔ)策略，即將視頻信息按照時(shí)序關(guān)系分割成若干數(shù)據(jù)單元，這些數(shù)據(jù)單元稱作分組，將每個(gè)分組存儲(chǔ)于一個(gè)大小固定的存儲(chǔ)單元內(nèi)。

4.2.5攝像機(jī)控制模塊

攝像機(jī)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的控制。在監(jiān)控端，用戶通過(guò)瀏覽器向WEB服務(wù)器發(fā)送攝像機(jī)控制命令，該控制命令經(jīng)WEB服務(wù)器接受和處理后，再通過(guò)CGI程序發(fā)送給攝像機(jī)控制模塊，然后被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的對(duì)攝像機(jī)控制的硬件操作指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)云臺(tái)鏡頭的遠(yuǎn)程控制。

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)不斷提出新的要求。當(dāng)系統(tǒng)突然面對(duì)大量的客戶請(qǐng)求時(shí)，必須解決圖像、聲音數(shù)據(jù)流播放的高速、連續(xù)、可靠和同步的問(wèn)題。這就要求視頻服務(wù)器在設(shè)計(jì)時(shí)采用一定的策略來(lái)改善這方面的性能。為了進(jìn)一步提高視頻服務(wù)器的服務(wù)用戶數(shù)，節(jié)省視頻服務(wù)器的系統(tǒng)資源，可采用多播的方式把那些點(diǎn)播同一節(jié)目且具有相同（相近）路由的用戶統(tǒng)一進(jìn)行服務(wù)。