基于嵌入式WEB的視頻服務(wù)器的設計與實(shí)現

1.引言

視頻服務(wù)器一種對視音頻數據進(jìn)行壓縮、存儲及處理的專(zhuān)用嵌入式設備，它在遠程監控及視頻等方面都有廣泛的應用。視頻服務(wù)器采用MPEG4或MPEG2等壓縮格式，在符合技術(shù)指標的情況下對視頻數據進(jìn)行壓縮編碼，以滿(mǎn)足存儲和傳輸的要求。隨著(zhù)音視頻編碼技術(shù)的不斷發(fā)展和寬帶網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，視頻傳輸的實(shí)現變得更容易和成本更低，使得視頻傳輸的需求日益增長(cháng)。基于嵌入式WEB的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統逐漸得到了人們的廣泛關(guān)注。

2. 基于嵌入式WEB技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統特征及原理

采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統和專(zhuān)用的硬件結構，無(wú)論是軟件還是硬件都保證了嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器比基于PC機的系統具有更高的實(shí)時(shí)性、穩定性和可靠性。本視頻服務(wù)器使用MPEG-4視頻壓縮技術(shù)，與MJPEG和H.263等壓縮方式比，具有壓縮比高、碼流小、圖像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于Internet環(huán)境下的實(shí)時(shí)監控，并且可以節省存儲空間。

本系統由攝像機、嵌入式WEB服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò )和監控端組成。攝像機用來(lái)采集監控現場(chǎng)的視頻。嵌入式WEB服務(wù)器是整個(gè)監控系統的核心，有硬件和軟件兩個(gè)部分，詳細結構將在下面分別介紹。其主要功能包括：為監控端提供WEB訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)面；對監控端的訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行有效性、安全性檢查；響應監控端的請求，為監控端提供所需要的視頻圖像；接收監控端的控制信息，經(jīng)過(guò)軟硬件轉換后對攝像機進(jìn)行控制。監控系統的原理圖如圖1所示。

圖 1 嵌入式視頻監控系統示意圖

3. 嵌入式 WEB 服務(wù)器的硬件結構

嵌入式WEB服務(wù)器的硬件結構如圖2所示。其主要由CPU芯片、MPEG-4音視頻編碼芯片、Flash芯片、SDRAM內存、以太網(wǎng)絡(luò )接口、大容量硬盤(pán)組成。其中CPU采用MOTOROLA公司的PowerPC系列嵌入式通信處理器MPC8250。MPEG-4音視頻編碼芯片完成對從攝像頭傳送過(guò)來(lái)的視頻數據的壓縮和編碼。根據網(wǎng)絡(luò )帶寬、拓撲結構以及對圖像質(zhì)量的要求，本系統選用基于MPEG-4標準的分層可擴展性編碼方案。壓縮后的視頻數據根據需要，可以存儲在大容量硬盤(pán)中，或者通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )傳輸。為了實(shí)現視頻存儲功能，需要采用大容量的硬盤(pán)。

圖 2 嵌入式 WEB 服務(wù)器的硬件結構

4. 嵌入式 WEB 服務(wù)器的軟件系統

4.1 嵌入式操作系統

嵌入式操作系統是支持嵌入式系統應用的操作系統軟件，是在系統實(shí)時(shí)性、硬件相關(guān)性、軟件固態(tài)化等方面有著(zhù)突出特點(diǎn)的專(zhuān)用操作系統。

4.2 應用軟件

服務(wù)器的應用軟件結構如圖3所示。其主要由WEB服務(wù)器、CGI程序、嵌入式數據庫mSQL、視頻調度與傳輸模塊、存儲管理與調度模塊、攝像機控制模塊等幾個(gè)重要部分組成。

