基于H.264的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言

對圖像監(jiān)控系統(tǒng)，用戶常常對使用環(huán)境提出一些特殊需求，他們希望能夠監(jiān)控距離比較遠的對象，這些對象有可能是深山的電網(wǎng)、荒原的油井或者其它無人值守或人無法到達場合的重要設(shè)備何地；另一方面他們希望獲取比較清晰的圖象，同時他們對圖象傳輸?shù)膶崟r性要求比較高，很明顯，用傳統(tǒng)的PC機加圖像采集卡的方式很難滿足這樣的需求[1]。

以往的視頻監(jiān)控系統(tǒng)很多都使用了MPEG-4標準，而新一代視頻壓縮標準H．264是面向無線網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)的視頻圖像編碼與傳輸技術(shù)，相對MPEG-4標準，除了增強網(wǎng)絡(luò)適應能力外，大幅度提高了壓縮編碼效率，在相同的碼率下能夠獲得更高的主客觀質(zhì)量。

碼分多址無線網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋面廣、高效、低成本的特點。碼分多址網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率可達150 kb／s。這里開發(fā)的嵌入式無線視頻定位監(jiān)控系統(tǒng)就是充分利用了H.264視頻壓縮技術(shù)碼分多址無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌人式系統(tǒng)的特點而搭建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

本文提出了一種采用海思公司的Hi3510系統(tǒng)的設(shè)計方案，分別對系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計進行了詳細討論，完成視頻信號的采集、壓縮及傳輸功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)由無線或有線互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控用戶、中心服務器、嵌入式監(jiān)控終端組成，系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。無線終端用戶或者有線互聯(lián)網(wǎng)用戶向中心服務器發(fā)送用戶請求命令，先通過碼分多址網(wǎng)關(guān)接入Internet，然后到達中心服務器。中心服務器收到用戶命令后進行命令解析，再通過無線網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控終端發(fā)送控制命令，監(jiān)控終端收到中心端的監(jiān)控任務之后，就通過圖像采集模塊拍攝現(xiàn)場圖像，并將經(jīng)過H.264壓縮編碼后的圖像數(shù)據(jù)按照RTP通信協(xié)議，經(jīng)由碼分多址模塊發(fā)送回中心服務器。對于無線用戶，中心服務器再通過無線網(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)送監(jiān)控視頻或圖片，而對于互聯(lián)網(wǎng)用戶中心服務器則直接通過 Internet向網(wǎng)絡(luò)用戶提供視頻或圖片監(jiān)控。中心服務器首先需要處理在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包錯序、校驗出錯、丟包、重包等現(xiàn)象，即在通訊協(xié)議中增加請求丟包重發(fā)機制和超時機制；其次，中心服務器還要監(jiān)控碼分多址傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量，并進行反饋，由此來控制碼分多址在不同信號質(zhì)量下發(fā)送數(shù)據(jù)的速度；最后，服務器還要為用戶提供監(jiān)控系統(tǒng)的Web瀏覽、視頻數(shù)據(jù)的硬盤存儲、下載等功能。系統(tǒng)采用雙C／S架構(gòu)，具有非常好的擴容性，多個監(jiān)控終端安裝在不同的地點，就能夠?qū)崿F(xiàn)對不同目標的實時監(jiān)控。

圖1. 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架圖

3 監(jiān)控終端設(shè)計

監(jiān)控端系統(tǒng)基于華為海思公司的高性能通信媒體處理器碼分多址搭建。Hi3510是一款基于ARM9、DSP雙處理器內(nèi)核以及硬件加速引擎的高集成、可編程、支持MPEG-4 AVC/H.264協(xié)議的高性能通信媒體處理器。圍繞Hi3510分別搭建相應的硬件和軟件環(huán)境，就可以很方便的實現(xiàn)監(jiān)控終端的設(shè)計。

3.1 監(jiān)控終端硬件設(shè)計

要能夠正確運行一個系統(tǒng)，硬件方面至少應該包括CPU、內(nèi)存和固態(tài)存儲器、系統(tǒng)內(nèi)部總線以及外設(shè)接口，Hi3510處理器系統(tǒng)很好滿足了這些條件。具體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2. Hi3510處理器機構(gòu)圖

