基于3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)探析

摘要：本文結(jié)合筆者多年實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式系統(tǒng)和3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。選用S3C6410處理器作為本系統(tǒng)的核心控制器，視頻采集工具為Opencv，軟件編碼和解碼工具為基于H264算法的X264開(kāi)源軟件，監(jiān)控視頻依靠3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本系統(tǒng)的監(jiān)控畫面流暢，視頻壓縮率高，在很大程度上能夠滿足無(wú)線視頻監(jiān)控的需要。

關(guān)鍵詞：3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；視頻監(jiān)控；Opencv

中圖分類號(hào)：TN919.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 (2012) 09-0000-02

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)必須依賴于有線環(huán)境，因此在一些需要臨時(shí)布控有線網(wǎng)絡(luò)或者干脆無(wú)法布控有線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合如礦井油田，電力線路和交通工具等，傳統(tǒng)有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是無(wú)法適用的。目前為了解決這一問(wèn)題，監(jiān)控領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到對(duì)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究上來(lái)。雖然基于無(wú)線局域網(wǎng)的視頻監(jiān)控方案能夠很好地解決有線視頻監(jiān)控?cái)y帶不便的缺點(diǎn)，但依然擺脫不了在進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和傳輸距離的限制。在對(duì)視頻進(jìn)行壓縮方面，廣泛使用的MPEG-4算法的壓縮率仍然不能適應(yīng)無(wú)線視頻監(jiān)控的要求。在這種情況下，筆者結(jié)合多年實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提出一種基于3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)。使用Opencv采集視頻數(shù)據(jù)，大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和執(zhí)行效率。通過(guò)采用具備更高壓縮率的H.264算法對(duì)視頻進(jìn)行壓縮，大大降低了視頻幀的數(shù)據(jù)量，有效地解決了3G帶寬資源有限的問(wèn)題，具備顯著的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在可覆蓋性方面，采用3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)比無(wú)線局域網(wǎng)效果更好。

一、監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分組成模塊包括主控制板模塊，視頻采集模塊和視頻傳輸模塊。USB攝像頭構(gòu)成系統(tǒng)的視頻采集模塊，根據(jù)控制指令對(duì)視頻進(jìn)行采集編碼，然后將經(jīng)過(guò)編碼后的圖像傳輸給主控制模塊。系統(tǒng)主控制模塊將從攝像頭采集到的視頻信息進(jìn)行壓縮編碼處理，然后將視頻流封裝成RTP幀。系統(tǒng)3G傳輸模塊負(fù)責(zé)傳輸封裝好的視頻數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示

為了提高系統(tǒng)的性價(jià)比和便攜性，有別于一般視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用的DPSARM架構(gòu)，本系統(tǒng)采用高性能的ARM架構(gòu)作為主控制模塊。采用S3C6410作為主控制板模塊的核心處理器。該處理器是三星公司在第二代ARM內(nèi)核基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一個(gè)高性能處理器，廣泛應(yīng)用于多媒體信息處理，其運(yùn)行頻率高達(dá)667MHz。正是因?yàn)镾3C6410具有如此優(yōu)越的性能，使用該處理器可以高效地實(shí)現(xiàn)基于H.264算法的視頻編解碼，避免額外搭建用于視頻編解碼的硬件電路，因此大大降低了開(kāi)發(fā)成本，提高了系統(tǒng)可靠性。

二、監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

（一）搭建操作系統(tǒng)平臺(tái)

基本的嵌入式運(yùn)行環(huán)境是由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，Linux內(nèi)核以及U-boot引導(dǎo)程序構(gòu)成的，視頻的采集，編碼還有傳輸由系統(tǒng)的應(yīng)用層負(fù)責(zé)。系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件層次結(jié)構(gòu)

內(nèi)核和根文件系統(tǒng)是嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)的主要組成部分。本系統(tǒng)采用Linux2.6.32作為內(nèi)核，作為一種應(yīng)用廣泛的開(kāi)源操作系統(tǒng)，Linux具備裁剪方便和可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。只需適當(dāng)裁剪和配置源代碼，然后創(chuàng)建鏡像文件將其下載到硬件平臺(tái)就可以了。本系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)是cramfs，作為一種簡(jiǎn)單的，可壓縮的只讀文件系統(tǒng)，它能大大節(jié)省內(nèi)存空間，還能通過(guò)掛載yaffs文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)寫操作。

（二）采集視頻數(shù)據(jù)

V4L是大多數(shù)傳統(tǒng)嵌入式視頻采集的主要方式，V4L方式的可靠性和采集效率都不高，因此本系統(tǒng)采用Opencv方式采集視頻數(shù)據(jù)。Opencv(Open Source Computer Vision Library)是一種跨平臺(tái)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，廣泛應(yīng)用于數(shù)字圖像處理，經(jīng)BSD許可證授權(quán)發(fā)行，由英特爾微處理器研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)?？梢浦残詮?qiáng)，穩(wěn)定性高，開(kāi)源高效是該視覺(jué)庫(kù)的顯著特點(diǎn)。因此采用Opencv進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集就能夠大大提高系統(tǒng)可靠性，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期。本系統(tǒng)使用Opencv采集到的視頻圖像都是RGB格式的，需要將其進(jìn)行YUV格式的轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行壓縮編碼。

