Linux嵌入式視頻直播監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：本文以嵌入式處理器和Linux為開發(fā)平臺，利用嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)，Linux下圖像采集技術(shù)，MPEG-4壓縮技術(shù)，RTP傳輸技術(shù)，Linux幀緩沖機制等設(shè)計并實現(xiàn)了嵌入式視頻直播監(jiān)控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:視頻監(jiān)控，MPEG-4，RTP/RTCP，幀緩沖

Abstract：This paper described how to design and complete an Embedded Video Living Monitoring System, which depended on embedded software developing, Linux graph collection, MPEG-4 compression, RTP translation, Linux framebuffer and use embedded CPU and Linux as developing platform.

Key words: Video Monitoring，MPEG-4，RTP/RTCP，framebuffer

1 引言

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬，計算機處理能力的極大提高和人們安全防范觀念的加強，視頻監(jiān)控領(lǐng)域進入了高速發(fā)展的數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)時代。但嵌入式處理器具有低功耗、體積小、經(jīng)濟、穩(wěn)定的特點；Linux作為一個開源軟件，具有成本低廉的優(yōu)勢，同時兼具安全、穩(wěn)定的特點。因此，以嵌入式處理器作為硬件平臺，以Linux作為軟件平臺的視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠結(jié)合兩者的優(yōu)點，必將成為未來的發(fā)展方向。本文介紹了一種Linux嵌入式視頻直播監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案。

2 系統(tǒng)概述

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用服務(wù)器/客戶機架構(gòu)，分別使用Intel Xscale PXA270、PXA255作為服務(wù)器、客戶機硬件平臺，并基于Linux (kernel version：2.6.12)操作系統(tǒng)進行開發(fā)。服務(wù)器采集視頻，壓縮后通過局域網(wǎng)傳遞給客戶機；客戶機接收數(shù)據(jù)，解壓縮后播放。

服務(wù)器通過USB攝像頭采集YUV格式視頻，然后進行MPEG-4壓縮，將壓縮后的MPEG-4幀進行RTP封裝，并通過RTP協(xié)議進行傳輸。客戶機接收RTP數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)組成一幀，然后進行MPEG-4解壓縮，得到Y(jié)UV格式視頻。然而計算機只能顯示RGB格式視頻，因此通過圖像格式轉(zhuǎn)換成RGB格式。最后，利用Linux下的幀緩沖機制進行寫屏，從而實現(xiàn)了視頻回放。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1V4L視頻采集

Video4Linux(簡稱V4L)是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動，它為針對視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)，這些視頻設(shè)備包括現(xiàn)今市場上流行的TV卡、視頻捕捉卡和USB攝像頭等。對于USB口攝像頭，其驅(qū)動程序中需要提供基本的I/O操作接口函數(shù)open，read，write，close的實現(xiàn)、對中斷的處理實現(xiàn)、內(nèi)存映射功能以及對I/O通道的控制接口函數(shù)ioctl的實現(xiàn)等，并把它們定義在結(jié)構(gòu)體file_operations中。這樣當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進行諸如open，close，read，write等系統(tǒng)調(diào)用操作時，Linux內(nèi)核將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序提供的函數(shù)。

具體采集工作通過操作ioctl和mmap系統(tǒng)調(diào)用進行實現(xiàn)。ioctl實際上是input/output control的縮寫。ioctl系統(tǒng)調(diào)用的功能就是通過打開的文件描述符對各種文件尤其是字符設(shè)備文件進行控制，完成特定的I/O操作。在本系統(tǒng)中，使用ioctl(fd, VIDIOCGCAP, cap)以獲取攝像頭基本信息；使用ioctl(fd, VIDIOCGMBUF, *mbuf)以獲取攝像頭緩沖區(qū)信息；使用ioctl(fd, VIDIOCMCAPTURE, mm)進行圖像捕捉；使用ioctl(fd, VIDIOCSYNC, frame)等待捕捉完該幀圖像。mmap調(diào)用的功能是實現(xiàn)內(nèi)存映射，即將指定文件或?qū)ο蟮囊徊糠钟成涞絻?nèi)存中去。這樣可以通過訪問特定的內(nèi)存區(qū)域來直接對文件或?qū)ο筮M行存取。與read和write。調(diào)用相比，這種I/O方式的效率要高得多。

