基于FFmpeg的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)編解碼

摘要：在遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)的編碼傳輸以及解碼顯示是一個(gè)重要組成部分，通過對(duì)FFmpeg的研究學(xué)習(xí)，考慮采用FFmpeg來實(shí)現(xiàn)編解碼的方法。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由采集發(fā)送端和接收處理端組成，采集發(fā)送端使用S3C2440作為嵌入式硬件平臺(tái)，并通過USB攝像頭OV9650采集視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過FFmpeg編碼后傳輸給接收處理端。接收處理端接收到數(shù)據(jù)后通過FFmpeg實(shí)時(shí)解碼，采用OpenCV顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：FFmpeg；編解碼；嵌入式

0 引言
    隨著視頻編解碼技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，以嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器為核心的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)開始在市場上嶄露頭角。該系統(tǒng)把攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號(hào)通過內(nèi)置的嵌入式視頻編碼器直接轉(zhuǎn)換成視頻流，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸出去。嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器具備視頻編碼處理、網(wǎng)絡(luò)通信、系統(tǒng)控制等強(qiáng)大功能，直接支持網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理，使得監(jiān)控范圍達(dá)到前所未有的廣度。在遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，攝像頭獲取的原始視頻流在傳輸之前需要壓縮，而FFmpeg可以將原始視頻壓縮為H264格式視頻流，H264是一種被廣泛使用的高精度視頻的錄制、壓縮和發(fā)布格式，因此采用FFmpeg來實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)方案
    系統(tǒng)是在S3C2440平臺(tái)上運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)，使用CMOS攝像頭OV9650獲取實(shí)時(shí)視頻圖像數(shù)據(jù)，采用H264標(biāo)準(zhǔn)通過FFmpeg原始視頻進(jìn)行壓縮編碼成視頻流，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，用戶在接收處理端經(jīng)過FFmpeg解碼之后，使用OpenCV顯示播放即可實(shí)時(shí)查看遠(yuǎn)程視頻圖像。
    系統(tǒng)由兩部分組成：采集發(fā)送端和接收處理端，采用Client／Server設(shè)計(jì)模式來實(shí)現(xiàn)兩者之間的相互通信，由接收處理端向采集發(fā)送端發(fā)送控制信號(hào)，采集發(fā)送端開啟攝像頭進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集，采集的原始視頻數(shù)據(jù)是yuv422格式，經(jīng)過FFmpcg編碼壓縮成H．264格式視頻流，經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇邮仗幚矶耍唤邮仗幚矶私邮盏揭曨l流數(shù)據(jù)后，經(jīng)FFmpeg解碼，通過OpenCV進(jìn)行顯示。采集發(fā)送端視頻數(shù)據(jù)采集和發(fā)送采用三星公司的具有ARM920T內(nèi)核的S3C2440作為嵌入式微控制器，接收處理端采用普通電腦。系統(tǒng)方案如圖1所示。

2 采集發(fā)送端
    采集發(fā)送端主要包括嵌入式Linux平臺(tái)和攝像頭兩部分，嵌入式Linux平臺(tái)需要搭建交叉編譯環(huán)境，而攝像頭需要驅(qū)動(dòng)程序才能正常工作。
    嵌入式Linux平臺(tái)采用三星公司的S3C2440A處理器為硬件平臺(tái)，S3C2440A處理器是一款基于ARM920T內(nèi)核的16／32bit嵌入式處理器，主頻
400MHz，最高可達(dá)533MHz,支持30／130／200萬像素CMOS攝像頭，支持linux2.4和Wince4.2雙操作系統(tǒng)，適合應(yīng)用于對(duì)功率和成本都較敏感的嵌入式系統(tǒng)場合。
    攝像頭采用Omni Visio公司生產(chǎn)的CMOS攝像頭OV9650，具有高敏感度、低功耗，高分辨率(最高1300X1028 pixels)，支持大量常用的圖像格式、支持自動(dòng)圖像控制等優(yōu)點(diǎn)。在接口上能夠保持與S3C2440的一致性。輸出圖像最大為130萬像素，輸出圖像格式包括SXGA，VGA，QVG A，CIF，QCIF等，并可以輸出不同尺寸的圖像。對(duì)于不同的輸出圖像格式，最高幀率可以不同，最高可達(dá)120f／s，輸出的8位數(shù)據(jù)格式包括YUV／YCbCr(4：2：2)、GRB(4：2：2)、原始RGB數(shù)據(jù)3種。[!--empirenews.page--]
2．1 建立嵌入式Linux平臺(tái)
    建立嵌入式Linux系統(tǒng)的基本流程：首先在宿主機(jī)上建立交叉編譯環(huán)境，然后移植Linux的引導(dǎo)程序到目標(biāo)板，最后構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)并移植到目標(biāo)板。構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)主要包括對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪和配置，根據(jù)實(shí)際的硬件系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)核和外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序的移植開發(fā)，以及構(gòu)建Linux的根文件系統(tǒng)。
2．2 攝像頭驅(qū)動(dòng)配置
    CMOS攝像頭驅(qū)動(dòng)以MODULES的形式編寫，因?yàn)镸ODULES形式的驅(qū)動(dòng)可動(dòng)態(tài)加載到Linux內(nèi)核。
    加載驅(qū)動(dòng)程序后，就可以像操作普通文件一樣對(duì)攝像頭進(jìn)行操作。如：定義intm_filev412，通過m_filev412=open(“／dev／camera” O_RDWR)打開攝像頭，通過read(fd,&inyuv422,D SIZE)讀取攝像頭的視頻數(shù)據(jù)到數(shù)組inyuv422中，通過closc(m_filev412)關(guān)閉攝像頭。有了視頻數(shù)據(jù)后，就可以通FFmpeg進(jìn)行編碼。
2. 3 FFmpeg編碼
2．3．1 FFmpeg簡介
    FFmpeg是一個(gè)開源免費(fèi)跨平臺(tái)的視頻和音頻流方案，屬于自由軟件，采用LGPL或GPL許可證(依據(jù)所你選擇的組件)，是一個(gè)集錄制、轉(zhuǎn)換、音／視頻編解碼功能為一體的、完整的開源解決方案。FFmpeg的開發(fā)基于Linux操作系統(tǒng)，也可在大多數(shù)操作系統(tǒng)中編譯和使用。FFmpeg支持MPEG、DivX、MPEG4、AC3、DV、FLV等40多種編碼，AVI、MPEG、OGG、Matroska、ASF等90多種解碼；TCPMP、VLC、MPlayer等開源播放器都用到了FFmpeg。
    FFmpeg中FF是指Fast Forward。
2．3．2 編碼
    OV9650攝像頭輸出的數(shù)據(jù)為yuv422格式，而FFmpeg編碼需要輸入yuv420格式數(shù)據(jù)，因此在編碼之前需要先將yuv422格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為yuv 420格式。FFmpeg中的函數(shù)sws_scale()可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程。
    在使用FFmpeg編碼之前，首先需要對(duì)FFmpeg庫進(jìn)行初始化，注冊(cè)所有的編解碼器以及文件格式，設(shè)置編碼器碼率、幀速率、編碼像素格式等參數(shù)，然后尋找編碼器并打開，打開編碼器之后才可以進(jìn)行編碼。通過設(shè)置結(jié)構(gòu)體AVCodecContext中的各個(gè)成員參數(shù)來完成參數(shù)的設(shè)置過程，例如通過設(shè)置AVCodecContext->bit_rate，AVCodecContext->width，AVCodecContcxt->height等可以設(shè)置碼率，寬度和高度等，通過設(shè)置AVCodecContext->pix_fmt=PIX_FMT_YUV420P設(shè)置YUV420像素格式。編碼核心函數(shù)是avcodec_encode_video()。系統(tǒng)每采集一幀數(shù)據(jù)，就送給avcodec_encode_video()函數(shù)編碼成H.264視頻流。其編碼流程如圖2所示。

