電梯監控系統中的視頻編解碼關(guān)鍵技術(shù)

作者/ 茅劍^1,2 劉晉明^1,2 張杰敏¹   1.集美大學(xué) 計算機工程學(xué)院(福建 廈門(mén) 361021) 2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院(湖南 長(cháng)沙 410073)

摘要：本文針對電梯運行環(huán)境，設計了視頻監控和廣告播放一體化嵌入式系統，實(shí)現了電梯監控、視頻播放、網(wǎng)絡(luò )傳輸等功能。為降低產(chǎn)品化后的硬件成本和體積，系統基于S5PV210嵌入式芯片開(kāi)發(fā)以單CPU結構實(shí)現所有應用功能。為保證系統的運行效率，針對視頻的采集、傳輸和播放，設計實(shí)現了硬件編解碼技術(shù)。實(shí)驗證明，利用該視頻編解碼技術(shù)，可使系統各功能模塊高效并行工作，從而大大降低系統資源占用率，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。

引言

　　近年來(lái)，我國電梯安全事故頻發(fā)，暴露出電梯運行維護中存在著(zhù)諸多問(wèn)題。如何從技術(shù)層面消除電梯運行的安全隱患，保障電梯的正常運行及乘坐人員的人身安全，是相關(guān)工程技術(shù)人員急需解決的問(wèn)題。此外，由于電梯通常安裝于公共場(chǎng)所，乘客具有相當的流動(dòng)性，所以電梯也成為一個(gè)重要的廣告投放媒介。面對傳統紙質(zhì)廣告投放更新效率低下的現狀，利用信息化技術(shù)提高電梯廣告的投放效率和效果，也是電梯廣告業(yè)界的迫切需求?；谏鲜鲇懻?，本文針對轎廂式電梯設計開(kāi)發(fā)了一套嵌入式電梯遠程安全監控及視頻廣告系統^[1-2]。該系統基于三星公司的S5pv210芯片開(kāi)發(fā)，實(shí)現了對電梯運行狀態(tài)和轎廂進(jìn)出人員的實(shí)時(shí)監控，以及針對電梯用戶(hù)的視頻廣告播放。

1 系統設計

　　嵌入式電梯遠程安全監控及視頻廣告系統的整體設計如圖1所示。系統分為嵌入式前端模塊和PC后端模塊兩大部分。嵌入式模塊部署在電梯轎廂內，PC模塊安放在樓宇的主控機房，二者通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，實(shí)現雙向實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。PC模塊和嵌入式模塊之間基于一對多關(guān)系設計，在主控機房的工作人員可以通過(guò)PC模塊，同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)控制分布在不同電梯內的多個(gè)嵌入式模塊。

1.1 嵌入式模塊設計

　　嵌入式模塊以S5pv210芯片為核心設計開(kāi)發(fā)，移植Linux嵌入式操作系統內核，通過(guò)多種接口和外設通訊，實(shí)現對電梯狀態(tài)的監控、轎廂內監控視頻采集處理、廣告播放等功能。S5pv210芯片支持多接口連接，并內置多媒體處理內核，可支持攝像頭和多種視頻格式的硬件編解碼^[3]。嵌入式模塊各功能簡(jiǎn)要介紹如下：

1.1.1 視頻監控

　　視頻監控子模塊通過(guò)USB接口外接攝像頭實(shí)時(shí)采集電梯轎廂內視頻場(chǎng)景，記錄電梯運行和人員進(jìn)出的視頻圖像信息^[4]。在該子模塊中，設計實(shí)現了硬件編碼技術(shù)，將監控視頻以H.264格式進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮處理，以提高視頻的處理、傳輸和存儲效率。視頻根據記錄時(shí)間分割，實(shí)時(shí)存儲到本地SD卡，并依據控制指令，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )上傳至PC服務(wù)器。

1.1.2 運行狀態(tài)監控

　　狀態(tài)監控子模塊通過(guò)RS232和RS485總線(xiàn)連接電梯控制箱，實(shí)時(shí)采集電梯運行狀態(tài)數據，并以規定編碼格式實(shí)時(shí)反饋至PC服務(wù)器。電梯運行如有異常，控制室內工作人員可立即獲取警告信息。

1.1.3 廣告播放

　　廣告播放子模塊通過(guò)HDMI接口外接LCD顯示屏，根據客戶(hù)要求滾動(dòng)播放廣告視頻^[5-6]。該子模塊選擇Mplayer視頻播放器，并用設計實(shí)現的硬件解碼算法更新Mplayer源碼，以改善視頻播放效率。

