基于Linux系統(tǒng)的H.264標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)視頻壓縮及傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉溶劍+王趙璽

摘 要： 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)媒體的迅猛發(fā)展，研究時(shí)視頻壓縮及傳輸技術(shù)具有十分重要的意義。首先建立基于Ubuntu Linux操作系統(tǒng)的H.264實(shí)時(shí)視頻壓縮及傳輸系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹該系統(tǒng)相關(guān)軟、硬件實(shí)現(xiàn)方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。然后通過實(shí)時(shí)視頻的采集和編碼模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并采用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)代碼具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)模塊。結(jié)果表明，使用該設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，可以獲得較好的圖像質(zhì)量以及較低傳輸?shù)难訒r(shí)，能滿足實(shí)時(shí)性應(yīng)用的需求。

關(guān)鍵詞： H.264； 視頻壓縮； 傳輸系統(tǒng)； Ubuntu Linux

中圖分類號(hào)： TN919?34； TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）22?0078?02

近年來，視頻壓縮技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)發(fā)展迅速，實(shí)時(shí)視頻通信技術(shù)已漸漸進(jìn)入人們的生活。H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的日趨成熟，RTP 協(xié)議的出現(xiàn)進(jìn)一步推動(dòng)了視頻通信的發(fā)展，視頻壓縮技術(shù)和視頻通信技術(shù)一直是人們所關(guān)心的重要問題，對(duì)原始的視頻數(shù)合理有效的壓縮和網(wǎng)絡(luò)傳輸中的擁塞控制始終是研究的熱點(diǎn)[1]。筆者通過對(duì)大量文獻(xiàn)資料的學(xué)習(xí)[2]，對(duì)H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP/RTCP等相關(guān)知識(shí)梳理和研究，建立了一種基于Ubuntu Linux系統(tǒng)的H.264實(shí)時(shí)視頻壓縮及傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的的軟硬件環(huán)境及整體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的軟、硬件環(huán)境

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是完成通過經(jīng)路由器建立的局域網(wǎng)，在兩臺(tái)加入相同多播組的計(jì)算機(jī)間，進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻的壓縮及傳輸。在編解碼模塊使用的是基于開放源代碼的RTP庫(kù)——libccrtp設(shè)計(jì)的一種軟件。硬件方面，需要現(xiàn)在廣泛使用的PC機(jī)及一般的USB接口數(shù)碼攝像頭一個(gè)，網(wǎng)絡(luò)連接方案如前所述，通過經(jīng)路由器建立的局域網(wǎng)。

選用的操作系統(tǒng)是Ubuntu 10.10。視頻的獲取通過Video4Linux2（簡(jiǎn)稱V4L2），是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)。視頻編解碼部分使用的是VLC或Mplayer及Mencoder，VLC多媒體播放器（最初命名為VideoLAN客戶端）是VideoLAN計(jì)劃的多媒體播放器。視頻的傳輸部分使用的是開放源代碼的RTP庫(kù)——libccrtp，以及基于libccrtp而編寫的實(shí)時(shí)流媒體傳輸軟件。

1.2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用了客戶機(jī)/服務(wù)器設(shè)計(jì)模式，服務(wù)器端（發(fā)送端）采集發(fā)送視頻，客戶端（接收端）接收回放視頻，系統(tǒng)可分為5個(gè)功能模塊：視頻采集模塊、視頻編碼模塊、包處理模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和視頻解碼模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)實(shí)時(shí)視頻采集及編碼模塊的設(shè)計(jì)

2.1.1 編碼器的選擇

與其他視頻壓縮技術(shù)相比，H.264的壓縮碼率能降低一半以下，但這種高效率的壓縮性能是以運(yùn)算復(fù)雜度為代價(jià)的，對(duì)機(jī)器的處理能力有很高要求[3]。因此需要根據(jù)實(shí)際需要選擇一個(gè)好的H.264編碼器，目前H.264的開源編碼器主要有三個(gè)：JM，X264，T264。通過比較：T264（fast mode）、T264（high quality mode）的編碼性能和X264性能相比有一定劣勢(shì)； X264的編碼速度也相當(dāng)快，完全可以達(dá)到實(shí)用的要求。本設(shè)計(jì)選用X264編碼器。

2.1.2 基于VLC的實(shí)時(shí)視頻采集及編碼

VLC是一款功能強(qiáng)大的視頻編碼及播放軟件，使用它對(duì)視頻流編碼的一般格式如下：

vlc input_stream ??sout

"#module1{option1=parameter1{parameter?option1}，option2=parameter2}：module2{option1=...，option2=...}：..."

其中module表示各個(gè)模塊，本系統(tǒng)所使用的兩個(gè)模塊為transcode（編碼）模塊和std（標(biāo)準(zhǔn)）模塊，將在下文中進(jìn)行介紹。

在Ubuntu系統(tǒng)下安裝了VLC并連接了攝像頭后在終端中運(yùn)行以下命令即可完成實(shí)時(shí)視頻的獲取及壓縮編碼：

vlc ?vvv v4l2：// ：v4l2?vdev="/dev/video0" ：v4l2?adev="/dev/dsp " ：v4l2?norm=3 ：v4l2?frequency=?1 ??run?time 600 ??sout

′#transcode{vcodec=h264，vb=300，scale=1，acodec=mpga，ab=128，channels=2}：std{access=file，mux=ts，dst=pipe}′

