引言
目前，嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)已成為國內(nèi)外視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的主流，但是在 IPv4平臺下存在地址不足、不能合理分配帶寬、安全性能及移動性能差等諸多問題，而新一代 IPv6協(xié)議不僅能很好的解決以上問題，而且還具有可以提高視頻傳輸速度和傳輸質(zhì)量等多方而的優(yōu)點。如何使嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)與 IPv6技術(shù)相結(jié)合是當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)研究的一個重要方向。
1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計
2 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。攝像頭和視頻服務(wù)器組合在一起稱為視頻服務(wù)端或網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，每個視頻服務(wù)端分配一個獨立 IPv6后通過雙絞線接入網(wǎng)絡(luò)，客戶端通過 IP網(wǎng)絡(luò)直接訪問和控制視頻服務(wù)端。攝像頭和麥克風(fēng)將采集的模擬音視頻信號送入內(nèi)部嵌入式 Linux操作系統(tǒng)的視頻服務(wù)器，并通過雙絞線接入網(wǎng)絡(luò)。模擬信號被送入編碼器編碼成 MPEG-4的視頻流和 ADPCM的音頻流，從編碼器出來的音視頻流再被分為兩路，一路送入本地的視頻監(jiān)視器，另一路通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端�？蛻舳税逊⻊�(wù)器端傳來音視頻數(shù)據(jù)分為兩路，一路進(jìn)行客戶端存儲，另一路啟動 irectShow流水線，將視頻信號和音頻信號分離，分別送入各自的解碼器(視頻信號采用 MPEG-4解碼器解碼)。最后，解碼后的音視頻信號被送入對應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行實時預(yù)覽。
1.2系統(tǒng)設(shè)計思路
系統(tǒng)工作需要硬件和軟件協(xié)調(diào)土作共同實現(xiàn)。攝像頭采集視頻、麥克風(fēng)采集音頻，由服務(wù)器端采集卡完成音視頻的采集和壓縮，通過調(diào)用驅(qū)動程序讀取采集和壓縮后的音視頻數(shù)據(jù)到緩存。緩存區(qū)中的音視頻數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸都由服務(wù)器端軟件實現(xiàn)。
服務(wù)器端軟件讀出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，啟動發(fā)送模塊，發(fā)送時采用 RTP協(xié)議打包，模塊讀取緩沖區(qū)中的視頻流是以一幀為最小單位，由于按一幀打包時數(shù)據(jù)長度比較大小適合在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，所以需要在打包前將幀分割成幾段以適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。按照 RTP協(xié)議打包好的數(shù)據(jù)，通過 UDP傳輸?shù)娇蛻舳耍绻菃斡脩舨捎脝尾�，如果是多用戶則采用多播。
客戶端采用 B/S模式接收服務(wù)器發(fā)送的音視頻流，并解碼播放。 B/S模式下，播放視頻在 IE中實現(xiàn)，具體的實現(xiàn)需要 ActiveX控件支持，由控件嵌入到 WEB中實現(xiàn)，這樣客戶端只需要通過瀏覽器就可以觀看現(xiàn)場視頻。服務(wù)器采集音視頻流并壓縮，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端，客戶端解碼還原出清晰的圖像是視頻監(jiān)控的基本功能。
2 視頻監(jiān)控硬件原理及設(shè)計
本系統(tǒng)是在 GX-ARM9-S3C2410核心模塊上進(jìn)行開發(fā)。該嵌入式監(jiān)控視頻服務(wù)器的設(shè)計主要是指根據(jù)系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能，選定主控制芯片和專用音視頻壓縮芯片，并確定其外圍電路，實現(xiàn)聲音圖像采集、壓縮、輸出等功能。由于作者主要完成系統(tǒng)的軟件部分，這里只對硬件部分做簡要介紹。硬件模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 4.2所示:
2.1音視頻壓縮 /解壓縮模塊
該模塊的質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的圖像和聲音以及傳輸質(zhì)量，是系統(tǒng)硬件的重要部件之一。因此模塊選用了 VW2010，它是 VWEB公司開發(fā)的實時 MPEG4音視頻壓縮 /解壓縮芯片((Encoder/Decoder)，該芯片內(nèi)集成有 3個信號處理 /控制單元，包括一個視頻編碼 (壓縮)器、一個視頻解碼 (解壓)器和一個片內(nèi) CPU(內(nèi)部擴(kuò)展一個音頻編碼 DSP C Digital Signal Processors、一個音頻解碼 DSP、一個多路復(fù)合單元和一個多路解復(fù)合單元 ):具有可編程、高性能和低功耗等特點。
2.2音視頻采集、A/D模塊
該模塊將攝像頭采集到的模擬視頻信號發(fā)送到模塊中的視頻 A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行視頻數(shù)字化處理，同時將麥克風(fēng)采集到的模擬音頻送入音頻 A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行音頻數(shù)字化處理。采用 Philips的 SAA7115H,它是 9bit視頻 A/D轉(zhuǎn)換器，支持 NTSC/PAL/SECAM制式，輸出數(shù)字的視頻信號符合 ITU601和 ITU-8656標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的音頻模塊主要是以一塊音頻 A/D轉(zhuǎn)換芯片 PCM 1800以及與之配套的模擬音頻輸入輸出電路構(gòu)成。 PCM 1800芯片最高采樣率可達(dá)到 96KHz，可以滿足絕大多數(shù)語音應(yīng)用的要求。該芯片的數(shù)字音頻輸入輸出接口采用 I2S模式，直接和 VW210芯片連接。
