摘 要： 設計并實現(xiàn)了基于嵌入式Linux和TSM320DM365處理器平臺的實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端。首先介紹了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架，從可擴展性以及實用性上設計了嵌入式終端軟件的總體框架；接著闡述了終端軟件上音視頻采集發(fā)送模塊的設計與實現(xiàn)方案；最后對該嵌入式終端進行測試，驗證其實際效果。
關(guān)鍵詞： 嵌入式；H.264；G711；DM365；RTP
0 引言
隨著嵌入式技術(shù)、圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們的安防意識日益提高，通過實時視頻傳輸系統(tǒng)對現(xiàn)場監(jiān)控的應用越來越廣泛。基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)因其體積小、功能強、功耗低、性價比高等特點，被廣泛地應用在交通道路、學校、小區(qū)、機場等場所。因此，對基于嵌入式的網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)終端的研究具有很重要的社會和實際應用價值[1]。本文根據(jù)實際需求，設計并實現(xiàn)了基于DM365的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端，它是網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的音視頻獲取源，集成了音視頻采集編碼、語音解碼播放、實時傳輸和信令控制等功能。本文主要闡述了終端系統(tǒng)軟件框架的設計與主要功能模塊的實現(xiàn)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹
整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)[2]由三部分組成：嵌入式終端、服務器平臺和客戶端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。
嵌入式終端負責采集音視頻數(shù)據(jù)，對音視頻數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，并將編碼壓縮數(shù)據(jù)通過3G/WLAN網(wǎng)發(fā)送至流媒體服務器。服務器平臺由流媒體服務器、SIP信令服務器和FTP服務器三部分組成。流媒體服務器負責轉(zhuǎn)發(fā)音視頻流，SIP信令服務器負責終端與平臺、終端與客戶端之間的信息交互，F(xiàn)TP服務器負責圖像文件信息的存儲備份?？蛻舳酥饕獙崿F(xiàn)實時監(jiān)控和終端控制功能，通過客戶端可對終端設備進行實時的視頻碼率幀率控制。整個系統(tǒng)為嵌入式視頻監(jiān)控提供了良好的解決方案，能夠廣泛地應用在視頻監(jiān)控領(lǐng)域中。
2 嵌入式終端軟件框架設計
嵌入式終端軟件開發(fā)基于MontaVista Linux嵌入式操作系統(tǒng)，它基于Linux內(nèi)核，具有高效、實時、穩(wěn)定、內(nèi)核可裁剪等特點[3]。同時利用Linux系統(tǒng)提供的進程間通信機制可方便地實現(xiàn)各功能模塊之間的數(shù)據(jù)通信。嵌入式終端軟件平臺包括視頻采集編碼模塊、音頻采集編碼解碼模塊、RTP模塊、信令控制模塊以及其他的功能模塊等。終端軟件總體框架如圖2所示。
SIP信令模塊負責與服務器平臺的信令交互。信令模塊將應用管理模塊的信息進行SIP信令封裝并發(fā)送至SIP服務器；同時解析接收的SIP信令，將控制信息通過本地socket發(fā)送至應用管理模塊進行調(diào)度。
應用管理模塊負責調(diào)度各個功能模塊。管理模塊收集各個功能模塊的交互信息，將交互信息進行封裝，發(fā)送至SIP信令控制模塊，從而實現(xiàn)與服務器平臺的信令交互；與此同時，管理模塊還將接收到的控制信息進行解析，根據(jù)控制信息調(diào)度相應的功能模塊。在各功能模塊中，RTP模塊為主要模塊，負責音視頻數(shù)據(jù)的RTP封包、發(fā)送。
音視頻采集模塊負責實時的音視頻數(shù)據(jù)采集。該模塊采集音視頻數(shù)據(jù)，并對其進行編碼，通過Linux共享內(nèi)存機制實現(xiàn)與RTP模塊的數(shù)據(jù)交互。
該軟件框架中各功能模塊單獨實現(xiàn)，互不影響，可根據(jù)具體需求方便地添加和刪除功能模塊，同時各個模塊均由應用管理模塊進行調(diào)度統(tǒng)籌，便于管理。
3 音視頻功能模塊的設計與實現(xiàn)
