基于3G無線網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端設計

摘 要：介紹了一種以ARM926EJS微處理器為主控制器、Linux為操作系統(tǒng)、WCDMA網(wǎng)絡為傳輸網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端。給出了視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端的硬件設計、軟件設計。重點介紹了視頻采集、壓縮編碼、無線發(fā)送過程。將視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端輸出的H.264視頻流封裝成大小合適的RTP數(shù)據(jù)包，然后通過IEEE 802.11g無線傳輸模塊發(fā)送到3G傳輸網(wǎng)絡。經(jīng)實驗證明，該系統(tǒng)具有較好的實時性和可靠性，在搶險救災等領域得到了較廣泛的應用。

關鍵詞：監(jiān)控前端； H.264編碼； RTP/RTCP協(xié)議； ARM； Linux

中圖分類號：TN919.834 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2012)09003103

收稿日期：201111040 引 言

隨著社會的不斷發(fā)展和進步，人們?nèi)粘Ｉ钪邪踩珕栴}得到越來越高的重視。視頻監(jiān)控作為安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，使得人們可以遠距離的觀察和調(diào)度被控區(qū)域的能力，以其直觀、準確、及時和信息內(nèi)容豐富等優(yōu)勢廣泛應用于現(xiàn)代化小區(qū)、交通、運輸、消防等領域［1］。隨著科學技術的不斷進步和人們對監(jiān)控系統(tǒng)要求的不斷提高，監(jiān)控系統(tǒng)也經(jīng)歷了從模擬監(jiān)控時代到數(shù)字化網(wǎng)絡監(jiān)控時代的飛速發(fā)展變化。基于國內(nèi)已經(jīng)投入商業(yè)運營的3G網(wǎng)絡的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有強大的無線網(wǎng)絡傳輸功能，能夠克服由于地理位置、布線成本和遠距離監(jiān)控等帶來的問題［2］。相對于有限傳輸，無線傳輸模式具有安裝方便、靈活性強、性價比高等特性，諸多優(yōu)勢使得無線監(jiān)控系統(tǒng)成為如今視頻監(jiān)控領域新的發(fā)展方向。

基于這一發(fā)展方向，ARM微處理器具有體積小、功耗低、成本低、性能高等優(yōu)點，Linux操作系統(tǒng)具有開放源碼、可裁剪、易操作等優(yōu)點。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端采用ARM926EJS微處理器和Linux操作系統(tǒng)，通過無線發(fā)射模塊把采集、壓縮編碼好的視頻流發(fā)送到3G無線網(wǎng)絡過程中。本文重點闡述對視頻信號的采集、壓縮編碼、發(fā)送過程。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端硬件設計

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端，主要完成現(xiàn)場視頻的采集、壓縮編碼、發(fā)送。系統(tǒng)硬件平臺主要由嵌入式微處理器ARM926EJS，NAND FLASH，DDR2、TVP5150視頻輸入、CH7024視頻輸出、網(wǎng)口LAN8700、LC6311無線發(fā)射模塊等組成。ARM926EJS處理器具有EMMA支持強大的視頻處理控制，亮度、飽和度、對比度、自動白平衡等參數(shù)可調(diào)。允許使用全功能操作系統(tǒng)，功耗低、時鐘頻率為400 MHz。所以選擇ARM926EJS為核心微處理器。存儲器包括RAM和ROM兩部分，RAM采用高速SDRAMHYB18M1G320BF7.5對處理視頻數(shù)據(jù)有非常好的優(yōu)勢，ROM采用非線性K9F2G08ROAJIBO NAND FLASH芯片，其存儲容量高于線性結(jié)構(gòu)的NOR FLASH。TVP5150具有超低功耗、支持NTSC/PAL/SECAM等格式的高性能視頻解碼器，通過ARM926EJS對TVP5150進行控制使得對視頻信號進行A/D解碼，達到對視頻采集的目的。ARM926EJS輸出的數(shù)字視頻信號通過CH7024進行D/A解碼轉(zhuǎn)換成PAL制式的模擬信號。基于IEEE 802.11b/g協(xié)議無線傳輸模塊SIM5218，通過USB與ARM926EJS進行連接。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端硬件原理圖如圖1所示。