3.2MPEG-4壓縮和解壓縮

MPEG是Moving Pictures Experts Group（運動圖像專家組）的縮寫。MPEG-4由MPEG制定，并于1999年2月正式成為ISO/IEC 14496國際標準。MPEG-4的壓縮方法不同于MPEG1/2或H.263+系列標準，它是基于對象的多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼國際標準，定義的是一種框架、一種格式，而不是一種具體的算法。它在多媒體環(huán)境下提供的基于不同對象的處理方法對自然或合成的音頻、視頻進行壓縮編碼，由一系列支持在該應(yīng)用領(lǐng)域下的工具組成，能夠針對不同的應(yīng)用組合使用不同的編碼工具，提供如形狀編碼、運動估計和運動補償編碼、紋理編碼和容錯編碼等技術(shù)。

本系統(tǒng)借助于MPEG-4開源庫Xvidcore作為編/解碼庫。具體選用版本1.1.2。Xvidcore中所有的編碼工作都是通過編碼函數(shù)xvid_encore執(zhí)行的，xvide_encore函數(shù)定義如下：

int xvid_encore(void * handle， int opt， void * paraml， void * param2);

其中opt為編碼所要做的操作，opt有以下三種操作：（1）XVID_ENC_CREATE：創(chuàng)建一個新的編碼器，則param1為XVID_ENC_PARAM, handle為新編碼的句柄；（2）XVID_ENC_ENCODE：編碼一幀，則param1為XVID_ENC_FRAME, param2為XVID_ ENC_ STATS或NULL；（3）XVID_DEC_DESTROY：編碼結(jié)束，不返回任何句柄。

Xvidcore的所有解碼工作都是由xvid_decore實現(xiàn)的，xvid_decore函數(shù)定義如下：

int xvid_decore(void * handle, int opt, void * param1， void * param2);

其中opt為解碼所要做的操作，opt有以下三種操作：（1）XVID_DEC_CREATE：創(chuàng)建一個新的解碼器,則param1為XVID_DEC_PARAM，handle為新編碼的句柄；（2）XVID_DEC_DECODE: 解碼一幀，則param1為XVID_ENC_FRAME；（3）XVID_DEC_DESTROY: 關(guān)掉解碼器，不返回任何句柄。

系統(tǒng)通過采集模塊采集得到Y(jié)UV420格式的視頻幀存放在緩沖區(qū)中，Xvidcore取出該緩沖區(qū)存放的原始幀數(shù)據(jù)，調(diào)用xvid_encore函數(shù)進行編碼。接收端調(diào)用xvid_decore函數(shù)對收到的幀進行解碼。從而實現(xiàn)了MPEG-4的壓縮和解壓縮。

3.3RTP傳輸

實時傳輸協(xié)議（Real-time Transport Protocol，RTP）是在 Internet 上處理多媒體數(shù)據(jù)流的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，利用它能夠在一對一（unicast，單播）或者一對多（multicast，多播）的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實現(xiàn)傳流媒體數(shù)據(jù)的實時傳輸。我們采用開源代碼Jrtplib提供的RTP協(xié)議棧。最新的Jrtplib對RFC3550的實現(xiàn)進行了封裝，使用C++語言開發(fā)，能夠在多種平臺如Linux和Windows下運行。

在網(wǎng)絡(luò)帶寬比較低的情況下，數(shù)據(jù)丟幀現(xiàn)象比較嚴重，這對于圖像質(zhì)量有很大的影響。我們采用拆幀以后再發(fā)送的方法，來降低丟幀率。接收端收到數(shù)據(jù)后，再把屬于同一視頻幀的數(shù)據(jù)組合起來。由于目前常用網(wǎng)絡(luò)是802.3的10Mb/s系統(tǒng)，而該系統(tǒng)最大有效載荷為1500字節(jié)，因此設(shè)置1400為RTP包大小上限。網(wǎng)絡(luò)發(fā)送接收程序流程圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送接收程序流程圖