Hi3510使用ARM926EJ-S內(nèi)核，哈佛結(jié)構(gòu)的32位RISC處理器，其內(nèi)內(nèi)置MMU，主頻可達到 240MHz，可以很好得運行嵌人式Linux2.6，不但保持了嵌人式系統(tǒng)小型化、低功耗、易攜帶的特點，又充分利用了Linux系統(tǒng)完整的內(nèi)存、文件、線程管理功能，大大方便了程序的開發(fā)和程序中多任務功能的實現(xiàn)。

H.264是面向無線網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)的視頻圖像編碼與傳輸技術(shù)．與其相關(guān)的各種研究已成為當今信息科學與技術(shù)的前沿課題。 H.264具有高壓縮比，良好的網(wǎng)絡(luò)適應性，一定的魯棒性等優(yōu)異性能，但其計算量過高，編碼時間過長，限制了它的廣泛應用。Hi3510芯片是具有 H.264硬件編碼SOC芯片―― Hi3510采用ARM9+DSP+硬件引擎方式，方便地提供了H.264壓縮視頻流，而且可以獲得很好壓縮比。

碼分多址通訊模塊采用深圳倚天科技公司的ETPro-309 AI CDMA Modem，其內(nèi)置SIM卡，其內(nèi)部核心芯片是Qualcomm MSM6025。該模塊包含基于碼分多址業(yè)務標準IS95和IS2000的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，而且?guī)?nèi)置TCP／IP協(xié)議棧，可利用AT命令直接與其通信。碼分多址模塊與核心處理器之間使用UART進行連接。

Hi3510支持ITU-R BT.656/601視頻輸入接口，攝像機接口接受ITU標準的圖像數(shù)據(jù)，不能直接接收CCD攝像機輸出的模擬視頻信號，因此我們只需要再加一片SAA7114視頻解碼芯片，就可以完成硬件系統(tǒng)的搭建。

3.2 監(jiān)控終端軟件設(shè)計

控制終端軟件的核心是嵌入式Linux操作系統(tǒng),所有功能的實現(xiàn)都基于Linux操作系統(tǒng)來完成。主要包括三個層次，最底層是BootLoader服務程序和基本外設(shè)驅(qū)動，它主要完成系統(tǒng)加載和ARM核心處理器的初始化配置，第二層主要是攝像頭模塊和碼分多址模塊的驅(qū)動程序，最后一層是系統(tǒng)的應用程序。

由于Linux內(nèi)核采用模塊化的設(shè)計。很多模塊可以獨立地加載或卸載，所以小型化就是對Linux內(nèi)核重新編譯，在編譯時仔細地選擇嵌入式設(shè)備所需要的功能模塊，同時刪除不需要的功能。這里只需要串口驅(qū)動、SAA7114視頻解碼芯片驅(qū)動，還有撥號網(wǎng)絡(luò)應用，還要支持 PPP、TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其他都可以刪除掉，使系統(tǒng)運行所需要的內(nèi)核顯著減小至l Mb以內(nèi)。碼分多址撥號通過運行PPP程序進行。在Linux下的PPP包是專門為解決Modem撥號上網(wǎng)問題而編寫的，并且是公開源代碼的。PPP撥號腳本程序主要通過調(diào)用pppd和chat這兩個應用程序，并通過AT指令實現(xiàn)對Modem的操作。

應用程序主要是監(jiān)聽用戶命令，收到命令后調(diào)用攝像頭模塊采集圖像，然后再使用碼分多址模塊來發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。終端一旦初始化后，就與中心服務器建立TCP連接，在運行過程中終端跟中心服務器保持TCP連接，中心服務器可隨時主動地請求圖像數(shù)據(jù)，因此，對于對交互性和實時性有較高要求的應用系統(tǒng)可實現(xiàn)較好的響應。監(jiān)控終端軟件流程如圖3所示。