1.1.4 網(wǎng)絡(luò )通信

　　考慮到電梯內外的施工環(huán)境復雜，本系統在嵌入式核心板上集成了有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種IP網(wǎng)絡(luò )接口。嵌入式模塊可以通過(guò)有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種連接方式和PC模塊保持通信。

1.2 PC模塊設計

　　PC模塊部署在PC服務(wù)器上，提供電梯監控系統相關(guān)的Web服務(wù)和數據庫服務(wù)，實(shí)現用戶(hù)可視化交互訪(fǎng)問(wèn)^[7-8]。PC模塊通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )和各嵌入式模塊保持實(shí)時(shí)通信，實(shí)現對嵌入式模塊的遠程訪(fǎng)問(wèn)和控制。由于嵌入式模塊采用SD卡作為存儲設備，存儲容量有限，而監控視頻需要長(cháng)期保存，所以大量的視頻數據均須在PC服務(wù)器上備份存儲。視頻根據錄制時(shí)間分割存儲，可隨時(shí)調取查看。

2 視頻監控中的硬件編碼技術(shù)

　　本文中所設計的嵌入式電梯遠程安全監控及視頻廣告系統是市場(chǎng)化的升級換代產(chǎn)品。相對于前代產(chǎn)品，本系統的優(yōu)點(diǎn)在于采用了嵌入式單CPU設計，大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)和部署成本。在降低硬件成本的同時(shí)，還要保證系統的運行效率，就需要良好的視頻編解碼性能支持，因此，嵌入式硬件編解碼技術(shù)成為系統開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。

2.1 H.264視頻格式

　　為了獲取更高的圖像壓縮比，從而提高視頻的遠程傳輸效率和本地存儲效率，系統采用H.264作為電梯監控視頻格式^[9]。實(shí)時(shí)監控視頻輸出為CIF格式，分辨率352×288，幀率為25幀/秒，可調節碼流。

　　由于系統要求對目標進(jìn)行每天24小時(shí)不間斷監控，并能追溯過(guò)去的視頻記錄，這就對視頻的存儲時(shí)長(cháng)提出了較高的要求。在嵌入式設備存儲容量一定的情況下，提高視頻存儲的壓縮比就成為最好的選擇。此外，系統需要實(shí)時(shí)傳輸監控畫(huà)面至后臺監控室，在網(wǎng)絡(luò )帶寬一定的前提下，也必須通過(guò)提高視頻壓縮比來(lái)保障傳輸效率。因此，本系統采用高壓縮比的YUV420視頻格式，如圖2所示。

　　YUV420格式對視頻的亮度分量Y和色度分量U、V的采樣比為4:1:1。相對于亮度分量Y而言，色度分量U、V使用隔行采樣加間隔采樣的方式。也就是說(shuō)，對于一幀畫(huà)面，在存儲每個(gè)像素的亮度值的同時(shí)，只留下奇數行中奇數列的色度值。

　　例如，對一個(gè)分辨率為W×H的視頻幀，采用YUV420格式進(jìn)行采樣。幀中每個(gè)像素的亮度分量都被保存下來(lái)，即保存了W×H個(gè)Y值;但是只有四分之一像素的色度分量留下來(lái)，即保存了W×H/4個(gè)U和V值。定義亮度分量Y(m,n)，m和n表示對應像素在圖像中所處的位置，m取值范圍在0到H-1之間，n的取值范圍在0到W-1之間。那么色度分量U(k)、V(k)所對應的像素位置關(guān)系為：

(1)

　　其中k的取值范圍在0至H×W/4-1之間。

　　存儲YUV420格式視頻時(shí)，有兩種存儲格式：YV12和NV12，如圖3和圖4所示。兩種存儲格式占用的存儲空間一樣，存儲過(guò)程中均將亮度分量和色度分量分離。對于一幀視頻而言，二者都是先存儲所有像素的Y分量數值，然后存儲U、V分量數值。區別在于，YV12格式將U、V分塊存儲，先存儲所有V分量數值，然后是U分量;而NV12格式則是將U、V分量交替存儲，一個(gè)像素的U分量數值之后是該像素的V分量數值。

　　由于攝像頭在采集監控視頻時(shí)輸出的視頻格式是YV12，而S5pv210芯片執行硬件編碼時(shí)所需要的是NV12格式輸入，所以在硬件編碼之前需要進(jìn)行格式轉換，將YV12格式的視頻數據幀轉為NV12格式。

