嵌入式網絡視頻應用技術的研究與實現

四川信息職業技術學院 胡德清

一、網絡視頻監控體系

網絡視頻監控體系由于所應用的場所不同可以設計出不同的系統，本文介紹的是一種典型的系統是由監視設備對遠景畫面及聲音進行采集，經由視頻線經編碼器編碼后，通過網絡將數據包發至遠程監控服務器，服務器再將收到的數據包發往解碼器或PC進行解碼。因而，PC可以通過登錄服務器實行遠程監控，并可在局域網內配置多臺解碼器，將解碼后的數據流輸出至電視墻。還可通過配置數字錄像器進行錄像和視頻點播功能。視頻監控系統由以下幾個單元組成：

①編碼器，能夠將實時采集的模擬信號轉換為數字信號，并進行編碼，再通過公共網絡或內部網進行傳輸，從而為外圍監控設備（防盜儀、攝像機等）提供接口；

②解碼器，能夠從網絡中收到的音頻、視頻數據經由編碼器編碼的數據包進行解碼，并將其還原成模擬信號，通過顯示和聲音設備實時了解所控制區域發生的情況；

③服務器，是整個監控系統的核心，登陸服務器的用戶需要經過認證，使用瀏覽器（IE）可以獲得多個畫面的影象，并對其他各單元（電視墻、錄像、視頻監控等）進行控制；

④數字錄像器，能夠將拍攝下的數據文件進行錄入，具有點播和回放等功能；

⑤客戶端，主要指PC，客戶端的功能實現主要通過服務器來操作；

⑥電視墻，能夠將解碼后的模擬信號在屏幕上顯示的設備。

二、嵌入式技術

嵌入式系統是指具有計算機功能卻不是計算機的設備，它不是PC系統，是一種應用型的專用處理系統。可以說，嵌入式技術是集軟硬件為一體，它的工作方式像PC的BIOS，軟件代碼小能夠自動運行，因此，具有自動化和速度快等顯著特點，適用于多任務場景。嵌入式網絡視頻監控系統是各種芯片的繼承，采用專用的操作系統。該系統可以集成各種接口，是一體化設計的設備，這種設備具有體積小、功耗小、便于安置在各種環境等特點。由于視頻信息之間的傳遞是采用數字信號，數據的采集與服務器之間信號的傳輸通過網絡實現，因而，不用進行模擬線路的鋪設。嵌入式網絡視頻監控系統有如下優點：

①可以應用于廣泛的區域；②可建構環境復雜的監控網絡；③性能穩定，可實現自動化管理。

三、嵌入式網絡視頻監控架構

(一)終端編解碼

終端模塊需要實現監控的各項功能，包括編解碼和信號傳輸、警告控制、攝像頭控制、字幕顯示，并能進行各種參數的配置。例如，將編好的軟件嵌入到編碼器中，對編碼器的算法進行優化，所獲得的圖像質量就會得到大幅度地提高，并可以適應高達2Mbps的帶寬進行傳輸。終端模塊由以下幾部分組成：

①調度模塊是總控部分，由它實現各功能模塊的調用，采用回調形式。當調度模塊實現調用功能時，調度模塊先發送通知信息，然后由回調模塊決定采用何種處理策略，這樣可以減少耦合性的發生；

②協議模塊主要負責服務器和終端的通信，是兩者相互聯系的橋梁，他們之間的通信采用TCP/IP協議，碼流則采用RTP/RTCP協議，由調度模塊發送至服務器；

③配置模塊主要負責參數的設置與生成；

④編解碼管理模塊負責對模擬信號進行編解碼，編解好的密碼再由調度模塊來負責上傳；

⑤串口管理提供通道，主要負責對現場的攝像頭進行控制及數據采集；

⑥警告管理產生警告信息，調度模塊既可以使客戶端產生警告信息，還可以通過字幕模塊顯示警告信息；

⑦字幕模塊，根據視頻源端口的設備進行字幕顯示，對編解碼信息加字幕、顯示時間及移動警告字幕。

(二)多點控制單元（MCU）

由于服務器要和各功能單元進行連接，要起到多點控制的功能。因此，服務器的軟件模塊就采用“多點控制單元”或MCU（Multipoint Control Unit）。例如，在大型的視頻監控系統中，會出現多個中心服務器，因此需要他們之間產生級聯的關系，這樣就可以通過創建過個線程（上級MCU模塊、下級MCU模塊、監控模塊、編解碼模塊、客戶端模塊等等）來處理相應模塊的消息。MCU是整個監控系統的核心，它負責信息指令的收發和轉發，信息處理量非常大。MCU可以同時允許多個用戶登陸，當用戶集中登陸系統時，如采用單播方式會使得MCU超負荷運作，導致數據的收發延遲現象非常嚴重，同時路由器的鏈路也會嚴重損耗帶寬。為了解決這一問題，系統可以采用以組播方式建立網絡，使得MCU發出的信息可以同時讓多個客戶端共享，此外還可以增加一個組播組，當多個用戶進行相同操作時，只需要向組播組的地址發送一條指令就可以了，采用了這種方式可以有效節約大量帶寬。MCU采用的嵌入式硬件和操作系統可以保證其長時間穩定、安全地工作，極少出現故障，有效避免一些因為設備故障老化所帶來的安全隱患。