    下面對(duì)編碼流程的各個(gè)步驟中主要函數(shù)的作用進(jìn)行詳細(xì)介紹：
    1)av_register_all()：注冊(cè)庫中含有所有文件格式和編解碼器，沒有這一步將無法打開編解碼器。
    2)av_open_imput_file()：打開攝像頭視頻文件。
    3)av_find_stream_info()：尋找視頻流。
    4)av_find_encoder()：尋找編碼器，編碼器參數(shù)需在pCodec中初始化，參數(shù)的初始化很重要，對(duì)編碼的圖像質(zhì)量有很大影響。
    pCodec=avcodec_find_encoder (CODEC_ID_H264)；／／尋找H．264格式編碼器
    5)avcodec_alloc_frame()：為編碼幀分配內(nèi)存。
    pFrame=avcodec_alloc_frame()；／／pFrame為AVFrame格式
    6)avcodec_open()：打開編碼器。
    7)av_read_frame()：從視頻流中讀取一幀視頻數(shù)據(jù)。
    8)avcodec_encode_video()：編碼一幀視頻數(shù)據(jù)。
    9)avcodec_close()：關(guān)閉編碼器。
    10)avformat_close_mput file()：關(guān)閉視頻攝像頭文件。
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3 接收處理端
    接收處理端可以與任意一個(gè)采集發(fā)送端進(jìn)行連接通信。連接后可以接收采集發(fā)送端發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過FFmpeg解碼后顯示。
3．1 FFmpeg解碼
    用FFmpeg解碼的流程與編碼的流程大致相同，只是解碼的核心函數(shù)為avcodec_decode_video()。接收處理端接收到一幀數(shù)據(jù)后，通過avpicture_fill()存儲(chǔ)到AVFrame格式的內(nèi)存空間中，然后再使用avcodec_decode_video()函數(shù)進(jìn)行解碼。其解碼流程如圖3所示：

3．2．視頻顯示
    FFmpeg對(duì)H.264解碼出來格式是YUV(．i420)格式，需要轉(zhuǎn)換成RGB(．rgb24)格式顯示，使用FFMPEG中的sws_scalc()函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換。
    顯示視頻采用的是OpenCV。顯示的核心函數(shù)是cVShowImage(char* name，lpllmage* dst)，將得到的RGB(.rgb24)格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為OpenCV格式的lpllmage數(shù)據(jù)，然后顯示在監(jiān)控窗口上，如圖4所示：

4 結(jié)束語
    隨著視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展成熟，嵌入式視頻監(jiān)控逐漸在監(jiān)控領(lǐng)域占有重要地位。以S3C2440為嵌入式硬件平臺(tái)，通過攝像頭采集數(shù)據(jù)，在嵌入式Linux與Windows操作系統(tǒng)相結(jié)合的跨平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)FFmpeg的編解碼，為實(shí)際嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻壓縮傳輸設(shè)計(jì)，提供了一種可行的方法。