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端在設計中以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心，Linux作為一種開源的操作系統(tǒng)，內(nèi)核可裁剪，支持多種硬件平臺和較強的網(wǎng)絡功能［3］。Linux操作系統(tǒng)軟件由以下幾部分組成：BootLoader、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、應用程序。其中應用程序有視頻采集程序、視頻壓縮編碼程序、視頻信號發(fā)送程序。

2.1 視頻采集模塊

Video4Linux是Linux中關于視頻設備的內(nèi)核驅(qū)動，它為針對視頻設備的應用程序編程提供一系列接口函數(shù)，通過使用接口提供的函數(shù)庫，對攝像頭進行圖像采集［4］。主要通過以下步驟對視頻圖像進行采集：

(1) 用open函數(shù)打開視頻設備，可以獲得相應的文件描述符;

(2) 獲取視頻設備屬性，包括名稱、類型、通道數(shù)、圖像寬度、圖像高度等;

(3) 通過ioctl函數(shù)返回采集圖像幀的屬性，包括圖像亮度、色彩、對比度等;

(4) 視頻的截取有兩種方法：第一種是用read()直接讀取數(shù)據(jù)，第二種是用mmap把設備文件映射到內(nèi)存，用內(nèi)存映射法的優(yōu)點是效率高，因為進程可以直接讀寫內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝，結(jié)合以上優(yōu)點，選擇此方法。視頻采集流程圖如圖2所示。

2.2 視頻壓縮編碼模塊

采用ARM926EJS內(nèi)置的VPU單元硬件編碼模塊完成H.264壓縮編碼。H.264采用了基于塊的動補償和編碼，同時它還采用一系列新的技術，包括:運動矢量具有亞像素精度，對于亮度信號來說可以達到1/4像素精度；運動補償使用了塊大小可以改變的運動補償；允許使用多個參考幀；幀內(nèi)編碼使用幀內(nèi)預測；自適應環(huán)路濾波；自適應于內(nèi)容的算術編碼和變長編碼等，這些新技術的采用大大提升了視頻的壓縮率［5］。編碼過程如圖3所示。

圖3 H.264基本編碼過程NAL為分層結(jié)構(gòu)，經(jīng)過VCL編碼后的視頻數(shù)據(jù)被組成NAL單元，一組NAL單元組成一個接入單元，一組接入單元組成一個視頻序列，再根據(jù)不同應用，對視頻序列進行處理。圖4為流結(jié)構(gòu)的NAL分層示意圖。

每個NAL單元由整數(shù)個字節(jié)大小的包構(gòu)成，其中第一個字節(jié)包含數(shù)據(jù)類型的標志，其他字節(jié)是凈荷。NAL單元被劃分為VCL NAL單元和非VCL NAL單元兩種。VCL NAL單元包含視頻圖片中采集點的值的表示；非VCL NAL單元包含一切相關的附加信息，例如參數(shù)設置(可被應用到大量VCL NAL單元的頭數(shù)據(jù))和附加的增強信息(時刻信息和其他附加數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能會增強對已解碼視頻信號的利用，但是又不是在解碼視頻圖像的采樣點值必須用到的)。視頻壓縮編碼的工作流程如圖5所示。

圖4 流結(jié)構(gòu)的NAL分層示意圖2.3 視頻信號發(fā)送模塊

由于TCP協(xié)議丟包重傳造成巨大時延，UDP雖然傳輸速度比TCP快，但UDP是一種不可靠的傳輸協(xié)議。所以在應用層采用RTP作為實時傳輸協(xié)議。

