基于Web的區域聯(lián)網(wǎng)視頻監控系統設計與實(shí)現
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3 ESMS流媒體服務(wù)器的設計
對于路段的模擬視頻監控系統, 嵌入式流媒體服務(wù)器ESMS是模擬路段監控系統實(shí)現區域聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。流媒體服務(wù)器需要完成模擬視頻的編碼傳輸和聯(lián)網(wǎng)控制功能。其硬件設計采用了Atmel公司的ARM920T內核的嵌入式處理器AT91RM9200 和WIS公司的G07007實(shí)時(shí)MPEG/MJPEG硬件編碼器的方案。ESMS 的硬件系統結構如圖2 所示。
圖2 ESMS 硬件系統結構圖
攝像機的模擬視頻信號經(jīng)視頻A/D 轉芯片SAA7113進(jìn)行視頻采樣量化, 與此同時(shí), 音頻A/D/A編解碼芯片UDA1344將輸入的模擬聲音信號采用量化一起送入音視頻編碼芯片G07007進(jìn)行MPEG-4 格式的圖像壓縮。實(shí)時(shí)產(chǎn)生D1分辨率的PAL制每秒25幀的MPEG-4視頻流, G07007通過(guò)16位的HPI接口與AT91RM9200 交互。AT91RM9200將采集的視頻數據流, 按RTP/UDP/IP協(xié)議打包，通過(guò)以太網(wǎng)接口實(shí)現視頻流的實(shí)時(shí)傳輸。
網(wǎng)絡(luò )處理器自帶兩個(gè)RS-232 串口。一個(gè)主要功能是根據用戶(hù)需要設置IP編碼器的各種工作參數, 例如網(wǎng)絡(luò )的IP地址, 碼的幀率、編碼效率、圖像質(zhì)量等。另一個(gè)串口用來(lái)擴展RS-422/485 等多種接口, 進(jìn)而實(shí)現遠程控制目的, 例如攝像機的鏡頭焦距控制、光圈控制、云臺控制、報警輸入/輸出等。ESMS采用遵循GPL協(xié)議的嵌入式Linux 操作系統。Linux 操作系統具有任務(wù)調度、存儲管理、消息隊列、中斷處理等功能; 這里進(jìn)行了裁減, 保留了進(jìn)程管理、視頻設備驅動(dòng)、TCP/IP 協(xié)議棧以及TTY 字符設備驅動(dòng)等模塊, ESMS軟件系統結構如圖3所示。硬件驅動(dòng)程序位于嵌入式Linux 操作系統之中, 是上層應用軟件和下層嵌入式硬件之間的唯一橋梁。G07007的驅動(dòng)程序按照Video for Linux (V 4L )視頻驅動(dòng)標準規范實(shí)現, 用于驅動(dòng)視頻采集/壓縮硬件。該驅動(dòng)提供了一組API函數, 使得A T91RM 9200 服務(wù)能夠以比較一般的方式獲取壓縮視頻數據, 設置硬件參數。當G07007 的FIFO 緩存達到門(mén)限值時(shí), 會(huì )產(chǎn)生G07007 硬件中斷。G07007的V4L驅動(dòng)會(huì )響應該中斷請求并維護視頻緩存, 同時(shí)發(fā)消息給網(wǎng)絡(luò )處理芯片服務(wù)進(jìn)程, 通知其打包視頻數據并傳輸出去。
圖3 ESMS軟件系統結構圖
4 視頻流帶寬的自適應處理
區域聯(lián)網(wǎng)視頻監控中, 各路段接入骨干網(wǎng)的方式不一, 網(wǎng)絡(luò )結構復雜, 網(wǎng)絡(luò )的擁塞、延遲、丟幀等勢必會(huì )影響圖像的質(zhì)量。而監控視頻流往往具有嚴格的時(shí)延和抖動(dòng)要求。重傳機制不利于視頻傳輸的實(shí)時(shí)性, 因此, 系統應能及時(shí)的評估網(wǎng)絡(luò )的狀況, 結合MPEG-4 視頻編碼的容錯特性, 通過(guò)增加或減少傳輸碼率來(lái)保證數據的實(shí)時(shí)傳送, 實(shí)現跨地域的帶寬自適應的視頻網(wǎng)絡(luò )傳輸。
監控視頻流首先以RTP協(xié)議進(jìn)行封裝, 再用UDP協(xié)議對RTP數據包進(jìn)行封裝, 最后由IP網(wǎng)絡(luò )層封裝為IP數據包, 經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸。RTP本身也不提供可靠的傳送機制以及流量控制或擁塞控制, 它依靠RTCP提供這些服務(wù)。在RTP會(huì )話(huà)期間, 各接收端周期性地傳送RTCP。RTCP中含有已發(fā)送的數據包的數量、丟失的數據包的數量等統計資料?；赗TCP 的反饋機制, 發(fā)送端可以評估網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)和接收端情況, 及時(shí)調整傳送方式, 盡可能地解決網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)數據傳輸中出現的不可預測的延遲、抖動(dòng)等問(wèn)題?；诎l(fā)送端的碼率控制主要有改變編碼器的量化參數、丟幀和幀率控制三種方法。增大量化參數, 則發(fā)送端的視頻流碼率下降, 反之亦然。丟幀處理利用視頻編碼的特點(diǎn), 例如在MPEG-4編碼幀分為: I 幀(幀內編碼)、P幀(前向預測編碼)和B幀(雙向時(shí)間預測) , I幀具有空間相關(guān)性, P 幀和B 幀同時(shí)具有空間和時(shí)間相關(guān)性。只有I幀和P幀可以作為參考幀, 因此在需要降低視頻數據發(fā)送碼率時(shí), 可以根據幀的重要程度, 先拋棄一定數目的B幀, 再拋棄P幀來(lái)降低視頻流碼率。結果是圖像分辨率降低, 但整體幀連續, 無(wú)停頓感。幀率控制方式則是通過(guò)拋棄某些視頻圖像幀, 改變圖像幀發(fā)送速率, 如將原先30 幀/秒降為15 幀/秒來(lái)降低視頻流碼率, 結果是監控圖像細節清晰, 但因圖像幀的缺少造成幀間抖動(dòng)和畫(huà)面停頓。在區域聯(lián)網(wǎng)視頻監控應用中, 需根據實(shí)際需要選用相應方法。碼率調整過(guò)程中采取加法提高、乘法降低策略, 即緩升快降方法。
5 結束語(yǔ)
該設計方案深入探討了基于B/S 模式的區域聯(lián)網(wǎng)視頻監控系統的架構和技術(shù)實(shí)現, 充分考慮了高速公路管理的體制和現狀, 以及網(wǎng)絡(luò )的安全性和異構性。其中Web方式操作簡(jiǎn)單、維護方便, 便于擴展; 基于帶寬自適應的流碼率控制在相當程度上改善了網(wǎng)絡(luò )擁塞、時(shí)延等對監控視頻流質(zhì)量的影響; 設計的基于ARM和專(zhuān)用視頻編碼芯片的嵌入式流媒體服務(wù)器, 具有很高的可靠性和性?xún)r(jià)比, 作為視頻監控的一個(gè)發(fā)展方向,具有廣闊的應用前景。
參考文獻:
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