摘 要： 介紹了一種采用Browser/Server結(jié)構(gòu)、在視頻服務(wù)器上內(nèi)置一個嵌入式Web服務(wù)器、基于嵌入式Linux視頻的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)" title="網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)">網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。重點闡述了其服務(wù)器端的設(shè)計。
關(guān)鍵詞： 嵌入式Linux Web服務(wù)器 MPEG-4 網(wǎng)絡(luò)通信
?
隨著計算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，公安、安防行業(yè)的發(fā)展趨勢必然是全面數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。傳統(tǒng)的模擬閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)有很多局限性：傳輸距離有限、無法聯(lián)網(wǎng)，而且模擬視頻信號數(shù)據(jù)的存儲會耗費大量的存儲介質(zhì)(如錄像帶)，查詢?nèi)∽C時十分煩瑣?；趥€人計算機(jī)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端功能較強，但穩(wěn)定性不好，視頻前端 ( 如電壓耦合元件等視頻信號的采集、壓縮、通訊) 較為復(fù)雜，可靠性不高?；谇度胧絃inux視頻的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)不需要用于處理模擬視頻信號的個人計算機(jī)，而是把視頻服務(wù)器內(nèi)置一個嵌入式Web服務(wù)器，采用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。由于把視頻壓縮和Web功能集中到一個體積很小的設(shè)備內(nèi)，可以直接連入局域網(wǎng)，即插即看，省掉復(fù)雜的電纜，安裝方便(僅需設(shè)置一個IP地址)，用戶也無需安裝任何硬件設(shè)備，僅用瀏覽器即可觀看。
基于嵌入式Linux的視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)將嵌入式Linux系統(tǒng)連接上Web，即視頻服務(wù)器內(nèi)置一個嵌入式Web服務(wù)器, 攝像機(jī)傳送來的視頻信號數(shù)字化后由高效壓縮芯片壓縮, 通過內(nèi)部總線傳送到內(nèi)置的Web 服務(wù)器上。
1 系統(tǒng)總體框架
嵌入式Linux視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是電工電子裝置、計算機(jī)軟硬件以及網(wǎng)絡(luò)、通信等多方面的有機(jī)組合體，它以智能化、網(wǎng)絡(luò)化、交互性為特征，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。如果利用OSI七層模型的內(nèi)容和形式，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集控制模塊" title="控制模塊">控制模塊硬件和應(yīng)用軟件以及應(yīng)用環(huán)境等有機(jī)組合，可以形成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)總體框架，其系統(tǒng)總體框架示意圖如圖1所示。
攝像機(jī)傳送來的視頻信號數(shù)字化后，經(jīng)過壓縮，通過RS-232/RS485將數(shù)據(jù)送到內(nèi)置的Web服務(wù)器，嵌入式Linux系統(tǒng)的10/100M以太網(wǎng)口實現(xiàn)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場信號送到客戶端" title="客戶端">客戶端。整個系統(tǒng)的核心是嵌入式Linux系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)啟動后，嵌入式Linux系統(tǒng)啟動Web Server服務(wù)程序，接收授權(quán)客戶端瀏覽器的請求，Web Server將根據(jù)通信協(xié)議完成相應(yīng)的監(jiān)測。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1 硬件平臺設(shè)計
本系統(tǒng)以公開的嵌入式Linux源代碼為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計的嵌入式目標(biāo)板編寫相應(yīng)的Bootloader程序，然后裁剪出合適的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。目標(biāo)平臺CPU采用Motorola公司生產(chǎn)的ColdFire嵌入式處理器MFC5272。 MFC5272采用ColdFire V2可變長RISC處理器核心和DigitalDNA技術(shù)，在66MHz時鐘下能夠達(dá)到63Dhrystone2.1MIPS的優(yōu)良處理能力。內(nèi)部SIM(System Integrated Module)單元集成了豐富的通用模塊，只需很少的外圍芯片就可以實現(xiàn)兩個RS-232串行口和一個USB Slave接口。MFC5272還內(nèi)嵌一個FEC(快速以太網(wǎng)控制器)，片外擴(kuò)展一片LXT971，方便地實現(xiàn)了一個100/10 Base T的以太網(wǎng)接口。能夠與常用的外圍設(shè)備(如SDRAM、ISDN收發(fā)器)實現(xiàn)無縫連接，從而簡化了外圍電路的設(shè)計，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。
