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1 引言 基于IP網(wǎng)絡(luò)的嵌入式視頻服務(wù)器以體積小、功耗低、便攜、安裝方便等優(yōu)點，成為前端視頻采集設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)。 本文介紹了自主開發(fā)的嵌入式視頻服務(wù)器方案。該方案采用嵌入式處理器Hi3510和操作系統(tǒng)μC1inux，通過自行開發(fā)的視頻服務(wù)器軟件，使客戶端完成與視頻服務(wù)器的通信和對云臺、攝像頭等設(shè)備的控制。論文介紹了服務(wù)器端軟件的總體結(jié)構(gòu)以及視頻存儲(多磁盤調(diào)度算法)、RTP傳輸模塊的實現(xiàn)和發(fā)送緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進行了實驗測試。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)采用H.264編碼技術(shù)在保證視頻傳輸質(zhì)量的同時具有良好的帶寬適應(yīng)能力。 2 H.264視頻編碼技術(shù) H.264是ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC活動圖像編碼專家組(MPEG)的聯(lián)合視頻組(JVT)開發(fā)的一個新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。 在技術(shù)上，H.264標(biāo)準(zhǔn)有很多優(yōu)勢，如統(tǒng)一的VLC符號編碼。高精度、多模式的位移估計，基于4*4塊的整數(shù)變換、分層的編碼語法等。這些措施使得H.264算法具有很高的編碼效率，在相同的重建圖像質(zhì)量下，能夠比H.263降低50％左有的碼率。H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強，增加了差錯恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)。 H.264能以較低的數(shù)據(jù)速率傳送基于IP的視頻流，在視頻質(zhì)量、壓縮效率和數(shù)據(jù)包恢復(fù)丟失等方面，超越了現(xiàn)有的MPEG-2、MPEG--4和H.26x視頻通訊標(biāo)準(zhǔn)，更適合窄帶傳輸，是目前監(jiān)控系統(tǒng)最為理想的信源壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。 3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 如圖1所示，攝像頭將采集到的視頻傳送到視頻服務(wù)器，視頻服務(wù)器對視頻進行格式轉(zhuǎn)換與編碼后，通過Internet傳送到客戶端。通過客戶端軟件可以調(diào)整云臺的轉(zhuǎn)動和攝像頭的焦距、光圈等。 
圖1視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成 圖1中的視頻服務(wù)器主要由4個模塊構(gòu)成：視頻采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換、H.264編碼、視頻存儲、RTP傳輸。從攝像頭采集到的多路視頻信號是模擬信號，視頻服務(wù)器需要將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并將多路信號合成一路。H.264編碼模塊負責(zé)對輸入的圖像進行壓縮編碼。視頻存儲模塊負責(zé)將視頻流存儲在外接硬盤上，傳輸模塊基于RTP協(xié)議，負責(zé)將H.264視頻流傳送到遠程視頻終端。 服務(wù)器支持PC客戶端和手機客戶端同時瀏覽，大大增強了監(jiān)控的移動性。服務(wù)器可外掛多個硬盤，具備硬盤錄像機的功能。安全性方面——支持異常檢測功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異物闖入時，自動報警并將發(fā)牛異常的場景網(wǎng)像以彩信的方式發(fā)至手機。 4 各模塊設(shè)計與實現(xiàn) 4．1視頻存儲多磁盤調(diào)度算法 為了增強視頻服務(wù)器的性能．增加了視頻存儲模塊，使之同時具有硬盤錄像機的功能。設(shè)計方面，通過在服務(wù)器上外掛多個硬盤來解決磁盤空間需求量大的問題。但這也帶來了另外一個問題：在多個硬盤的情況下如何進行有效的存儲調(diào)度，使得監(jiān)控系統(tǒng)的多路同時存儲，保證有很高的效率。 本文參考文獻4的算法思想來解決多磁盤的有效存儲調(diào)度，即通過計算各磁盤剩余空間百分比和訪問線程數(shù)來確定新的存儲線程應(yīng)該訪問的磁盤。算法描述如下： 1．計算各磁盤剩余空間大小。 2．計算各磁盤剩余空間的百分比：剩余空間，剩余總空間。 3．計算各磁盤訪問的最大線程數(shù)：最大線程數(shù)等于各磁盤剩余空間的百分比乘以系統(tǒng)總的存儲路數(shù)。并計算出1/2最大訪問線程數(shù)。 4．如果剩余空間百分比最大且未達到1/2最大訪問線程數(shù)，選擇此磁盤進行存儲．同時當(dāng)前訪問線程數(shù)加1；如果達到或超過l/2最大訪問線程數(shù)，則選擇其它剩余空間百分比中最大且未達到1/2最大訪問線程數(shù)的磁盤。 5．如果所有硬盤的訪問線程數(shù)均達到1/2最大訪問線程數(shù)，則選擇剩余空間百分比最大且未達到最大訪問線程數(shù)的磁盤進行存儲。 6．如果每個硬盤都達到了最大訪問線程數(shù)．則無可用磁盤。 該算法利用各磁盤剩余空間百分比和當(dāng)前訪問線程數(shù)來確定存儲的硬盤，避免了小空間硬盤不久就被用完，而最終所有視頻都存儲一個硬盤的情況。 