RTP本身只保證實時數(shù)據(jù)的傳輸，不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機制，也不能提供流量控制或擁塞控制。它需要依靠RTCP協(xié)議提供周期性的反饋與信道參數(shù)有關的信息，動態(tài)地改變傳輸速率，使發(fā)送速率適應信道帶寬，減少信道中的丟包，從而實現(xiàn)媒體同步、丟包統(tǒng)計、傳輸檢測和傳輸復用等手段。從而使得視頻流高效、快速地傳輸。

RTP協(xié)議的實現(xiàn)采用開源的RTP庫JRTPLIB。用戶只需通過使用JRTPLIB庫相應地發(fā)送和接收RTP數(shù)據(jù)包，而不用關心RTCP數(shù)據(jù)報是如何被發(fā)送和接收的，JRTPLIB自動對到達的RTCP數(shù)據(jù)報進行處理，并在適當?shù)臅r候發(fā)送RTCP數(shù)據(jù)報［67］。采用H.264視頻流的RTP打包方式對單獨的NAL單元進行操作。通過ARM926EJS內(nèi)置的硬件編碼單元應用程序中H.264視頻編碼的參數(shù)設置，每幀為一個NAL單元。為了避免視頻數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡層被分割，需要將一幀H.264視頻數(shù)據(jù)分割成一定大小的RTP數(shù)據(jù)包，由發(fā)送端分別封裝上RTP報頭、UDP報頭、IP報頭，按照RTP數(shù)據(jù)包的格式，并配置RTP報頭的時間戳以及序列號等參數(shù)，最后形成IP數(shù)據(jù)包，通過無線模塊發(fā)送。ARM926EJS內(nèi)置的硬件編碼模塊所輸出的H.264視頻流的RTP封裝及傳輸流程如圖6所示。

3 結(jié) 語

采用ARM926EJS為微處理器的視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端具有功耗低、速度快的特點，同時結(jié)合Linux的Video4Linux視頻接口技術和內(nèi)置硬件H.264視頻編碼和RTP/RTCP傳輸協(xié)議，實現(xiàn)了快速視頻采集和傳輸［810］。實驗證明，采用內(nèi)置硬件編碼單元的ARM926EJS微處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，使視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端的視頻畫面清晰流暢，其性能優(yōu)越、穩(wěn)定而且構(gòu)建成本低。該視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端在森林火災場合具有廣闊的應用前景。

參 考 文 獻

［1］ 黃賢英，盛莉.嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器的設計［J］.微計算機信息，2007，23(2):7071.

［2］ 張偉男，唐倫，陳前斌，等.基于3G傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控系統(tǒng)的后臺設計［J］.電視技術，2008，32(11)：5660.

［3］ 孫瓊.嵌入式Linux應用程序開發(fā)詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［4］ 黃睿邦，湯榮江，李文亮.Linux下基于Video4 Linux的USB攝像頭視頻采集實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代計算機，2009(6)：182185.

［5］ 畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標準:H.264/AVC［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［6］ 苓慧.RTP/RTCP協(xié)議在3G多媒體移動通信中的應用研究［D］.杭州：浙江工業(yè)大學，2008.

［7］ 孟凡鑫.基于RTP/RTCP協(xié)議視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崿F(xiàn)［J］.計算機工程與應用，2004(11)：143145.

［8］ 田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［9］ 于明，范書瑞，曾祥燁.ARM嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［10］ 鄒思秩.嵌入式Linux設計與應用［M］.北京:清華大學出版社，2002.

作者簡介： 張 磊 男，1986年出生，江西新余人，碩士研究生。主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)。

俞子榮 男，1962年出生，福建龍巖人，碩士研究生，教授。主要研究方向為分布式系統(tǒng)。

吳開志 男，1982年出生，福建龍巖人，碩士研究生，講師。主要研究方向為分布式系統(tǒng)。

2012年5月1日第35卷第9期