2.2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)
視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用的是瀏覽器/服務(wù)器(B/S)網(wǎng)絡(luò)模型，即由客戶端通過Web向服務(wù)器提出請求，服務(wù)器對請求做出確認(rèn)響應(yīng)并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)(如向客戶端發(fā)送組播地址、圖像格式、壓縮格式等)，建立連接后就可以在客戶端監(jiān)控被控點，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。服務(wù)器(Web Server)端即現(xiàn)場監(jiān)控點的軟件結(jié)構(gòu)包括采集模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、控制模塊等，如圖2所示。
2.2.1 視頻采集模塊設(shè)計
由于攝像機(jī)得到的是模擬的視頻信號，不能直接為計算機(jī)使用，因此要使視頻在網(wǎng)上傳輸，必須首先對其數(shù)字化。本系統(tǒng)選用的視頻采集卡為Conexant公司的Bt848卡，該卡不需要任何本地緩存來存儲視頻像素數(shù)據(jù)，還能夠充分利用基于PCI總線系統(tǒng)的高帶寬和固有的多媒體功能，并且能夠與其他多媒體設(shè)備實現(xiàn)互操作。在整個系統(tǒng)中由于視頻采集的速度通常高于應(yīng)用軟件取得數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理的速度，因此為了保證視頻數(shù)據(jù)的連續(xù)性，采用了三緩存結(jié)構(gòu)，緩存A是Bt848視頻采集的目標(biāo)地址，在RISC指令的直接控制下，采集的數(shù)據(jù)都先存放在這個緩存中；B和C組成乒乓式結(jié)構(gòu)循環(huán)往復(fù)使用，當(dāng)某一幀數(shù)據(jù)采集完畢后，產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中將緩存A的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存B(或C)中，然后采集下一幀，當(dāng)下一幀數(shù)據(jù)采集完后，再將緩存A中的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存C(或B)中，當(dāng)應(yīng)用程序需要數(shù)據(jù)時就從緩存B或C中讀取最新的一幀圖像。緩存B和C交替使用，能夠保證應(yīng)用程序從緩存讀數(shù)據(jù)的操作和驅(qū)動程序向緩存寫數(shù)據(jù)的操作不會發(fā)生沖突，避免了數(shù)據(jù)的損壞和遲延。
2.2.2 視頻壓縮編碼的設(shè)計
本設(shè)計選用了基于對象的MPEG-4視頻編碼技術(shù)，首先對輸入的任意形狀的VOP序列，用基于塊的混合編碼技術(shù)編碼。處理順序是先幀內(nèi)VOP，后幀間VOP和雙向預(yù)測VOP。在對VOP的形狀信息編碼之后，取得任意形狀VOP的采樣，每個VOP用宏塊" title="宏塊">宏塊柵格劃分成不相交的宏塊，每個宏塊含有四個8×8的像素塊，以進(jìn)行運動估計和補償及紋理編碼。已編碼的VOP幀保存在VOP幀存儲器中。運動向量在當(dāng)前VOP幀和已編碼VOP幀之間計算。對將被編碼的塊或宏塊，計算其運動補償預(yù)測誤差。運動補償預(yù)測后的I-VOP及誤差用8×8塊DCT編碼，并進(jìn)行DCT系數(shù)的量化，然后是行程編碼和熵編碼。最后，形狀、運動和紋理信息復(fù)合成VOL位流輸出。這種編碼方法可以允許用戶修改、增加或重定位一個視頻場景中的對象，甚至可以轉(zhuǎn)換場景中對象的行為。對于不同的帶寬和計算復(fù)雜性需求，不必針對每種情況分別編碼，可以使用同一個視頻位流，而采用不同的參數(shù)以選擇不同的層以獲得靈活性。在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞、丟包等現(xiàn)象時仍能提供連貫性較好的視頻圖像。視頻壓縮編碼進(jìn)程將編碼后的的視頻存放到已編碼視頻緩沖隊列中，同時激活或等待直播進(jìn)程和存儲管理進(jìn)程的相應(yīng)處理。
2.2.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計
網(wǎng)絡(luò)通信模塊是系統(tǒng)的主體部分，它包含三個數(shù)據(jù)通道：監(jiān)聽通道、控制通道和視頻數(shù)據(jù)通道。監(jiān)聽通道用來傳輸控制前端設(shè)備的命令數(shù)據(jù)；視頻數(shù)據(jù)通道用來傳輸各個組的視頻數(shù)據(jù)。三個通道采用不同的通信端口，所以各個通道傳輸數(shù)據(jù)彼此獨立。網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計開發(fā)是通過網(wǎng)絡(luò)編程接口(Windows Socket，簡稱Winsock)來實現(xiàn)的。按照系統(tǒng)瀏覽器/服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)傳輸模型，在服務(wù)器端建立了以SOCKET為類型的監(jiān)聽套接字" title="套接字">套接字、控制套接字；在客戶端建立了SOCKET類型的請求套接字、控制套接字，這些都是采用TCP協(xié)議封裝傳輸數(shù)據(jù)的。
