摘 要： 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式Linux和TSM320DM365處理器平臺(tái)的實(shí)時(shí)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(kuò)展性以及實(shí)用性上設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案；最后對(duì)該嵌入式終端進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證其實(shí)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(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們的安防意識(shí)日益提高，通過實(shí)時(shí)視頻傳輸系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的應(yīng)用越來越廣泛?；贏RM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)因其體積小、功能強(qiáng)、功耗低、性價(jià)比高等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在交通道路、學(xué)校、小區(qū)、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所。因此，對(duì)基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)終端的研究具有很重要的社會(huì)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[1]。本文根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于DM365的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端，它是網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)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(shè)計(jì)與主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹
整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)[2]由三部分組成：嵌入式終端、服務(wù)器平臺(tái)和客戶端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。
嵌入式終端負(fù)責(zé)采集音視頻數(shù)據(jù)，對(duì)音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)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(wù)器。服務(wù)器平臺(tái)由流媒體服務(wù)器、SIP信令服務(wù)器和FTP服務(wù)器三部分組成。流媒體服務(wù)器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)音視頻流，SIP信令服務(wù)器負(fù)責(zé)終端與平臺(tái)、終端與客戶端之間的信息交互，F(xiàn)TP服務(wù)器負(fù)責(zé)圖像文件信息的存儲(chǔ)備份?？蛻舳酥饕獙?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和終端控制功能，通過客戶端可對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的視頻碼率幀率控制。整個(gè)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(yīng)用在視頻監(jiān)控領(lǐng)域中。
2 嵌入式終端軟件框架設(shè)計(jì)
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(shí)時(shí)、穩(wěn)定、內(nèi)核可裁剪等特點(diǎn)[3]。同時(shí)利用Linux系統(tǒng)提供的進(jìn)程間通信機(jī)制可方便地實(shí)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(tái)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(fù)責(zé)與服務(wù)器平臺(tái)的信令交互。信令模塊將應(yīng)用管理模塊的信息進(jìn)行SIP信令封裝并發(fā)送至SIP服務(wù)器；同時(shí)解析接收的SIP信令，將控制信息通過本地socket發(fā)送至應(yīng)用管理模塊進(jìn)行調(diào)度。
應(yīng)用管理模塊負(fù)責(zé)調(diào)度各個(gè)功能模塊。管理模塊收集各個(gè)功能模塊的交互信息，將交互信息進(jìn)行封裝，發(fā)送至SIP信令控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器平臺(tái)的信令交互；與此同時(shí)，管理模塊還將接收到的控制信息進(jìn)行解析，根據(jù)控制信息調(diào)度相應(yīng)的功能模塊。在各功能模塊中，RTP模塊為主要模塊，負(fù)責(zé)音視頻數(shù)據(jù)的RTP封包、發(fā)送。
音視頻采集模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)的音視頻數(shù)據(jù)采集。該模塊采集音視頻數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行編碼，通過Linux共享內(nèi)存機(jī)制實(shí)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(dú)實(shí)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(shí)各個(gè)模塊均由應(yīng)用管理模塊進(jìn)行調(diào)度統(tǒng)籌，便于管理。
3 音視頻功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
嵌入式設(shè)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(qǐng)求應(yīng)當(dāng)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(jìn)程間通信機(jī)制實(shí)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(qǐng)求后音視頻相關(guān)模塊的處理流程。客戶端發(fā)起視頻請(qǐng)求后，SIP信令模塊將接收到服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的視頻請(qǐng)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(dá)應(yīng)用管理模塊；管理模塊解析音視頻請(qǐng)求控制消息，通知RTP模塊；RTP模塊開啟兩個(gè)線程用于處理音視頻數(shù)據(jù)，發(fā)送線程負(fù)責(zé)從共享內(nèi)存讀取音視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行RTP打包發(fā)送，接收線程接收流媒體服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的語音數(shù)據(jù)包并進(jìn)行解碼播放。
本文選用TI公司采用達(dá)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(yīng)用程序開發(fā)，TI針對(duì)達(dá)芬奇平臺(tái)提供了達(dá)芬奇多媒體應(yīng)用程序接口（Davinci Multimedia Application Interface，DMAI），DMAI封裝了底層的驅(qū)動(dòng)，并且提供了易于程序開發(fā)的編程接口[4]。這使得應(yīng)用程序不再關(guān)心底層硬件對(duì)于某個(gè)操作的具體實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)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(shí)現(xiàn)的。
3.1 視頻采集編碼模塊實(shí)現(xiàn)
嵌入式終端接收到視頻請(qǐng)求信令之后，視頻采集編碼模塊進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的采集，將采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)制[5]，主線程負(fù)責(zé)整個(gè)流程控制，視頻采集編碼的具體實(shí)現(xiàn)在Capture線程、Video線程和Write線程中完成，三個(gè)線程通過管道進(jìn)行線程間通信。
Capture線程負(fù)責(zé)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(gè)視頻采集設(shè)備實(shí)例
Capture_get（hCapture，&hCapBuf）
//從視頻采集設(shè)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(fù)責(zé)對(duì)采集的原始視頻數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(fù)責(zé)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(shí)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(shí)現(xiàn)雙向語音功能。在接收到視頻請(qǐng)求信令之后，音頻處理模塊創(chuàng)建兩個(gè)線程用于處理語音數(shù)據(jù)，Speech線程負(fù)責(zé)語音數(shù)據(jù)的采集、G711編碼，SpeechDec線程負(fù)責(zé)對(duì)G711數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、播放。兩功能模塊獨(dú)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(gè)音頻捕捉設(shè)備實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)過程與Speech線程類似，這里不再贅述。
3.3 RTP模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
RTP模塊實(shí)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(jìn)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(luò)傳輸導(dǎo)致數(shù)據(jù)包到達(dá)的順序具有不確定性，因此需要對(duì)語音數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存排序。首先將G711語音數(shù)據(jù)包放入緩沖隊(duì)列中，通過RTP包的序號(hào)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。然后取緩沖隊(duì)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(shè)置尤為重要，緩沖隊(duì)列設(shè)置過小會(huì)導(dǎo)致語音包亂序，語音質(zhì)量較差；緩沖隊(duì)列設(shè)置過大，語音延時(shí)較大，用戶體驗(yàn)差。需要根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀況和用戶需求設(shè)置緩沖隊(duì)列大小。
4 視頻監(jiān)控測(cè)試
嵌入式設(shè)備、PC客戶端通過3G/WLAN網(wǎng)向服務(wù)器平臺(tái)注冊(cè)登錄，進(jìn)行視頻監(jiān)控功能測(cè)試?？蛻舳税l(fā)起視頻請(qǐng)求并成功之后，可以觀看終端設(shè)備采集的視頻，并在開啟音頻請(qǐng)求之后實(shí)現(xiàn)與采集設(shè)備終端的雙向語音通信。測(cè)試結(jié)果表明，視頻畫面清晰流暢，可進(jìn)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，并且通過實(shí)際的傳輸測(cè)試實(shí)現(xiàn)了音視頻數(shù)據(jù)的流暢傳輸和播放。整個(gè)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(diǎn)，適用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景。
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