嵌入式設備作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的終端，需要完成語音與視頻的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，一次成功的視頻監(jiān)控請求應當包含控制信息接收解析、數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收等。嵌入式終端音視頻功能模塊主要包括音視頻采集編碼模塊、RTP模塊，模塊間通過Linux進程間通信機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)與控制信息的交互。
圖3所示為一次音視頻請求后音視頻相關(guān)模塊的處理流程?？蛻舳税l(fā)起視頻請求后，SIP信令模塊將接收到服務器轉(zhuǎn)發(fā)的視頻請求信令，SIP信令在經(jīng)過信令模塊的解析之后，其攜帶的控制消息將到達應用管理模塊；管理模塊解析音視頻請求控制消息，通知RTP模塊；RTP模塊開啟兩個線程用于處理音視頻數(shù)據(jù)，發(fā)送線程負責從共享內(nèi)存讀取音視頻數(shù)據(jù)并進行RTP打包發(fā)送，接收線程接收流媒體服務器轉(zhuǎn)發(fā)的語音數(shù)據(jù)包并進行解碼播放。
本文選用TI公司采用達芬奇技術(shù)的數(shù)字媒體處理器TMS320DM365作為主芯片。為了方便音視頻采集編碼的應用程序開發(fā)，TI針對達芬奇平臺提供了達芬奇多媒體應用程序接口（Davinci Multimedia Application Interface，DMAI），DMAI封裝了底層的驅(qū)動，并且提供了易于程序開發(fā)的編程接口[4]。這使得應用程序不再關(guān)心底層硬件對于某個操作的具體實現(xiàn)，大大簡化了應用程序的開發(fā)。本文音視頻采集編碼模塊的大部分就是調(diào)用DMAI接口實現(xiàn)的。
3.1 視頻采集編碼模塊實現(xiàn)
嵌入式終端接收到視頻請求信令之后，視頻采集編碼模塊進行視頻數(shù)據(jù)的采集，將采集的視頻數(shù)據(jù)進行H.264編碼，寫入共享內(nèi)存，供RTP模塊讀取。視頻采集模塊采用多線程工作機制[5]，主線程負責整個流程控制，視頻采集編碼的具體實現(xiàn)在Capture線程、Video線程和Write線程中完成，三個線程通過管道進行線程間通信。
Capture線程負責采集原始視頻數(shù)據(jù)，關(guān)鍵代碼如下：
hCapture=Capture_create（hBufTab，&cAttrs）
//創(chuàng)建一個視頻采集設備實例
Capture_get（hCapture，&hCapBuf）
//從視頻采集設備獲取采集到的一幀原始數(shù)據(jù)
Fifo_put（envp->hOutFifo，hBuf）//將存有原始數(shù)據(jù)的
//緩沖指針寫入hOutFifo管道中，供video線程讀取
Fifo_get（envp->hInFifo，&hDstBuf）
//從hInFifo管道讀取由Video線程寫回的緩存指針
Capture（hCapture，hCapBuf）//告知hCapture，Capture
//線程已經(jīng)完成一次操作，等待hCapture句柄再次捕獲
//一幀原始數(shù)據(jù)
Video線程負責對采集的原始視頻數(shù)據(jù)進行H.264編碼，關(guān)鍵代碼如下：
hVe1=Venc1_create（hEngine，envp->videoEncoder，params，dynParams）//創(chuàng)建H.264視頻編碼器
Fifo_get（envp->hCaptureOutFifo，&hCapBuf）
//從管道讀取存有原始數(shù)據(jù)的緩沖指針
Fifo_get（envp->hWriterOutFifo，&hDstBuf）
//從管道讀取Write線程寫入的緩沖指針
Venc1_process（hVe1，hCapture，hDstBuf）
//將一幀原始視頻數(shù)據(jù)進行H.264編碼
Fifo_put（envp->hWriterInFifo，hDstBuf）
//將編碼數(shù)據(jù)緩沖指針寫入管道，供write線程讀取
Fifo_put（envp->hCaptureInFifo，hCapBuf）
//將緩沖指針寫回管道，供capture線程使用
Write線程負責將編碼的視頻數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存，由RTP模塊讀取打包發(fā)送。關(guān)鍵代碼如下：
shm_pn=createShm（SHM_DIR，SHARE_SIZE）
//創(chuàng)建共享內(nèi)存
Fifo_get（envp->hInFifo，&hOutBuf）
//從管道讀取一幀編碼的視頻數(shù)據(jù)
wirteShm（shm_pn，Buffer_getUserPtr（hOutBuf），Buffer_getNumBytesUsed（hOutBuf））//將編碼數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存
Fifo_put（envp->hOutBuf，hOutBuf）//將緩沖指針寫回管道