另外，在服務(wù)器和客戶機(jī)兩端都用到了一個組播類(CMulticast)，它是專門為視頻傳輸而封裝的類，由CObject派生而來，其中定義了以SOCKET類型的收發(fā)視頻數(shù)據(jù)的套接字和組套接字，從而實現(xiàn)了用組播通信方式來傳輸U(kuò)DP協(xié)議封裝的視頻數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)中IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信流程如圖3所示。
下面給出在服務(wù)器端建立監(jiān)聽套接字和控制套接字的程序。
……
int ret=0;
BOOL bFlag=TRUE: //設(shè)置套接字為可重用端口地址
ret=setsockopt(lInfo.listenSocket,SOL_SOCKET,SO_REUSE ADDR,(char)*&bFlag,sizeof(bFlag));
SOCKADDR_IN sockAddr;
char* addr =severaddr.GetBuffer(0); //定義監(jiān)聽套接字的地址
sockAddr.sin_family = AF_INET;
sockAddr.sin_addr.S_un.S_addr =inet_addr(addr);
sockAddr.sin_port = htons(PORT);
if(bind(lInfo.listenSocket,(LPSOCKADDR)&sockAddr, sizeof(sockAddr))==SOCKET_ERROR) //監(jiān)聽套接字綁定到指定的地址和端口上
{……//出錯處理}
if(listen(lInfo.listenSocket,5)= = SOCKET_ERROR //監(jiān)聽套接字開始監(jiān)聽
{……//出錯處理}
ret=WSAAsyncSelect(lInfo.listenSocket,Af
xGetMainWnd()->m-hWnd,
WM_LISTENSOCKETEVENT,FD_READ—FD_WRITE—FD_CLOSE); //為監(jiān)聽套接字設(shè)置消息回調(diào)機(jī)制
…… //建立控制套接字原理同監(jiān)聽套接字一樣
2.2.4 控制模塊設(shè)計開發(fā)
控制模塊實現(xiàn)了用戶對前端設(shè)備如鏡頭、云臺和畫面切換的控制。服務(wù)器在接收到由客戶中心監(jiān)控終端發(fā)送過來的控制信息幀后，對其進(jìn)行判斷解析，并送入各個相應(yīng)的控制部件接口，以實現(xiàn)相應(yīng)的控制。
3 實驗結(jié)果
將視頻監(jiān)控系統(tǒng)的Web服務(wù)器連接到局域網(wǎng)，然后接入Internet,給web服務(wù)器分配一個IP地址。在用戶終端 ,由于使用普通的瀏覽器只能顯示單畫面, 很不方便,使用微軟公司的VC6.0 配合微軟的瀏覽器控件, 只需幾分鐘就可完成一個多畫面的瀏覽器軟件。在瀏覽器的地址欄中直接輸入視頻服務(wù)器的地址 ,即可在瀏覽器頁面中播放遠(yuǎn)程實時穩(wěn)定、流暢的圖像，取得了良好的監(jiān)控效果。
基于嵌入式Linux視頻的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的Web服務(wù)器直接連入網(wǎng)絡(luò)，沒有線纜長度和信號衰減的限制，同時網(wǎng)絡(luò)是沒有距離概念的，徹底拋棄了地域的概念，擴(kuò)展了布控區(qū)域。又由于視頻壓縮和Web功能集中到一個體積很小的設(shè)備內(nèi)，直接連入局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)，即插即看，系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性、可靠性大大提高，無需專人管理，非常適合于無人值守的環(huán)境。隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求會越來越高。相信該系統(tǒng)在電子商務(wù)、視頻會議、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、水利和電力監(jiān)控等方面有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
1 孟萬化,傅蓉心. 基于Web視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 微計算機(jī)信息,2005;10(1):111~114
2 萬加富，張文斐，張占松. 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003
3 徐立中，馬小平. 多媒體監(jiān)視監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003
4 芮 雨，溫燕紅，余松煜. 基于VxWorks的視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機(jī)工程,2000;26(5):56~57
5 李晶皎，王愛俠，張廣淵. ColdFire系列32位微處理器與嵌入式Linux應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005