基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

楊建國 蔡立志 鄭 紅

1(華東理工大學計算機科學與工程系 上海 200237)2(上海計算機軟件技術開發(fā)中心 上海 200235)

0 引 言

視頻監(jiān)控技術廣泛應用于安防、人防等領域，如何更好地獲得監(jiān)控現(xiàn)場的圖像數(shù)據(jù)一直是熱點研究問題之一。傳統(tǒng)的采用電荷耦合元件CCD(Charge-coupled Device)攝像機獲取現(xiàn)場視頻信息的方案易于實現(xiàn)，但存在成本較高、布線隨意、維護比較困難、設備體積大、系統(tǒng)擴展困難、智能化程度低等問題。

相比較之下，憑借內(nèi)核可裁剪、實時性強、擴展功能多、網(wǎng)絡功能強等方面的諸多優(yōu)點，ARM和嵌入式Linux系統(tǒng)實現(xiàn)圖像的采集與傳輸?shù)膽镁哂械锰飒毢竦膬?yōu)勢。與其他數(shù)據(jù)相比，一般的視頻信息具有直觀、形象、準確和信息容量大等特點。視頻的原始數(shù)據(jù)量非常大，但是如果不經(jīng)過壓縮，這樣的視頻數(shù)據(jù)很難在實際的嵌入式系統(tǒng)中應用實現(xiàn)。

嵌入式Linux系統(tǒng)的應用程序可以通過網(wǎng)絡進行更新，數(shù)據(jù)可通過串口向上位機傳輸，也可以通過以太網(wǎng)向上傳遞，用戶可通過網(wǎng)絡客戶端實現(xiàn)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)設計方案

本文所設計的系統(tǒng)，是基于S3C2440 ARM9平臺和嵌入式Linux系統(tǒng)之上的。系統(tǒng)的主要流程如下：

(1) 在S3C2440 ARM9開發(fā)板連接USB攝像頭。

(2) 利用Linux操作系統(tǒng)下的V4L2編程接口采集視頻信息。

(3) 利用x264對原始信息進行壓縮編碼。

(4) 對壓縮后的碼流包成實時傳輸RTP數(shù)據(jù)包。

(5) 將數(shù)據(jù)包封裝，通過以太網(wǎng)實時發(fā)送到PC客戶端VLC Media Player進行播放。

系統(tǒng)視頻監(jiān)控模塊的劃分如圖1所示。

圖1 視頻監(jiān)控模塊劃分

2 視頻監(jiān)控設計方案

視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為視頻采集、視頻壓縮和視頻傳輸三部分。

2.1 視頻采集

系統(tǒng)視頻設備使用的是V4L2。V4L2支持兩種方式來采集圖像：內(nèi)存映射方式和直接讀取方式。系統(tǒng)通過V4L2接口，采取內(nèi)存映射方式進行視頻數(shù)據(jù)采集，流程如圖2所示。

圖2 視頻采集部分流程圖

2.2 視頻編碼

視頻信息與其他數(shù)據(jù)相比，視頻的原始數(shù)據(jù)量非常大。按照電視標準委員會NTSC標準的幀速率30幀/s，視頻信號的傳輸率約為26.4 MB/s，遠遠高于計算機的數(shù)據(jù)傳輸速率，原始視頻信息很難直接存儲到存儲媒體上去。因此，必須進行數(shù)據(jù)壓縮。系統(tǒng)編譯安裝x264源代碼，對顏色編碼方法YUV格式進行編碼。

首先用init_encoder()進行編碼參數(shù)設置，包括設置幀率分子和幀率分母(它們的比值作為幀率)，顯示的寬度和高度，采用的編碼方式等。接著對編碼器初始化，本文定義了一個結構體如下：

typedef struct{

x264_param_t *param;

x264_t *handle;

x264_picture_t *picture;

x264_nal_t *nal;

}Encoder;

