摘 要: 介紹了一種基于ARM9高速嵌入式處理器和H.264高效壓縮算法的嵌入式3G無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu),并重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以達(dá)到25幀/秒CIF圖像(320×240),實(shí)現(xiàn)了視頻流暢傳輸。
關(guān)鍵詞: ARM9;無線視頻監(jiān)控;H.264;3G
國內(nèi)外市場上主要推出的是數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字視頻監(jiān)控兩類產(chǎn)品[1]。前者的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟,產(chǎn)品性能穩(wěn)定,在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。后者是新近崛起的以計算機(jī)技術(shù)及圖像視頻壓縮技術(shù)為核心的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)在解決模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的部分弊端的基礎(chǔ)上迅速崛起。在互聯(lián)網(wǎng)的普遍推廣和網(wǎng)絡(luò)帶寬逐漸提高的背景下,視頻監(jiān)控技術(shù)飛速發(fā)展,出現(xiàn)了集多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)于一體的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
目前國內(nèi)嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究有了很大的發(fā)展,但是國內(nèi)對嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究還比較少。本文介紹了自主開發(fā)的基于ARM的嵌入式無線視頻采集系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案采用S3C2410嵌入式處理器和ARMLinux操作系統(tǒng),利用通過自行開發(fā)的視頻服務(wù)器軟件,通過3G無線上網(wǎng)卡完成客戶端與視頻服務(wù)器的通信。介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、服務(wù)器端軟件的總體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動程序的構(gòu)建、圖像的采集和壓縮以及傳輸模塊的設(shè)計,并進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)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。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由監(jiān)控現(xiàn)場攝像頭、嵌入式視頻服務(wù)器、客戶端三部分組成。監(jiān)控現(xiàn)場的攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像的采集,并把采集的圖像信息通過內(nèi)部總線傳送給嵌入式視頻服務(wù)器。嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于S3C2410處理器、H.264壓縮、Web服務(wù)器和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng),它的主要功能是對攝像頭采集到的圖像進(jìn)行H.264壓縮編碼,并對編碼后的圖像通過3G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸??蛻舳酥饕瓿蓤D像的接收和解壓縮,用戶可以通過Web瀏覽器訪問嵌入式視頻服務(wù)器來觀看攝像頭采集到的圖像,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件由圖像傳感器MI360、3G無線模塊MC8630、圖像壓縮芯片ZC0301、微處理器芯片S3C2410、以太網(wǎng)控制芯片、SDRAM等芯片組成。S3C2410具有低功耗、精簡而出色的全靜態(tài)設(shè)計等特點(diǎn),具備MMU存儲器管理功能,擁有獨(dú)立的16 KB指令和16 KB數(shù)據(jù)緩存,在高性能和低功耗特性方面提供了可靠的性能。無線模塊選用中興3G模塊 MC8630,數(shù)據(jù)速率為前向:3.1 Mb/s max,反向:1.8 Mb/s max。
為了降低成本,簡化設(shè)計,本方案選用中星微的ZC0301作為視頻壓縮編碼芯片,Vimicro ZC0301主要由系統(tǒng)控制、圖像信號處理、次取樣和水平掃描、JPEG編碼器和USB設(shè)備控制五大功能模塊組成。CMOS圖像傳感器選擇美光的MI360,它采用VGA標(biāo)準(zhǔn)(30萬像素),感光面積為1/4英寸,有效像素649H×489H,采用低噪聲技術(shù),噪聲等級達(dá)到CCD標(biāo)準(zhǔn)。MI360和ZC0301壓縮編碼芯片完成視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮和編碼。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
本嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件由攝像頭驅(qū)動模塊、圖像采集模塊、H.264圖像壓縮模塊、嵌入式Web服務(wù)器組成。攝像頭驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)攝像頭在Linux操作系統(tǒng)下的正常工作,并為應(yīng)用程序提供接口。圖像采集程序獲取攝像頭傳送過來的圖像信息并進(jìn)行暫存。H.264壓縮模塊完成對原始圖像的編碼處理。嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)傳輸。嵌入式Web服務(wù)器一般由5個主要模塊組成:嵌入式HTTP引擎、安全模塊、應(yīng)用程序接口、文件系統(tǒng)和配置模塊[2]。由于開發(fā)平臺采用的嵌入式操作系統(tǒng)為ARMLinux,具有成熟的文件系統(tǒng),提供文件訪問的接口,可以直接使用文件系統(tǒng)提供的讀寫接口訪問嵌入式Web資源文件,不需要另外設(shè)計文件系統(tǒng)。嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。
3.1 攝像頭驅(qū)動程序設(shè)計