2.2 基于S5pv210的硬件編碼

　　本文的硬件編碼主要是利用S5pv210芯片的多格式編解碼技術(shù)(MFC)實(shí)現^[10]，視頻硬件編碼的流程如圖5所示。系統以視頻幀為單位進(jìn)行硬件編碼，開(kāi)啟S5pv210芯片的MFC之后，將視頻數據幀順序讀入。在讀入第一幀后，需要對編碼參數進(jìn)行初始化，初始化參數主要包括視頻尺寸和視頻質(zhì)量，其中的視頻質(zhì)量參數“FrameQp”賦值范圍在0到51之間。本系統將視頻質(zhì)量參數置為30，經(jīng)過(guò)實(shí)驗測試，視頻播放效果較好。初始化過(guò)程中，還需從首幀中獲取視頻文件頭信息，并將其寫(xiě)入H.264文件。初始化后，其余視頻幀依次輸入緩存，進(jìn)行YV12至NV12的格式轉換之后，由芯片執行硬件編碼。相應的編碼結果可以從輸出緩沖中依次獲得，并寫(xiě)入H.264文件。通過(guò)循環(huán)執行幀編碼指令，就可完成整個(gè)視頻的硬件編碼。

　　為了保證監控視頻的實(shí)時(shí)傳輸和存儲，視頻的編碼和傳輸幾乎是同時(shí)進(jìn)行的。當某一幀視頻的編碼完成之后，編碼后的數據幀除了存入本地的H.264文件之外，還通過(guò)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)程序發(fā)送至遠程PC服務(wù)器。PC服務(wù)器根據時(shí)間戳，就可以將接收的數據幀重建成視頻文件，也能實(shí)時(shí)播放監控視頻。經(jīng)過(guò)測試，硬件編碼的高效率執行很好地保障了視頻監控的實(shí)時(shí)性，同時(shí)編碼的高壓縮率也降低了系統的存儲成本。

3 視頻播放中的硬件解碼技術(shù)

　　為了在系統資源有限的嵌入式設備上同時(shí)實(shí)現視頻采集、傳輸和播放，必須對視頻播放中解碼技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化^[11-13]。通過(guò)解碼優(yōu)化，僅使用一個(gè)嵌入式芯片，就能在執行監控視頻采集和傳輸的同時(shí)，保證廣告視頻的圖像清晰、播放流暢。

3.1 Mplayer

　　本文選用Mplayer作為系統的嵌入式多媒體播放器。Mplayer功能強大，可運行在不同體系結構上，能播放多種格式的視頻文件，并支持多種視頻圖像輸出驅動(dòng)。由于Mplayer是一款完全開(kāi)源的播放軟件，因此可以很方便地根據需要修改其源碼，實(shí)現視頻解碼器的優(yōu)化。

　　Mplayer采用音視頻數據分流的方式，對視頻文件進(jìn)行處理。Mplayer讀入視頻文件后，通過(guò)解析將文件分流為視頻和音頻兩部分;然后根據文件格式選擇不同的解碼器，分別進(jìn)行音、視頻解碼;最終將解碼后的音、視頻同步輸出^[14-16]。本文只關(guān)注分流后的視頻流數據，并基于系統芯片重新設計Mplayer的視頻解碼器，從而改善視頻解碼性能，優(yōu)化視頻播放。

3.2 基于S5pv210的硬件解碼技術(shù)

　　與硬件編碼方法類(lèi)似，硬件解碼也是基于S5pv210芯片的MFC設計實(shí)現的。解碼過(guò)程同樣以幀為單位進(jìn)行，因此，在解碼之前需要初始化幀參數，開(kāi)辟存儲空間。視頻數據從視頻文件中讀取之后，被拷貝到S5pv210的解碼緩沖區，經(jīng)過(guò)MFC解碼后，將己解碼的視頻數據放入輸出緩沖區中，最后驅動(dòng)設備將視頻顯示到LCD屏幕上。視頻硬件解碼的流程如圖6所示。

　　硬件解碼實(shí)現之后，還需將其封裝為Mplayer可調用的解碼器。完成解碼器的植入，必須對Mplayer的工作原理和源碼組織有著(zhù)深入理解。向Mplayer植入編碼器的關(guān)鍵步驟如下：

3.2.1 添加程序文件

　　首先，將實(shí)現的硬件解碼器保存為.C文件，添加至libmpcodec 目錄下。在這個(gè)源文件中需要實(shí)現兩個(gè)關(guān)鍵的結構體： vd_info_t和vd_functions_t。vd_info_t定義了解碼器的相關(guān)信息，包含五個(gè)字符串參數，都必須填寫(xiě)。其中的第二個(gè)參數short name為定義的編碼器名，需要和配置文件codec_conf中的driver保持一致。 vd_functions_t定義了與解碼有關(guān)的函數，通過(guò)info 的定義以及 LIBVD_EXTERN 的調用使解碼器的vd_functions_t結構體在Mplaer全局生效。通過(guò)上述過(guò)程，從而完成 S5pv210硬解碼實(shí)現和 Mplayer 調用接口之間的銜接定義。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第35頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。