2.3網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊
模塊選用的網(wǎng)絡(luò)接口芯片是 Realte公司的 RTL8201BL。它是具有 lOM/100Mps自適應(yīng)功能的以太網(wǎng)收發(fā)控制器，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)接口芯片。系統(tǒng)將壓縮后的音視頻數(shù)據(jù)打包，通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，其電路圖如圖 3所示。
3 軟件總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計包括服務(wù)器端和客戶端軟件設(shè)計。服務(wù)器端軟件主要實現(xiàn)采集音視頻、壓縮編碼、打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)�？蛻舳塑浖饕獙崿F(xiàn)接受服務(wù)器發(fā)送過來的音視頻壓縮包，然后對數(shù)據(jù)拼接解碼、播放，如圖 4所示。
3.1MPEG-4視頻流的 RTP組包處理
要通過 RTP傳輸 MPEG-4視頻流，需要對其進(jìn)行打包 (Packetization)處理。加上時間、同步等信息。MPEG-4對每個 voP (voP是 VO在某一時刻的對象，即某一幀 vo)獨立進(jìn)行編 / 解碼。因此以 VOP為單位進(jìn)行打包，既提高了效率又充分利用了 MPEG-4的編碼特性。為了不造成 IP碎片，包長還須有一個限制，就是不能超過該網(wǎng)絡(luò)路徑的 MTU(Maxium Transit Unit)�？紤]到傳輸?shù)母咝院蛠G包的魯棒性，我們?nèi)“L為當(dāng)前 VOP大小與路徑 MTU值的較小值，采用如下組包機(jī)制:
1 VOP能放入單個 RTP包，就把此 VOP單獨放入一個 RTP包中；
2 VOP分段，放入多個 RTP包，此時須把 VOP頭部信息復(fù)制到每個 RTP包，以去除包間的相關(guān)性，達(dá)到丟包的魯棒性 :為減小包數(shù)，降低開銷，一包中能放入多少宏塊就盡可能多地放入多少宏塊，但即使最后一個包中仍有剩余空間，也小能把另一 VOP中的宏塊放入此包中，算法流程如圖 5所示。
3.2服務(wù)器端視頻發(fā)送和客戶端視頻接收
在基于DirectShow的視頻發(fā)送端中，其過濾器圖分別由 Video Capture Filter,Video Codec和 RTP Video Renderer Filter按順序連接成一條“流水線”協(xié)同工作，他們分別完成源過濾器、轉(zhuǎn)換過濾器和呈現(xiàn)過濾器的工作。 Video Capture Filter負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)采集， Video Codec負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的壓縮，最后由 RTP Video RendererFilter將壓縮的視頻數(shù)據(jù)封裝 RTP包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。過濾器之間的數(shù)據(jù)發(fā)送采用推模式。
視頻發(fā)送實現(xiàn)過程如下：
1)初始化 coM組件，初始化 DirectShow，包括建立 GraphManager接口、建立 GraphBuilder接口(它的 CLSID為 CLSID_ FilterGraph)、建立 BasicFilter接口，并將 VWSource Filter (VW210), Sputter Filter(音視頻分離過濾器)、Codec Fil-ter(TopStepdVideo)和 RTPVren}lter (RTP傳輸呈現(xiàn)過濾器)加到 GraphBuilder。
2)通過系統(tǒng)設(shè)各列舉接口找到系統(tǒng)中默認(rèn)的視頻捕獲設(shè)備，并添加到 GraphBuilder中，查詢 GraphBuilder獲得媒體事件接口和媒體控制接口，連接各個過濾器，設(shè)置 RTP Vrenflter參數(shù)。
3)通過 GraphManager的控制接口，運行過濾器圖，捕獲并發(fā)送圖象。
4)等待運行結(jié)束消息，釋放各個接口，關(guān)閉 COM組件。視頻發(fā)送實現(xiàn)過程中圖像傳輸?shù)膶崿F(xiàn)最為關(guān)健，當(dāng)視頻發(fā)送端響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)客戶端發(fā)出的視頻數(shù)據(jù)請求后，馬上啟動視頻數(shù)據(jù)發(fā)送線程，開始采集 MPEG視頻數(shù)據(jù)并源源不斷地寫入到發(fā)送緩沖區(qū)中。它的實現(xiàn)原理是:位于源過濾器 VWSource Filter(VW210卡)將從攝像頭獲取的模擬視頻圖像首先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將采集到的視頻數(shù)據(jù)交給下游的 MPEG Stream Spatter filter，由它對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后轉(zhuǎn)交給其下游的變換過濾器 Video Coder filter進(jìn)行 MPEG編碼，然后將編碼后的 MPEG視頻數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，這部分都由 VW210卡完成。如果選擇本地存盤則過濾器圖連接到此結(jié)束，將視頻數(shù)據(jù)直接寫入磁盤。視頻接收端程序流程如下圖 7所示：
4 結(jié)論
本文創(chuàng)新點：本視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于 ARM嵌入式核心處理器的硬件平臺，其中嵌入式系統(tǒng)中移植 TCP/IPv6協(xié)議，在原有 MPEG4視頻編碼基礎(chǔ)上采用了新的運動估計優(yōu)先估計矢量分布概率算法進(jìn)行優(yōu)化，同時對視頻傳輸算法也作了相應(yīng)的改進(jìn)。系統(tǒng)結(jié)合了流媒體技術(shù)，IPv6技術(shù)，嵌入式技術(shù)等優(yōu)點，實驗證明該系統(tǒng)視頻監(jiān)控方而取得了良好效果。
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