（三）壓縮視頻數(shù)據(jù)

H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)是由MPEG（國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織運(yùn)動(dòng)圖像專家組）和VCEG（國(guó)際電信聯(lián)合會(huì)ITU視頻編碼專家組）共同組合的JVT（聯(lián)合視頻組）聯(lián)合制定的。和其他視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比，H.264具備更優(yōu)秀的圖像質(zhì)量和更高的壓縮效率，因此其應(yīng)用前景異常廣闊，具備巨大的研究?jī)r(jià)值，是目前最流行的視頻處理協(xié)議。

目前主要存在幾種基于H.264的開(kāi)源解碼軟件，分別是中國(guó)的T264，法國(guó)的編解碼器x264和德國(guó)的測(cè)試軟件JM。通過(guò)對(duì)這三種編碼軟件進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)x264具備更高的實(shí)用性，能夠顯著降低編碼的重負(fù)計(jì)算復(fù)雜度而不致使編碼性能顯著降低，去除了H.264標(biāo)準(zhǔn)中的那些計(jì)算復(fù)雜度高但編碼性能低的新特性?？紤]到本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺(tái)是嵌入式平臺(tái)，因此選擇高效輕巧的x264方案。

（四）視頻傳輸

傳輸壓縮后的視頻數(shù)據(jù)是通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)連接因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)對(duì)于時(shí)延和傳輸丟包的要求比較高，因此需要通過(guò)配合使用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）和實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議（RTCP），以期同時(shí)提供Qos和實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)服務(wù)。RTP作為一種實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議，位于UDP和TCP協(xié)議之上，具備提供端到端傳輸服務(wù)的能力，在通過(guò)點(diǎn)播和組播實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。視頻傳輸模塊的主要功能是封裝經(jīng)過(guò)H.264算法壓縮的視頻流為RPT數(shù)據(jù)包，并通過(guò)周期性地接受和發(fā)送RTCP包進(jìn)行反饋控制。封裝單獨(dú)的NAL單元是本系統(tǒng)采用的封裝方案。首先，將視頻流封裝成RTP數(shù)據(jù)包，接著繼續(xù)封裝成UDP數(shù)據(jù)包，最后一步再封裝成IP數(shù)據(jù)包，以期實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。然后通過(guò)3G網(wǎng)將IP數(shù)據(jù)包傳送到接收端。IP數(shù)據(jù)包到達(dá)接收端之后，接收端提取IP數(shù)據(jù)包中的視頻流數(shù)據(jù)和RTP報(bào)頭，以RTP報(bào)頭含有的序列號(hào)為依據(jù)，在接收端緩存中存入視頻流數(shù)據(jù)，以供解碼器進(jìn)行解碼輸出。具體的傳輸步驟如圖3所示。

本系統(tǒng)RTP/RTCP視頻傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)依賴于JRTPLIB庫(kù)，這是一個(gè)開(kāi)源的面向?qū)ο蟮腞TP/RTCP協(xié)議棧。視頻數(shù)據(jù)的高速傳輸可以通過(guò)該庫(kù)提供的相應(yīng)借口實(shí)現(xiàn)，能夠大大縮短開(kāi)發(fā)周期。下載JRTPLIB3.4.0代碼，然后將其移植到Linux上，即可編碼實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和ARM之間的視頻數(shù)據(jù)傳輸。主要實(shí)現(xiàn)步驟為初始化，發(fā)送數(shù)據(jù)，接受數(shù)據(jù)。

三、性能分析

本文進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是在三星公司的S3C6410開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行的，將應(yīng)用程序燒寫進(jìn)開(kāi)發(fā)板并運(yùn)行，開(kāi)發(fā)監(jiān)控終端測(cè)試是在遠(yuǎn)程PC機(jī)上的Visual C平臺(tái)上完成的，程序運(yùn)行結(jié)果良好。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)測(cè)試不同格式圖像的實(shí)際傳輸幀速，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，即使使用經(jīng)典的CIF分辨率，在3G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境一般的條件下其傳輸幀速也能達(dá)到19FPS上下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足視頻監(jiān)控的實(shí)際應(yīng)用需求。

四、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)使用高性能的ARM2代處理器為自己的核心，以對(duì)采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)H.264編碼，最后在3G網(wǎng)絡(luò)中采用RTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)H.264視頻流的穩(wěn)定和實(shí)時(shí)傳輸。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該方案的可行性比較高，處理后的視頻質(zhì)量較好。該系統(tǒng)能適應(yīng)森林防火監(jiān)控，移動(dòng)平臺(tái)和電力線路等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊，具備較大應(yīng)用價(jià)值。

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