3.2 音頻采集解碼編碼模塊實現(xiàn)
音頻處理模塊由采集編碼和解碼播放兩部分組成，通過與上層RTP模塊的交互實現(xiàn)雙向語音功能。在接收到視頻請求信令之后，音頻處理模塊創(chuàng)建兩個線程用于處理語音數(shù)據(jù)，Speech線程負責語音數(shù)據(jù)的采集、G711編碼，SpeechDec線程負責對G711數(shù)據(jù)進行解碼、播放。兩功能模塊獨立工作，互不影響。
Speech線程主要代碼如下：
Shm_audio=createShm（AUDIO_SHM_DIR，AUDIO_SHARE _SIZE）//創(chuàng)建共享內(nèi)存
hSe1=Senc1_create（hEngine，envp->speechEncoder，params，dynParams）//創(chuàng)建g711編碼器
hSound=Sound_create（&sAttrs）
//創(chuàng)建一個音頻捕捉設備實例
Sound_read（hSound，hInbuf）//讀取音頻數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)
Senc1_process（hInbuf，hOutBuf）
//將PCM音頻數(shù)據(jù)進行G711編碼
writeShm（shm_audio，Buffer_getUserPtr（hOutBuf），Buffer_
getNumBytesUsed（hOutBuf）//將音頻數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存
SpeechDec線程實現(xiàn)過程與Speech線程類似，這里不再贅述。
3.3 RTP模塊設計與實現(xiàn)
RTP模塊實現(xiàn)RTP數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收功能，通過與信令控制模塊的信息交互來完成發(fā)送、接收線程的創(chuàng)建與結(jié)束。發(fā)送線程從共享內(nèi)存讀取H.264數(shù)據(jù)和G711數(shù)據(jù)，并將編碼音視頻數(shù)據(jù)進行RTP打包發(fā)送。
音頻接收線程在接收到RTP數(shù)據(jù)后，由于網(wǎng)絡傳輸導致數(shù)據(jù)包到達的順序具有不確定性，因此需要對語音數(shù)據(jù)進行緩存排序。首先將G711語音數(shù)據(jù)包放入緩沖隊列中，通過RTP包的序號進行優(yōu)先級排序。然后取緩沖隊列音頻數(shù)據(jù)，寫入共享內(nèi)存，供音頻解碼播放模塊讀取播放。合適的緩沖區(qū)大小設置尤為重要，緩沖隊列設置過小會導致語音包亂序，語音質(zhì)量較差；緩沖隊列設置過大，語音延時較大，用戶體驗差。需要根據(jù)實際網(wǎng)絡狀況和用戶需求設置緩沖隊列大小。
4 視頻監(jiān)控測試
嵌入式設備、PC客戶端通過3G/WLAN網(wǎng)向服務器平臺注冊登錄，進行視頻監(jiān)控功能測試?？蛻舳税l(fā)起視頻請求并成功之后，可以觀看終端設備采集的視頻，并在開啟音頻請求之后實現(xiàn)與采集設備終端的雙向語音通信。測試結(jié)果表明，視頻畫面清晰流暢，可進行雙向語音通信，語音質(zhì)量較好。視頻監(jiān)控效果如圖4所示。
5 結(jié)論
本文介紹了一種嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端軟件的設計與實現(xiàn)方案，并且通過實際的傳輸測試實現(xiàn)了音視頻數(shù)據(jù)的流暢傳輸和播放。整個終端系統(tǒng)具有通用、安裝方便、穩(wěn)定、可靠和成本低等優(yōu)點，適用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域，具有很好的應用前景。
參考文獻
[1] 張云．視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J]．中國科技博覽，2011（11）：32-35.
[2] 劉繼超.基于DM355的嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].青島：青島科技大學，2009.
[3] 宋經(jīng)瑋.嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控設備的驅(qū)動設計與開發(fā)[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2013.
[4] 宋建勛，劉峰.基于TMS320DM365多平臺實時視頻傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2011，35（7）：32-35，40.
[5] 馮國進.嵌入式Linux驅(qū)動程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2008.