2.1.3 基于mencoder的實(shí)時(shí)視頻采集及編碼

整體代碼如下，功能依然是通過V4L2視頻設(shè)備內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，對(duì)設(shè)備文件/dev/video0及/dev/dsp進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而完成實(shí)時(shí)視頻的采集和編碼：

tv：// ?tv driver=v4l2：width=320：height=240：device=/dev/video0：forceaudio：adevice=/dev/dsp ?ovc x264 ?x264encopts bitrate=300 ?oac mp3lame ?lameopts cbr：br=64：mode=3 ?o pipe

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的設(shè)計(jì)

2.2.1 RTP封裝及傳輸前的準(zhǔn)備

在經(jīng)過編碼的實(shí)時(shí)視頻流進(jìn)行RTP封裝并進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)傳輸之前，還有幾件事情需要完成。

首先，要更改工作目錄，以便后續(xù)命令的編寫和執(zhí)行。更改工作目錄只需一條簡(jiǎn)單Ubuntu的命令即可實(shí)現(xiàn)，代碼如下：

cd myworks/trunk/build/Debug/bin；

其次，由于本系統(tǒng)采用組播技術(shù)作為IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式，故要將多播地址添加到傳輸方及接收方計(jì)算機(jī)的IP路由表當(dāng)中；

最后，還要先利用Mplayer測(cè)試編碼后的視頻流，然后方能調(diào)用相關(guān)程序進(jìn)行封裝及傳輸。如果經(jīng)過以上三步均未出現(xiàn)問題，那么就可以進(jìn)入視頻流的封裝及網(wǎng)絡(luò)傳輸階段。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊軟件libccrtp核心思想

本系統(tǒng)的傳輸模塊所用到的libccrtp軟件，是基于開放源代碼的RTP庫(kù)——libccrtp設(shè)計(jì)的，它的核心思想是在發(fā)送端完成編碼后實(shí)時(shí)視頻流的RTP封裝及接收端原始視頻流的恢復(fù)，即在發(fā)送端軟件先對(duì)媒體類型進(jìn)行檢查，根據(jù)不同的媒體類型確定RTP數(shù)據(jù)包的負(fù)載類型以及RTP時(shí)間戳增量[4]。封裝好RTP數(shù)據(jù)分組后將數(shù)據(jù)進(jìn)行UDP發(fā)送[5]；接收端在接收到RTP包后分析RTP包頭，判斷其版本、長(zhǎng)度和負(fù)載類型等信息的有效性，然后按照RTP時(shí)間戳和包序列號(hào)等進(jìn)行同步，整理RTP包順序，重構(gòu)視頻幀[6]。

2.2.3 系統(tǒng)發(fā)送端及接收端的軟件實(shí)現(xiàn)

發(fā)送端所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是通過libccrtp軟件實(shí)現(xiàn)已編碼實(shí)時(shí)視頻流的應(yīng)用層RTP封裝然后進(jìn)行UDP發(fā)送，實(shí)現(xiàn)代碼為：cat pipe|./rtpcat 224.0.1.2 5004。接收端根據(jù)RTP包頭信息重構(gòu)視頻幀，最后恢復(fù)出視頻流，代碼如下：

./rtprecv 224.0.1.2 5004 | mplayer ?cache 1024 ?

2.3 整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)代碼

整個(gè)系統(tǒng)使用Ubuntu Linux下的bash進(jìn)行編寫，編碼模塊以VLC為例，代碼如下：

sender：

$ cd myworks/trunk/build/Debug/bin

$ mkfifo pipe

$ sudo route add ?net 224.0.0.0 netmask 240.0.0.0 dev eth0

$ vlc ?vvv v4l2：// ：v4l2?vdev="/dev/video0" ：v4l2?adev="/dev/dsp " ：v4l2?norm=3 ：v4l2?frequency=?1 ??run?time 600 ??sout ′#transcode{vcodec=h264，vb=300，scale=1，acodec=mpga，ab=128，channels=2}：std{access=file，mux=ts，dst=pipe}′

$ mplayer ?cache 1024 pipe

$ cat pipe | ./rtpcat 224.0.1.2 5004

receiver：

$ cd myworks/trunk/build/Debug/bin

$ sudo route add ?net 224.0.0.0 netmask 240.0.0.0 dev eth0

$./rtprecv 224.0.1.2 5004 | mplayer ?cache 1024 ?

3 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，不僅能夠獲得較好的圖像質(zhì)量以及較低傳輸?shù)难訒r(shí)，同時(shí)也能夠滿足實(shí)時(shí)性應(yīng)用的需求。本系統(tǒng)具有硬件條件需求低，通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但還存在不足之處之處：由于傳輸模塊設(shè)計(jì)目標(biāo)僅為完成基本實(shí)時(shí)傳輸功能，故在系統(tǒng)傳輸?shù)膿砣⒉铄e(cuò)控制方面沒有考慮的太多；本系統(tǒng)采用端到端的設(shè)計(jì)，并沒有把多用戶的情況考慮進(jìn)去。因此，擁塞控制機(jī)制以增強(qiáng)接收端解碼視頻的質(zhì)量和多點(diǎn)傳輸?shù)目紤]及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹С謱⑹沁M(jìn)一步的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] Joint Video Team （JVT）. H.264/MPEG?4 AVC reference software manual [R]. London： ISO/IEC， 2005.

[2] WIEGAND T. Overview of the H.264/AVC video coding standard [J]. IEEE Transactions on Circuits and System for Video Technology， 2003， 13（7）： 560?576.

[3] 畢厚杰，王健.新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)：H.264/AVC[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4] 樓劍，虞露.新一代的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)：H.264[J].當(dāng)代通信，2003（5）：27?31.

[5] 姜蓉蓉，周建江.基于TMS320DM355的MAV機(jī)載視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電光與控制，2013，20（1）：56?60.

[6] 胡鵬.嵌入式的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2010（22）：6321?6323.