圖3. 監(jiān)控終端軟件流程圖

4 基于RTP的H.264視頻流傳輸控制

由于H.264具有前面所指出的多種優(yōu)點，本系統(tǒng)設(shè)計了基于RTP的H.264視頻流傳輸控制。RTP協(xié)議對實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С职〞r間戳、序列號、荷載類型標識和源標識等，時間戳反映了RTP數(shù)據(jù)幀中第一字節(jié)數(shù)據(jù)的采樣時間，采樣時間是線性單調(diào)增長的。接收方根據(jù)收到數(shù)據(jù)幀的時間戳來重建接收數(shù)據(jù)的時序關(guān)系，以便正確回放媒體流。序列號用于數(shù)據(jù)傳送的丟失檢測和幀序重構(gòu)；荷載類型標識則指明RTP幀數(shù)據(jù)荷載的編碼格式；源標識用于指示接收方式所接收數(shù)據(jù)的來源。以上功能均通過RTP的幀頭來實現(xiàn)。

RTP 數(shù)據(jù)協(xié)議運行在面向數(shù)據(jù)報的UDP 之上，它只能提供無連接的不可靠服務，幀丟失或出錯都會降低圖像或聲音的質(zhì)量。RTCP控制協(xié)議需要與RTP數(shù)據(jù)協(xié)議一起配合使用，RTP本身并不能為按序傳輸數(shù)據(jù)包提供可靠的保證，也不提供流量控制和擁塞控制，這些都由RTCP來負責完成。

H.264視頻流分別裝上RTP報頭、UDP報頭和IP報頭，然后IP數(shù)據(jù)包通過Internet傳送到接收端。接收端收到IP數(shù)據(jù)包后按相反的順序?qū)?RTP報頭和視頻流數(shù)據(jù)提取出來，根據(jù)RTP報頭中的序列號和將視頻流數(shù)據(jù)放人接收端緩存供解碼器解碼輸出。RTP反饋控制主要通過RTCP的接收方報告來完成，通過提取RTCP中接收方報告SR的反饋信息估計網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，再根據(jù)可用帶寬動態(tài)調(diào)整編碼的參數(shù)，使RTP發(fā)送碼率小于網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，從而保證傳輸?shù)目煽啃浴3]

圖4. RTP傳輸反饋控制模型

5 中心端設(shè)計

服務器端軟件實現(xiàn)的主要功能是接收、H.264軟件解碼嵌入式終端發(fā)送過來的監(jiān)控數(shù)據(jù)，并將得到的圖像保存和傳輸給終端用戶?？刂浦行闹鳈C通過寬帶上網(wǎng)方式登錄到Internet上，必須申請一個靜態(tài)IP地址。主機登錄Internet后，即可運行服務器端軟件。服務器端程序設(shè)計主要包括網(wǎng)絡(luò)通信、接收數(shù)據(jù)、H.264軟件解碼、保存圖像、即時重顯圖像。整個過程屬于軟件系統(tǒng)開發(fā)，本文不再詳細討論。

6 結(jié)束語

該設(shè)計是在城市或遠程移動設(shè)備所需監(jiān)控的應用背景下提出的，如城市武警車輛，本系統(tǒng)的應用會為預警指揮提供保證。本文作者創(chuàng)新點：設(shè)計提出了結(jié)合嵌入式技術(shù)、視頻壓縮編碼技術(shù)、無線通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)等多項技術(shù)無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用嵌入式技術(shù)和Linux實時多任務操作系統(tǒng)，基于碼分多址無線數(shù)據(jù)傳送、H.264視屏壓縮、RTP實時傳輸控制，使系統(tǒng)有極高的實用價值。

參考文獻
[1].    孫宏偉，基于S3C2440遠程圖像無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計, 微計算機信息, 2006, 4-2；90-92。
[2].    華為海思半導體有限公司，Hi3510 媒體處理軟件開發(fā)指南，2006
[3].    陶桂東，基于RTP協(xié)議H.264視頻流傳輸QoS保證的研究，裝甲兵工程學院學報，2006，20卷