多路嵌入式H.264視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)詳解

　　1 引　言

　　隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和視頻壓縮技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體技術(shù)的研究和應(yīng)用受到了越來越多的重視，其中視頻服務(wù)器的發(fā)展尤為迅速，特別是嵌入式視頻服務(wù)器[1][2]。

　　由于具有體積小，安裝靈活的特點(diǎn)，只要能接入到Internet, 它就可以為任何授權(quán)的用戶提供實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控服務(wù)，避免了鋪設(shè)專門線路進(jìn)行視頻信號(hào)傳輸?shù)陌嘿F費(fèi)用。

　　嵌入式視頻服務(wù)器是一種能提供視頻采集，視頻數(shù)據(jù)壓縮，網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的一種多媒體信息服務(wù)器。其傳輸處理的是視頻流，而視頻傳輸具有實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，它需要滿足以下三點(diǎn)要求：一：高帶寬，高帶寬保證大數(shù)據(jù)量的多媒體數(shù)據(jù)傳輸效率；二：支持QoS，保證傳輸?shù)馁|(zhì)量、資源預(yù)留；三：支持多種傳輸方式。由于嵌入式環(huán)境資源的限制，在視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸和圖象質(zhì)量方面，其QoS一直得不到保證。特別是多路的情況，實(shí)時(shí)視頻的傳輸質(zhì)量隨路數(shù)的增加會(huì)急劇下降。嵌入式視頻服務(wù)器性能的瓶頸主要在于視頻數(shù)據(jù)的傳輸上，因此縮短視頻數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間就能提高視頻服務(wù)器的性能?？s減視頻數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間可以從兩個(gè)方面入手：一：減少視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘?。主要通過采用高性能的壓縮編碼技術(shù)來減少傳輸?shù)男畔⒘?。二：采用適合多媒體數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議?？紤]到嵌入式的系統(tǒng)資源及其寶貴，故我們選用了目前編碼效率最高的H.264[3]技術(shù)和專門為傳輸多媒體數(shù)據(jù)的RTP[4]傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)了本文這套系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該嵌入式視頻服務(wù)器在不影響圖象質(zhì)量的前提下，能夠比以往的視頻服務(wù)器占用更低的帶寬。

　　2 系統(tǒng)的硬件組成

　　我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了HHARM2410嵌入式開發(fā)套件，它由核心板和底板組成，核心板上集成Samsung S3C2410 處理器（203M 的主頻，100M的總線速度），64M SDRAM以及16M 的FLASH。底板上提供以下外設(shè)接口：一個(gè)四線RS-232 串口，一個(gè)USB HOST接口，一個(gè)10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，一個(gè)TFT LCD接口, 一個(gè)觸摸屏接口。操作系統(tǒng)采用裁減過的嵌入式Linux。該嵌入式視頻服務(wù)器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式視頻服務(wù)器硬件組成

　　應(yīng)用程序通過編碼器模塊采集H.264視頻流,按照RTP協(xié)議實(shí)時(shí)打包,并通過以太網(wǎng)接口 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流傳輸( IP Streaming) 。另外還可以擴(kuò)充一塊802. 11b /g無線模塊,來達(dá)到無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪康?并可通過IDE接口擴(kuò)充一塊IDE硬盤作為本地H.264視頻圖像存儲(chǔ)之用。

　　3 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

　　服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它工作在嵌入式Linux平臺(tái)上，嵌入式Linux是標(biāo)準(zhǔn)Linux經(jīng)裁減得到的，同Linux一樣，具有穩(wěn)定，安全，高效率，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。服務(wù)器端采用模塊化設(shè)計(jì)，從功能角度，服務(wù)器端的軟件體系結(jié)構(gòu)可劃分為5個(gè)模塊：采集模塊，編碼模塊，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，存儲(chǔ)模塊，設(shè)備控制模塊。其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 服務(wù)器軟件體系結(jié)構(gòu)圖

　?。?）采集模塊，主要完成視頻的采集，圖像格式的轉(zhuǎn)換，在此處設(shè)定采集的圖像格式為YUV。采用Linux的v4l[5]來實(shí)現(xiàn)，v4l是Linux中提供的一個(gè)音視頻接口規(guī)范，所有的音視頻設(shè)備的驅(qū)動(dòng)編寫要用到這些接口。

　?。?）編碼模塊，主要完成對(duì)采集的圖像的壓縮編碼。對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮可以有兩種方案，一種是用硬件來壓縮，它可以有專用系統(tǒng)和通用系統(tǒng)兩種形式，其中，專用系統(tǒng)使用專用芯片實(shí)現(xiàn)圖像的硬件壓縮,通用系統(tǒng)則利用通用芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。相對(duì)于通用系統(tǒng),用專用芯片對(duì)圖像用硬件進(jìn)行壓縮可以快速進(jìn)行圖象壓縮,減少處理器的開銷等點(diǎn)。第二種壓縮方法就是用軟件來實(shí)現(xiàn)，這種方法對(duì)機(jī)器的硬件配置要求較高，但運(yùn)用起來靈活，考慮到現(xiàn)在硬件技術(shù)已經(jīng)比較成熟，故我們采用第二種方案，對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行軟壓縮，此處利用H.264標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮。H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)是一種新的編碼方法。與其他壓縮編碼方式比較，利用H.264標(biāo)準(zhǔn)可以獲得更高的壓縮比及更好的圖象質(zhì)量。H.264編碼器都是開源的，可以從網(wǎng)上下載，此處用的是t264，對(duì)采集到的YUV格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐幀壓縮。

　　（3）網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，完成現(xiàn)場(chǎng)多媒體數(shù)據(jù)及歷史多媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)的傳輸，用于支持瀏覽端的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)覽和記錄回放功能。其基本過程是碼流經(jīng)碼率控制部分進(jìn)行碼率調(diào)整，然后由RTP組件傳送到網(wǎng)絡(luò)中。傳輸啟動(dòng)之初，組播控制器根據(jù)多用戶代理提供瀏覽端的組播策略來協(xié)商組播策略；傳輸過程中，RTCP組件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀況并反饋給決策控制器，決策控制器控制分離器、視頻抽幀器和碼流復(fù)合器組件，完成碼流的動(dòng)態(tài)整合。其傳輸體系結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3視頻流傳輸體系結(jié)構(gòu)

　?。?）存儲(chǔ)模塊，多個(gè)攝像頭采集的多路視頻數(shù)據(jù)經(jīng)編碼壓縮后形成復(fù)合媒體流，通過存儲(chǔ)組件，存為H.264文件，同時(shí)向數(shù)據(jù)庫(kù)中寫相應(yīng)的文件信息。

　?。?）設(shè)備控制模塊，設(shè)備控制器接收用戶界面發(fā)出的或網(wǎng)絡(luò)傳送來的控制命令，控制解碼器，完成對(duì)云臺(tái)、鏡頭等設(shè)備的控制。