4．2 RTP傳輸 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵是將視頻流通過Internet傳輸?shù)竭h程客戶端進行實時瀏覽，所以服務(wù)器端軟件傳輸部分的設(shè)計至關(guān)重要。由于TCP協(xié)議“三次握手”和數(shù)據(jù)重傳機制導(dǎo)致的延遲使其不適用于實時監(jiān)控系統(tǒng)的視頻傳輸。本文采用目前流媒體廣泛采用的RTP傳輸協(xié)議，通過和UDP共同完成傳輸層協(xié)議功能。 RTP本身并不能為按順序傳送的數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務(wù)。在RTP會話之問周期地發(fā)送一些RTCP包，RTCP包中含有丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、傳輸延遲等統(tǒng)計資料。因此，服務(wù)器可以利用這些信息動態(tài)地改變編碼碼率。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適用于實時監(jiān)控系統(tǒng)。
圖2 反饋控制原理圖 如圖2所示，丟包率統(tǒng)計模塊生成接收報文并定期通過RTCP將報文發(fā)回服務(wù)器的反饋控制模塊，報文中含有丟包率和傳輸延遲等數(shù)據(jù)。反饋控制模塊根據(jù)報文評估當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況，通知編碼器對碼率做出適當(dāng)調(diào)整。 丟包率的計算： I．丟包大小的計算 計算在第n個周期丟包的大�。篖(n)=S(n)一R(n)； L(n)是第n個周期丟包的大小，S(n)是第n個周期服務(wù)器發(fā)送的包大小(包大小依據(jù)RTP包的序號獲得)，R(n)是第n個周期客戶端收到的包大小。 II．丟包率P(n)=L(n)/S(n) 服務(wù)器端反饋控制模塊根據(jù)丟包率判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況．但為了避免頻繁地調(diào)整碼率不能只參考一個P(n)值。這里采用一種線性的數(shù)學(xué)方法來計算丟包率：計算5個P(n)值的平均值A(chǔ)(n)。 A(n)=(P(n)+P(n-1)+P(n-2)+P(n-3)+P(n-4))/5，n)=5 將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分為三種情況：無負載(unloaded)，負載(1oaded)，擁塞(congested)。如果A(n)小于數(shù)值a網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為unloaded，介于a和b(包括a)之間為loaded，否則為congested。數(shù)值a和b的大小可以參考其它一些文獻。 4．3 發(fā)送緩沖區(qū)的設(shè)計 服務(wù)器將采集到的視頻數(shù)據(jù)編碼后放入緩沖區(qū)隊列，并發(fā)送給客戶端；客戶端接收視頻數(shù)據(jù)到接收緩沖區(qū)隊列，立即回放(如圖3)。
圖3視頻傳輸及緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)圖 在服務(wù)器端，首先使用SDK提供的GetStream函數(shù)獲得編碼碼流，在此，我們定義了視頻編碼碼流緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄視頻編碼碼流數(shù)據(jù)。 struct VENC_STREAM_S{ usigned int DataNum; /* 產(chǎn)一幀碼流的所有片的個數(shù) */ usigned int DataLen; /* 產(chǎn)一幀碼流的所有片長度總和 */ VENC_DATA_S struData [VENC_MAX_NALU_NUM_IN_FRAME]; /* 獲取碼流結(jié)構(gòu)*/ VENC_STREAM_INFO_S struDataInfo; /* 嚴(yán)碼流信息 */ }； 5 系統(tǒng)測試及實驗結(jié)果分析 服務(wù)器對CIF和QCIF格式的視頻實現(xiàn)了實時傳輸，且很好地保證了視頻的質(zhì)量。實驗主要測試了在不同碼率、GOP的條件下，視頻傳輸幀率和Y分量的PSNR值。實驗結(jié)果如表1所示。 表1不同碼率、GOP下的PSNR-Y的比較
從實驗結(jié)果可以看出，相同格式的視頻，在碼率相同的情況下，GOP小的視頻質(zhì)量較好，這說明插入1幀可以有效地改善視頻的質(zhì)量；而碼率的降低對視頻的傳輸和質(zhì)量影響較大，產(chǎn)生了一定延遲。 6 結(jié)論 本文介紹了視頻服務(wù)器存儲（多磁盤調(diào)度算法）、RTP傳輸模塊的實現(xiàn)和發(fā)送緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，給出了軟件設(shè)計的基本思想。實驗表明，應(yīng)用本文所設(shè)計的視頻服務(wù)器軟件，成功實現(xiàn)了視頻的實時傳輸，在保證視頻質(zhì)量的同時具有良好的帶寬適應(yīng)能力。 本文作者創(chuàng)新點：開發(fā)完成了嵌入式視頻服務(wù)器軟件的設(shè)計，加入了網(wǎng)絡(luò)傳輸反饋機制，增強了視頻服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)帶寬的自適應(yīng)性，保證了視頻的傳輸質(zhì)量。 作者：李曉丹，周兵 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第3-2期 |