圖像的采集工作由圖像傳感器MI360和視頻壓縮芯片ZC0301完成,ZC0301通過USB接口和S3C2410相連,因此驅(qū)動程序主要是對Linux下USB驅(qū)動程序的開發(fā),ZC0301的驅(qū)動獨(dú)立開發(fā)難度較大,主要是既要考慮圖像采集芯片的驅(qū)動,還要考慮USB的驅(qū)動,且Vimicro沒有公布ZC0301的詳細(xì)技術(shù)資料。Linux下ZC0301的驅(qū)動程序有開源代碼,根據(jù)本系統(tǒng)的開發(fā)平臺進(jìn)行修改、移植、重新編譯內(nèi)核等操作可以完成ZC0301的驅(qū)動程序。
3.2 圖像采集模塊設(shè)計
Video4linux(V4L)是Linux的影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)的基礎(chǔ),是Linux Kernel中支持影像設(shè)備的一組APIs,配合適當(dāng)?shù)囊曨l采集卡與視頻采集卡驅(qū)動程序,可以實(shí)現(xiàn)影像采集、AM/FM無線廣播、影像CODEC、視頻切換等功能。Video4linux為二層式架構(gòu),上層為Video4linux驅(qū)動程序本身,下層架構(gòu)則是影像設(shè)備的驅(qū)動程序。這里用到的是Video4linux的上層驅(qū)動程序,即Video4linux本身所提供給程序開發(fā)人員的APIs[3]。Video4linux視頻圖像采集流程如圖4所示。
3.3 H.264圖像壓縮模塊設(shè)計
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)[4]。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%左右的碼率。
H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng),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)[5]。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視頻通信標(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)。
相對于有線網(wǎng)絡(luò)而言,無線網(wǎng)絡(luò)狀況更不穩(wěn)定,除去網(wǎng)絡(luò)流量所造成的傳輸速率的波動外,設(shè)備的移動速度和所在位置也會嚴(yán)重地影響到傳輸速率。其次,無線信道的環(huán)境也要比有線信道惡劣得多,數(shù)據(jù)的誤碼率也要高許多,而高壓縮的碼流對傳輸錯誤非常敏感,還會造成錯誤向后面的圖像擴(kuò)散,因此無線流媒體在信源和信道編碼上需要很好的容錯技術(shù)。錯誤恢復(fù)的工具隨著視頻壓縮編碼技術(shù)的提高在不斷改進(jìn)。舊的標(biāo)準(zhǔn)(H.261、H.263、MPEG-2的第二部分)中,使用片和宏塊組的劃分、幀內(nèi)編碼宏塊、幀內(nèi)編碼片和幀內(nèi)編碼圖像來防止錯誤的擴(kuò)散。之后改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)(H.263+,MPEG-4)中,使用多幀參考和數(shù)據(jù)分割技術(shù)來恢復(fù)錯誤。H.264標(biāo)準(zhǔn)在以前的基礎(chǔ)上提出了三種關(guān)鍵技術(shù)來進(jìn)行錯誤的恢復(fù),分別是參數(shù)集合、靈活的宏塊次序(FMO)和冗余片(RS)。FMO是H.264的一大特色,可以是一幀中的宏塊順序分割,使分割后的片的尺寸小于無線網(wǎng)絡(luò)的MTU尺寸,避免在網(wǎng)絡(luò)層再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)分割,降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)念~外開銷。
3.4 嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計
本系統(tǒng)選用適合嵌入式系統(tǒng)的Boa服務(wù)器,它是單任務(wù)HTTP服務(wù)器,占用空間小,另外支持動態(tài)Web技術(shù)的CGI技術(shù),源代碼開放,性能高。嵌入式Boa服務(wù)器移植到Linux系統(tǒng)中的網(wǎng)上相關(guān)資料很多,不再贅述。下面重點(diǎn)介紹應(yīng)用程序接口CGI程序設(shè)計。
公共網(wǎng)關(guān)接口CGI是HTTP服務(wù)器與其他機(jī)器上的程序進(jìn)行“交談”的一種工具[6],其程序須運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上。CGI是一個用于Web服務(wù)器與外部程序之間通信方式的標(biāo)準(zhǔn),使得外部程序能生成HTML、圖像或其他內(nèi)容,而服務(wù)器處理的方式與那些非外部程序生成的HTML、圖像或其他內(nèi)容的處理方式是相同的。使用CGI的原因在于它是一個定義良好并被廣泛支持的標(biāo)準(zhǔn),沒有CGI就不可能實(shí)現(xiàn)動態(tài)的Web頁面,除非使用一些服務(wù)器中提供的特殊方法。
CGI程序入口為main()函數(shù),函數(shù)首先執(zhí)行初始化用到的變量,然后根據(jù)提供的環(huán)境變量Environmentv獲取當(dāng)前訪問用戶的用戶名,判斷用戶的訪問權(quán)限,然后根據(jù)REQUESM得到用戶的請求方法。如果是POST,則根據(jù)Contentl獲取用戶請求內(nèi)容并分析;如果是GET,則根據(jù)Querys獲取信息并分析請求內(nèi)容,最后根據(jù)用戶權(quán)限做出相應(yīng)的處理;如果是其他的請求方法,則返回錯誤,不支持該請求方法。流程圖如圖5所示。
S3C2410憑借其高性價比、豐富的接口以及對網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大支持,使其非常適合做網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的Web視頻服務(wù)器的處理器。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%左右的碼率。H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng),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)。本系統(tǒng)支持動態(tài)IP,可以直接連入以太網(wǎng),能夠即插即看。通過局域網(wǎng)(100 Mb/s以太網(wǎng))內(nèi)部測試,可以達(dá)到25幀/秒CIF圖像(320×240)要求,傳輸延遲0.6 s以內(nèi),編碼后的碼率150 Kbit/s,由客戶端軟件解碼恢復(fù)后的視頻圖像清晰、流暢、沒有抖動現(xiàn)象,能獲得較好的視頻質(zhì)量。
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