其中：param記錄設置好的各項參數(shù)；handle為句柄；picture說明每一幀序列中的特點；nal為編碼后封裝好的單元。

2.3 視頻傳輸

系統(tǒng)采用實時傳輸協(xié)議RTP來傳輸視頻數(shù)據(jù)，在傳輸數(shù)據(jù)時將視頻數(shù)據(jù)和RTP頭信息打包成RTP包。每個封裝好的RTP包由頭部和負載兩部分組成，其中頭部的長度是12個字節(jié)，負載是具體的多媒體數(shù)據(jù)。系統(tǒng)定義了RTP固定頭部的結構體如下：

typedef struct

{

u_char csrc_len:4;

u_char extension:1;

u_char padding:1;

u_char version:2;

u_char payload:7;

u_char marker:1;

u_short seq_no;

u_long timestamp;

u_long ssrc;

}RTP_FIXED_HEADER

通過定義RTP固定頭結構后，可設置負載類型、時間戳等信息。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)和分析

基于ARM的監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)客戶端一般采用個人計算機，服務端采用ARM9 S3C2440處理器。在開發(fā)階段，在虛擬機所建立的集成開發(fā)環(huán)境下進行編程和交叉編譯。通過RS232串口線與ARM的SecureCRT進行通信，傳遞控制信息。

在監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)階段，首先在客戶端安裝VLC Player，建立會話描述協(xié)議文件并播放；然后，通過終端仿真程序SecureCRT運行服務端程序，讓ARM通過網(wǎng)絡接口向PC客戶端VLC Media Player傳遞視頻數(shù)據(jù)。

打開VLC Player的“工具”選項，選擇“編解碼器信息”，可以看到如下實驗結果：編碼：H264-MPEG-4 AVC；分辨率：320×240；幀率：20。再打開“統(tǒng)計”欄，顯示如圖3的實驗結果。其中：已解碼：841塊；已顯示：1 088幀；內(nèi)容位率：166 KB/s。

圖3 基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)實驗解碼統(tǒng)計

作為比較，如果直接用攝像頭作為捕獲設備，對視頻進行本地抓取，實驗效果如圖4所示。可得到以下實驗結果：編碼：Packed YUV 4∶2∶2，YU∶Y∶V(YUY2)；分辨率：320×240；幀率：20。其中：已解碼：869塊；已顯示：3 014幀；內(nèi)容位率：8 677 KB/s。

圖4 編碼器信息圖

圖5是利用VLC Media Player和攝像頭捕捉本地視頻數(shù)據(jù)的顯示截圖。在對結果進行比較時，“內(nèi)容位率”是一個關鍵參數(shù)，內(nèi)容位率又稱為“碼率”，指單位時間內(nèi)，單個錄像通道所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。

圖5 本地視頻監(jiān)控系統(tǒng)實驗解碼統(tǒng)計

用三組數(shù)據(jù)實驗，原始視頻均采用YUY2方式、320×240像素的分辨率、20幀/s的情況下進行采集。在同一情況下，對于每一幀，x264解碼的塊數(shù)與原始視頻處理的塊數(shù)基本相同，顯示幀數(shù)與原視頻幀數(shù)內(nèi)容位率比為0.02、0.02、0.02。

從圖6中可以看到，在基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，采用x264壓縮編碼后，內(nèi)容位率分別從8 677 KB/s降至166 KB/s,從13 243 KB/s降至208 KB/s,從9 782 KB/s降至187 KB/s，平均降低到2%，有效地提高了x264編碼效率。同時視頻傳輸時占據(jù)的網(wǎng)絡帶寬非常低，視頻播放流暢，基本可以滿足實際應用中的實時監(jiān)控的要求。

圖6 原視頻和x264壓縮后內(nèi)容位率對比

在同一情況下，在基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，x264壓縮視頻幀數(shù)與原視頻的幀數(shù)對比依次為0.36、0.33、0.35。如圖7所示，由于采用有損編碼，基于ARM的視頻監(jiān)控的視頻清晰度有所下降。

圖7 原視頻和x264壓縮視頻數(shù)對比

4 結 語

本文討論基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計，給出了視頻系統(tǒng)中的視頻圖像采集方案和視頻壓縮方案。在視頻系統(tǒng)中，用戶可以在客戶端播放實時視頻信息，以達到實時監(jiān)控的目的。實驗表明，該系統(tǒng)采用x264壓縮編碼后，有效降低了內(nèi)容位率。系統(tǒng)開發(fā)成本低、體積小、功耗低、使用方便，可用于安防領域，如社會安全監(jiān)控；醫(yī)療領域，如特護病房視頻監(jiān)控；校園安全領域，如安全監(jiān)控等，具有較好的市場前景。