簡單的說，發(fā)送端發(fā)送RTP包到Client端，發(fā)送的時候是分批以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到Client，就是說發(fā)送一個RTP包需要幾次數(shù)據(jù)包發(fā)送來完成。發(fā)送成功以后發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，通過調(diào)用Jrtplib中函數(shù)SendPacket()實現(xiàn)；

接收端依次循環(huán)調(diào)用函數(shù)GetNextPacket()來接收某一RTP包的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包到來不是按順序到來的，完全接收到RTP包所用的數(shù)據(jù)包以后，根據(jù)時間戳對所接收的數(shù)據(jù)包重新排序重新生成最初的RTP包。接收成功后，調(diào)用函數(shù)GotoNextSourceWithData()開始接收下一個RTP包。

3.4寫framebuffer進行播放

framebuffer設(shè)備是圖形硬件的抽象概念，意指某些視頻硬件的幀緩沖，使得應(yīng)用軟件可以通過定義好的接口訪問圖形硬件。framebuffer將顯示的象素點看成是內(nèi)存的映射，屏幕上每一個點對應(yīng)framebuffer內(nèi)存中相應(yīng)的單元。幀緩沖設(shè)備為標準字符設(shè)備，主設(shè)備號為29，次設(shè)備號從0到31，分別對應(yīng)/dev/fb0-/dev/fb31，默認為/dev/fb0。通過/dev/fb0，應(yīng)用程序主要完成以下幾種操作：

1. I/O控制（ioctl）操作：對于幀緩沖設(shè)備，對設(shè)備文件的ioctl操作可讀取(FBIOGET_SCREElVINFO，F(xiàn)BIOGET_SCREElVINFO)和設(shè)置(FBIOPUT_VSCREElVINFO， FBIOPUT_FSCREElVINFO)顯示設(shè)備及屏幕的參數(shù)，如分辨率、顯示顏色數(shù)、屏幕大小等。

2. 映射(mmap)操作：工作在保護模式的應(yīng)用程序有自己的虛擬地址空間，但不能直接訪問物理緩沖區(qū)地址，為此可以使用mmap函數(shù)將文件的內(nèi)容映射到用戶空間。之后用戶就可以通過讀寫這段虛擬地址訪問屏幕緩沖區(qū)在屏幕上繪圖了。

4結(jié)束語

本文提出了一種Linux視頻直播監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案。經(jīng)過對系統(tǒng)的測試表明：當(dāng)客戶端向服務(wù)器請求現(xiàn)場音視頻流時，服務(wù)器端立刻向通過客戶端發(fā)送音視頻流，客戶端軟件實時接收、實時解碼、實時播放，都能流暢的播放出清晰畫面，無明顯抖動和延時。服務(wù)器和客戶機可以穩(wěn)定運行。服務(wù)器穩(wěn)定后，CPU利用率達60%-70%，客戶機穩(wěn)定后，CPU利用率達70%-80%。系統(tǒng)穩(wěn)定后，占用帶寬約400kbit/s-500kbit/s，播放幀率約14f/s，能夠滿足一般情況下視頻監(jiān)控要求。

本論文的新見解主要體現(xiàn)在：

（1）提出了一套簡單易行的流媒體直播系統(tǒng)解決方案，并將其應(yīng)用于嵌入式平臺。

（2）傳輸過程中對RTP數(shù)據(jù)包的大小進行控制，大大降低了丟幀率。

參考文獻:

[1] 陳章龍等. 嵌入式技術(shù)與系統(tǒng)――Intel XScale結(jié)構(gòu)與開發(fā). [M]北京 北京航空航天大學(xué)出版社，2004

[2] 魯比尼. Linux設(shè)備驅(qū)動程序(第二版) [M] 北京：電力出版社，2002

[3] 鐘玉琢. 流媒體和視頻服務(wù)器. [M] 北京:清華大學(xué)出版社.2003. 6

[4] 吳昱軍. 媒體實時傳輸協(xié)議及其在視頻傳輸系統(tǒng)中的運用.微計算機信息.2003.19