基于統(tǒng)一架構(gòu)的視頻處理系統(tǒng)

趙飛 劉新

摘要：為了屏蔽在視頻處理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中因視頻源傳感器型號(hào)各異而導(dǎo)致的視頻數(shù)據(jù)在壓縮、傳輸和解碼方面的差異，從視頻源引接、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)解碼3個(gè)方面出發(fā)，設(shè)計(jì)出視頻處理統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)，有效屏蔽了視頻源和數(shù)據(jù)傳輸需求的不同給系統(tǒng)帶來(lái)的差異，縮短了視頻處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力。

關(guān)鍵詞：視頻處理系統(tǒng)；視頻源引接；數(shù)據(jù)解碼；統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2019）05-60-3

0引言

隨著電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)被廣泛應(yīng)用于邊境監(jiān)視[1-3]、高速公路及自然保護(hù)區(qū)等領(lǐng)域[4-6]，其系統(tǒng)架構(gòu)一般前端為視頻源傳感器，負(fù)責(zé)視頻采集；后端為視頻處理中心，視頻碼流從前端視頻源傳感器經(jīng)由通信鏈路向后端視頻處理中心傳遞。由于前端視頻源存在傳感器型號(hào)各異、視頻壓縮方法多種多樣的特點(diǎn)，后端視頻情報(bào)處理系統(tǒng)的集成就要面對(duì)各種不同的數(shù)據(jù)引接方式和解碼方法。另外，隨著應(yīng)用場(chǎng)景的不同，所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和對(duì)視頻的質(zhì)量需求也不同，所以，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景使用不同的視頻，壓縮數(shù)據(jù)傳輸方法也是非常有必要的。本文針對(duì)視頻源引接、數(shù)據(jù)解碼以及數(shù)據(jù)傳輸3方面的差異，設(shè)計(jì)了視頻處理系統(tǒng)的統(tǒng)一架構(gòu)，使得視頻處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)和底層數(shù)據(jù)的接入、解碼和傳輸無(wú)關(guān)，屏蔽不同視頻源和傳輸需求對(duì)系統(tǒng)造成的影響，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，也使系統(tǒng)有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力。

1視頻處理系統(tǒng)現(xiàn)狀

（1）缺乏統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)，軟件風(fēng)格各異

在不同的視頻處理系統(tǒng)中，因缺乏統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)，程序員在設(shè)計(jì)編碼時(shí)，缺乏有效的設(shè)計(jì)約束，導(dǎo)致視頻處理系統(tǒng)軟件風(fēng)格各異，界面五花八門(mén)。

（2）存在大量重復(fù)編碼工作，效率低下

目前的視頻處理系統(tǒng)普遍采用傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式，沒(méi)有采用插件化和模塊化的設(shè)計(jì)，視頻處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)存在大量重復(fù)工作，效率低下。

（3）系統(tǒng)擴(kuò)展能力不足

目前的視頻處理系統(tǒng)，沒(méi)有將視頻數(shù)據(jù)的接入、解碼等易變的模塊，以及實(shí)時(shí)視頻顯示、關(guān)鍵幀截取等相對(duì)穩(wěn)定不變的模塊進(jìn)行有效的剝離，導(dǎo)致系統(tǒng)擴(kuò)展能力不足。

2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于統(tǒng)一架構(gòu)的視頻處理系統(tǒng)包括接入端的視頻接入服務(wù)軟件和處理端視頻顯示處理客戶(hù)端軟件兩部分。

2.1視頻接入服務(wù)軟件

視頻接入服務(wù)軟件包括視頻源接入模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，視頻接入服務(wù)軟件組成示意圖如圖1所示。

①視頻源接入模塊

針對(duì)輸入的多路視頻源使用不同傳輸協(xié)議和傳輸約定進(jìn)行封裝，形成多路視頻源各自對(duì)應(yīng)的多個(gè)接入插件，接入插件為每一幀視頻數(shù)據(jù)加入幀頭，幀頭包括視頻通道唯一標(biāo)識(shí)以及視頻數(shù)據(jù)格式唯一標(biāo)識(shí)，最后接入插件使用統(tǒng)一的交換接口將統(tǒng)一封裝的視頻數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)送給數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，從而保證上層應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)和視頻源引接方式的差異無(wú)關(guān)[7]。

②數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

針對(duì)不同的傳輸協(xié)議進(jìn)行封裝，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接收調(diào)用接口從視頻源接入模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)發(fā)送調(diào)用接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送[8]。

2.2視頻顯示處理客戶(hù)端軟件

視頻顯示處理客戶(hù)端軟件包括數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)解碼模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。視頻顯示處理客戶(hù)端軟件組成示意圖如圖2所示。

①數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊針對(duì)不同的傳輸協(xié)議進(jìn)行封裝，使用統(tǒng)一的調(diào)用接口進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

②數(shù)據(jù)解碼模塊

針對(duì)多種視頻源使用的視頻壓縮方法進(jìn)行封裝，形成多種視頻源各自對(duì)應(yīng)的多個(gè)解碼插件，根據(jù)視頻幀幀頭的視頻數(shù)據(jù)格式唯一標(biāo)識(shí)選擇對(duì)應(yīng)的解碼插件對(duì)視頻幀進(jìn)行解碼，然后使用統(tǒng)一的視頻解壓數(shù)據(jù)交換接口將解壓后視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給數(shù)據(jù)處理模塊，從而保證上層應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)格式的差異無(wú)關(guān)。

