多路嵌入式H.264視頻服務(wù)器的設計詳解

　　1 引　言

　　隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )和視頻壓縮技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體技術(shù)的研究和應用受到了越來(lái)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的用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的視頻監控服務(wù)，避免了鋪設專(zhuān)門(mén)線(xiàn)路進(jìn)行視頻信號傳輸的昂貴費用。

　　嵌入式視頻服務(wù)器是一種能提供視頻采集，視頻數據壓縮，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、數據量大等特點(diǎn)，它需要滿(mǎn)足以下三點(diǎn)要求：一：高帶寬，高帶寬保證大數據量的多媒體數據傳輸效率；二：支持QoS，保證傳輸的質(zhì)量、資源預留；三：支持多種傳輸方式。由于嵌入式環(huán)境資源的限制，在視頻數據的實(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據的傳輸上，因此縮短視頻數據的傳輸時(shí)間就能提高視頻服務(wù)器的性能?？s減視頻數據的傳輸時(shí)間可以從兩個(gè)方面入手：一：減少視頻數據傳輸的信息量。主要通過(guò)采用高性能的壓縮編碼技術(shù)來(lái)減少傳輸的信息量。二：采用適合多媒體數據的傳輸協(xié)議?？紤]到嵌入式的系統資源及其寶貴，故我們選用了目前編碼效率最高的H.264[3]技術(shù)和專(zhuān)門(mén)為傳輸多媒體數據的RTP[4]傳輸協(xié)議設計了本文這套系統。實(shí)驗結果表明，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 系統的硬件組成

　　我們在設計中采用了HHARM2410嵌入式開(kāi)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(xiàn)速度），64M SDRAM以及16M 的FLASH。底板上提供以下外設接口：一個(gè)四線(xiàn)RS-232 串口，一個(gè)USB HOST接口，一個(gè)10M/100M自適應以太網(wǎng)接口，一個(gè)TFT LCD接口, 一個(gè)觸摸屏接口。操作系統采用裁減過(guò)的嵌入式Linux。該嵌入式視頻服務(wù)器的結構框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式視頻服務(wù)器硬件組成

　　應用程序通過(guò)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(guò)以太網(wǎng)接口 實(shí)現實(shí)時(shí)流傳輸( IP Streaming) 。另外還可以擴充一塊802. 11b /g無(wú)線(xiàn)模塊,來(lái)達到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸的目的,并可通過(guò)IDE接口擴充一塊IDE硬盤(pán)作為本地H.264視頻圖像存儲之用。

　　3 服務(wù)器軟件設計

　　服務(wù)器是整個(gè)系統的核心，它工作在嵌入式Linux平臺上，嵌入式Linux是標準Linux經(jīng)裁減得到的，同Linux一樣，具有穩定，安全，高效率，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。服務(wù)器端采用模塊化設計，從功能角度，服務(wù)器端的軟件體系結構可劃分為5個(gè)模塊：采集模塊，編碼模塊，網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊，存儲模塊，設備控制模塊。其體系結構如圖2所示：

圖2 服務(wù)器軟件體系結構圖

　?。?）采集模塊，主要完成視頻的采集，圖像格式的轉換，在此處設定采集的圖像格式為YUV。采用Linux的v4l[5]來(lái)實(shí)現，v4l是Linux中提供的一個(gè)音視頻接口規范，所有的音視頻設備的驅動(dòng)編寫(xiě)要用到這些接口。

　?。?）編碼模塊，主要完成對采集的圖像的壓縮編碼。對采集到的圖像數據進(jìn)行壓縮可以有兩種方案，一種是用硬件來(lái)壓縮，它可以有專(zhuān)用系統和通用系統兩種形式，其中，專(zhuān)用系統使用專(zhuān)用芯片實(shí)現圖像的硬件壓縮,通用系統則利用通用芯片實(shí)現數據壓縮。相對于通用系統,用專(zhuān)用芯片對圖像用硬件進(jìn)行壓縮可以快速進(jìn)行圖象壓縮,減少處理器的開(kāi)銷(xiāo)等點(diǎn)。第二種壓縮方法就是用軟件來(lái)實(shí)現，這種方法對機器的硬件配置要求較高，但運用起來(lái)靈活，考慮到現在硬件技術(shù)已經(jīng)比較成熟，故我們采用第二種方案，對采集到的圖像數據進(jìn)行軟壓縮，此處利用H.264標準進(jìn)行壓縮。H.264壓縮標準是一種新的編碼方法。與其他壓縮編碼方式比較，利用H.264標準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(kāi)源的，可以從網(wǎng)上下載，此處用的是t264，對采集到的YUV格式的數據進(jìn)行逐幀壓縮。

　?。?）網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊，完成現場(chǎng)多媒體數據及歷史多媒體數據的網(wǎng)絡(luò )的傳輸，用于支持瀏覽端的現場(chǎng)預覽和記錄回放功能。其基本過(guò)程是碼流經(jīng)碼率控制部分進(jìn)行碼率調整，然后由RTP組件傳送到網(wǎng)絡(luò )中。傳輸啟動(dòng)之初，組播控制器根據多用戶(hù)代理提供瀏覽端的組播策略來(lái)協(xié)商組播策略；傳輸過(guò)程中，RTCP組件實(shí)時(shí)監測網(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合器組件，完成碼流的動(dòng)態(tài)整合。其傳輸體系結構如圖3所示：

圖3視頻流傳輸體系結構

　?。?）存儲模塊，多個(gè)攝像頭采集的多路視頻數據經(jīng)編碼壓縮后形成復合媒體流，通過(guò)存儲組件，存為H.264文件，同時(shí)向數據庫中寫(xiě)相應的文件信息。

　?。?）設備控制模塊，設備控制器接收用戶(hù)界面發(fā)出的或網(wǎng)絡(luò )傳送來(lái)的控制命令，控制解碼器，完成對云臺、鏡頭等設備的控制。