(三)用戶管理模塊（UM）

用戶管理模塊又稱UM模塊是整個系統中一個相對獨立的模塊，它主要是為了實現統一的用戶管理功能，這樣可以有效避免各模塊之間的相互影響，從而具有良好的耦合度。其可以實現多個用戶管理功能、設備管理功能、用戶操作權限管理功能、針對一組用戶（單位客戶）進行管理、警告管理功能、日志管理功能等等。用戶管理模塊的信息存儲于關系型數據庫之上，架構在獨立的服務器之上，通過數據訪問技術（SQL Server）對數據庫進行操作。當用戶需要查詢數據時，MCU會轉發用戶請求給用戶管理模塊，用戶管理模塊會調取相應的結果再通過MCU轉發給用戶。

(四)數字錄像服務器

數字錄像服務器是為了事后查詢而采用的設備，其主要有兩大功能：

①錄像功能。攝像頭將拍攝到的實時畫面以模擬信號傳至編碼器。編碼器對其按照預先設定好的幀數和分辨率將這些數據進行編碼，并將數據壓縮成數字信號，再切分成數據包形式通過網絡發到服務器。服務器接受到數據包后，直接傳送至錄像服務器。錄像服務器接收到數據包之后，將其轉換成媒體數據，并寫成ASF文件格式進行存儲。

②點播功能。將ASF文件從數據庫之中讀取之后，將它轉換成RTP數據包，以數據包的形式通過網絡發送至服務器。服務器將數據包組合成多媒體數據，還是以幀數為的單位，發送到客戶端進行解碼，再將其進行解碼轉換成模擬數據在顯示設備（電視墻、PC顯示器等）之上顯示。

(五)網絡服務器與客戶端

客戶端界面為了方便用戶的操作，采用ActiveX設計成一個OCX對話框控件，并將這個對話框控件插入到網頁中，這個網頁就是嵌入式網絡服務器的主頁面。用戶可以通過PC訪問這個網頁，通過與MCU的連接來瀏覽監控畫面及控制攝像頭等操作。用戶進行現場監控時，所使用的瀏覽器平臺與服務器所運行的嵌入式平臺相互獨立，從而可以方便實現跨平臺的操作。因而，當用戶瀏覽遠程監控畫面時，不需借助任何其他的軟件，只需觀看瀏覽器的顯示畫面即可。

四、結語

建立在嵌入式編解碼器和嵌入式服務器基礎上的平臺，通過采用上述方式的架構，可以實現網絡化和數字化的遠程監控效果。這種架構方式的應用面很廣，如在城市交通中的應用，就是一個典型的例子。只需在各交通路段口安置一個攝像機，采用多倍自動光圈和全方位主動技術，利用嵌入式編碼器以互聯網的方式與監控中心的嵌入式服務器相連。在監控中心安置一臺大型的可以同時支持多達2000個編解碼器的嵌入式服務器，確保數據流暢的收發，同時再配置多臺數字錄像服務器，可以對遠程監控設備監控的視頻畫面進行錄像，以備后期的點播與取證之用。該系統可以實行24小時全天候不間斷的錄像。通過互聯網的連接，用戶可以對路況進行實時監控，并通過服務器的授權進行遠程調控。

[1]陳文智.嵌入式系統開發原理與實踐[M].北京:清華大學出版社,2006.

[2]梁篤國,等.網絡視頻監控技術及應用[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[3]西剎子.安防天下——智能網絡視頻監控技術詳解與實踐[M].北京:清華大學出版社,2010.

[4]高滿囤,等.基于嵌入式Linux的視頻采集與傳輸系統的設計[J].現代制造工程,2007(3).

[5]焦雙偉,喻金科.基于嵌入式Web服務器在控制系統中的設計與實現[J].計算機系統應用,2011(8).

[6]曲建華等.網絡視頻監控系統在縣域城市交通管理中的應用[J].數字技術與應用,2012(1).

[7]譚振江等.簡易網絡視頻監控系統的設計與實現[J].吉林師范大學學報(自然科學版),2011(3).

[8]胡宏玉.應用流媒體技術的網絡視頻監控系統設計與實現[J].電腦編程技巧與維護,2011(2).