③數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊包括視頻情報(bào)的實(shí)時(shí)顯示、關(guān)鍵幀截取、大場(chǎng)景拼接及目標(biāo)檢測(cè)等處理，這些處理的輸入都是解壓后視頻數(shù)據(jù)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)解碼模塊提供的統(tǒng)一視頻解壓數(shù)據(jù)交換接口獲取[9]。

3涉及的關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)依托于以下2種關(guān)鍵技術(shù)。

①視頻接入、解碼插件化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度抽象出視頻接入、視頻解碼這2個(gè)容易受外部因素影響的模塊。當(dāng)視頻碼流格式和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議發(fā)生變化時(shí)，只需要修改相應(yīng)的插件，數(shù)據(jù)處理模塊不需要重新編譯。

②視頻碼流統(tǒng)一轉(zhuǎn)換技術(shù)

系統(tǒng)從數(shù)據(jù)解碼模塊到數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采用了視頻碼流統(tǒng)一轉(zhuǎn)換技術(shù)，把各種格式的視頻碼流統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成YUV420格式[10]，用于后期視頻的顯示、拼接等處理。YUV格式用Y分量表示灰度值，用U和V分量分別表示色度和飽和度，沒(méi)有U和V的信息也一樣可以顯示完整的灰度圖像（黑白），在特殊場(chǎng)合下可以節(jié)省帶寬。

4仿真試驗(yàn)

仿真試驗(yàn)環(huán)境使用海康視頻、科達(dá)視頻和大華視頻模擬源來(lái)模擬3個(gè)前端視頻源，分別具有不同的視頻碼流格式和傳輸協(xié)議，如表1所示。

前端模擬視頻源通過(guò)網(wǎng)線與部署視頻接入服務(wù)軟件的服務(wù)器相連，后端計(jì)算機(jī)部署視頻顯示處理客戶(hù)端軟件，視頻碼流通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸，仿真環(huán)境的物理部署示意圖如圖3所示。

系統(tǒng)針對(duì)上述3種視頻源，使用視頻服務(wù)接入軟件引接視頻碼流，使用視頻顯示處理客戶(hù)端軟件顯示處理視頻信息。

其中視頻接入服務(wù)軟件封裝3種視頻源的接入插件，每種視頻接入插件針對(duì)海康、科達(dá)和大華視頻源使用的不同傳輸協(xié)議和傳輸約定進(jìn)行封裝。3種視頻接入插件分別接入3種視頻數(shù)據(jù)，并且為每一幀視頻數(shù)據(jù)加入統(tǒng)一的幀頭，幀頭包括視頻通道唯一標(biāo)識(shí)（用于系統(tǒng)區(qū)分多路視頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多畫(huà)面顯示等多路視頻的并發(fā)處理）以及視頻數(shù)據(jù)格式唯一標(biāo)識(shí)（用于數(shù)據(jù)解碼模塊選擇具體解碼插件解碼）。

視頻顯示處理客戶(hù)端軟件封裝3種視頻源的解碼插件，當(dāng)其接收到視頻碼流時(shí)，數(shù)據(jù)解碼模塊依據(jù)幀頭中的視頻數(shù)據(jù)格式唯一標(biāo)識(shí)來(lái)選擇相應(yīng)的視頻解碼模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的解碼，利用幀頭中的視頻通道唯一標(biāo)識(shí)，控制3路視頻的同時(shí)顯示處理。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在數(shù)據(jù)處理模塊不重新編譯的情況下，只需要更新對(duì)應(yīng)視頻源的接入插件和對(duì)應(yīng)的解碼插件就可以完成集成，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，視頻畫(huà)面清晰流暢。

5結(jié)束語(yǔ)

本文所述的視頻處理系統(tǒng)基于統(tǒng)一架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多種視頻源的統(tǒng)一引接，多種視頻格式的統(tǒng)一解碼。本系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，對(duì)于新接入的視頻源，可以根據(jù)其引接方法和數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展插件，擴(kuò)展插件可以無(wú)縫集成到已有的架構(gòu)中，不需要改動(dòng)上層業(yè)務(wù)處理功能，實(shí)現(xiàn)了已有成果有效重用，同時(shí)縮短了軟件的開(kāi)發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)

[1]陳曦，殷華博.基于視覺(jué)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤技術(shù)分析[J].無(wú)線電工程，2011，41（6）：22-24.

[2]鄭慶紅.基于H.264的視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電工程，2011，41（8）：12-14.

[3]胡禮勇，李釗，李建軍，等.基于投影變換與軌跡關(guān)聯(lián)的目標(biāo)檢測(cè)算法[J].無(wú)線電工程，2011，41（6）： 29-31.

[4]張瑞.粒子濾波和均值漂移相結(jié)合目標(biāo)跟蹤算法[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2011，37（2）：29-31.

[5]謝寶虹.基于GPRS和CDMA1X無(wú)線網(wǎng)絡(luò)高速公路監(jiān)控系統(tǒng)[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2005（5）：85-88.

[6]白保良.自然保護(hù)區(qū)無(wú)線數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2012，24（12）：159-160.

[7]畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)：H.264/AVC[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[8]劉英，王濤，甘朝輝，等.多級(jí)視頻監(jiān)控流媒體服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].無(wú)線電工程，2011，41（12）：1-4.

[9]洪波，趙鵬，沈永玲.基于流媒體技術(shù)的自適應(yīng)性視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2009，35（13）：41-43.

[10]常青.數(shù)字圖像處理教程[M].上海：華東理工大學(xué)出版社， 2009.