4.2.1 WEB服務(wù)器與CGI程序

WEB服務(wù)器通過(guò)HTTP協(xié)議與監控端瀏覽器軟件進(jìn)行信息交互，提供其他應用程序模塊的接口以及視頻數據瀏覽界面和攝像機控制界面。此外，它還要對監控端的訪(fǎng)問(wèn)權限進(jìn)行控制，過(guò)濾監控端的請求和控制信息，處理多個(gè)監控端的請求和控制的同步和優(yōu)先級問(wèn)題。WEB服務(wù)器通過(guò)調用CGI程序實(shí)現和瀏覽器的交互，也就是CGI程序接受瀏覽器發(fā)送給WEB服務(wù)器的信息，進(jìn)行處理，將響應結果再回送給WEB服務(wù)器及瀏覽器。原則CGI程序可以用任何程序設計語(yǔ)言編寫(xiě)，但是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的CGI程序具有執行速度快、安全性高等特點(diǎn)。

　圖3 嵌入式 WEB 服務(wù)器的應用軟件結構

4.2.2嵌入式數據庫mSQL

在本系統中，用戶(hù)信息的存儲，用戶(hù)的登錄登出，視頻設備參數的存儲與查詢(xún)，視頻文件的存儲與查詢(xún)等，都需要一個(gè)嵌入式數據庫。綜合考慮，本系統使用mSQL（MiniSQL）作為本系統的后臺數據庫。mSQL是一款優(yōu)秀的嵌入式數據庫，體系結構小巧，占用系統資源少，特別適合在嵌入式Linux系統中使用。

4.2.3視頻調度與傳輸模塊

視頻數據的傳輸一般采UDP網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議，而采用UDP的IP傳送方式有點(diǎn)播、廣播和組播三種，其中組播是服務(wù)器只向特定的用戶(hù)組發(fā)送一個(gè)數據包，組中的各用戶(hù)可以共享這一數據包，而組外的用戶(hù)卻無(wú)法接收到。本系統采用IP組播方式，采用組播技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：可以讓服務(wù)器承擔大量客戶(hù)端的視頻數據播送要求；由于數據包拷貝數量和發(fā)送目的地址少，大大減少了網(wǎng)絡(luò )中傳輸的數據總量，從而保證較高的服務(wù)質(zhì)量；減小了視頻數據流傳輸的帶寬占用，減輕了服務(wù)器的負擔。

本系統采用的網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議使用RTP/UDP/IP模型。RTP協(xié)議是一種提供端對端的實(shí)時(shí)媒體傳輸服務(wù)的協(xié)議，由實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP和實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP兩個(gè)部分組成。RTP/UDP/IP的方式兼顧了視頻傳輸的實(shí)時(shí)性與QoS保證。同時(shí)針對傳輸網(wǎng)絡(luò )狀況的不確定性，還可以采取一定的擁塞控制和差錯控制策略。

4.2.4存儲管理與調度模塊

存儲管理模塊的主要功能是將壓縮和編碼后的視頻信息根據一定的策略存儲至磁盤(pán)中特定的區域，將視頻文件信息存儲到嵌入式數據庫中，同時(shí)響應視頻調度與傳輸模塊的請求，按一定的磁盤(pán)調度策略和優(yōu)先級順序從磁盤(pán)中讀取視頻數據至內存緩沖區。本系統采用等長(cháng)分組存儲策略，即將視頻信息按照時(shí)序關(guān)系分割成若干數據單元，這些數據單元稱(chēng)作分組，將每個(gè)分組存儲于一個(gè)大小固定的存儲單元內。

4.2.5攝像機控制模塊

攝像機控制模塊主要實(shí)現對攝像機的控制。在監控端，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器向WEB服務(wù)器發(fā)送攝像機控制命令，該控制命令經(jīng)WEB服務(wù)器接受和處理后，再通過(guò)CGI程序發(fā)送給攝像機控制模塊，然后被轉換成相應的對攝像機控制的硬件操作指令，從而實(shí)現對攝像機云臺鏡頭的遠程控制。

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，人們對視頻服務(wù)器的設計不斷提出新的要求。當系統突然面對大量的客戶(hù)請求時(shí)，必須解決圖像、聲音數據流播放的高速、連續、可靠和同步的問(wèn)題。這就要求視頻服務(wù)器在設計時(shí)采用一定的策略來(lái)改善這方面的性能。為了進(jìn)一步提高視頻服務(wù)器的服務(wù)用戶(hù)數，節省視頻服務(wù)器的系統資源，可采用多播的方式把那些點(diǎn)播同一節目且具有相同（相近）路由的用戶(hù)統一進(jìn)行服務(wù)。