嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 胡德清

一、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控體系

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控體系由于所應(yīng)用的場(chǎng)所不同可以設(shè)計(jì)出不同的系統(tǒng)，本文介紹的是一種典型的系統(tǒng)是由監(jiān)視設(shè)備對(duì)遠(yuǎn)景畫面及聲音進(jìn)行采集，經(jīng)由視頻線經(jīng)編碼器編碼后，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)至遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器，服務(wù)器再將收到的數(shù)據(jù)包發(fā)往解碼器或PC進(jìn)行解碼。因而，PC可以通過登錄服務(wù)器實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并可在局域網(wǎng)內(nèi)配置多臺(tái)解碼器，將解碼后的數(shù)據(jù)流輸出至電視墻。還可通過配置數(shù)字錄像器進(jìn)行錄像和視頻點(diǎn)播功能。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由以下幾個(gè)單元組成：

①編碼器，能夠?qū)?shí)時(shí)采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行編碼，再通過公共網(wǎng)絡(luò)或內(nèi)部網(wǎng)進(jìn)行傳輸，從而為外圍監(jiān)控設(shè)備（防盜儀、攝像機(jī)等）提供接口；

②解碼器，能夠從網(wǎng)絡(luò)中收到的音頻、視頻數(shù)據(jù)經(jīng)由編碼器編碼的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，并將其還原成模擬信號(hào)，通過顯示和聲音設(shè)備實(shí)時(shí)了解所控制區(qū)域發(fā)生的情況；

③服務(wù)器，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，登陸服務(wù)器的用戶需要經(jīng)過認(rèn)證，使用瀏覽器（IE）可以獲得多個(gè)畫面的影象，并對(duì)其他各單元（電視墻、錄像、視頻監(jiān)控等）進(jìn)行控制；

④數(shù)字錄像器，能夠?qū)⑴臄z下的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行錄入，具有點(diǎn)播和回放等功能；

⑤客戶端，主要指PC，客戶端的功能實(shí)現(xiàn)主要通過服務(wù)器來操作；

⑥電視墻，能夠?qū)⒔獯a后的模擬信號(hào)在屏幕上顯示的設(shè)備。

二、嵌入式技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)是指具有計(jì)算機(jī)功能卻不是計(jì)算機(jī)的設(shè)備，它不是PC系統(tǒng)，是一種應(yīng)用型的專用處理系統(tǒng)?？梢哉f，嵌入式技術(shù)是集軟硬件為一體，它的工作方式像PC的BIOS，軟件代碼小能夠自動(dòng)運(yùn)行，因此，具有自動(dòng)化和速度快等顯著特點(diǎn)，適用于多任務(wù)場(chǎng)景。嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是各種芯片的繼承，采用專用的操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以集成各種接口，是一體化設(shè)計(jì)的設(shè)備，這種設(shè)備具有體積小、功耗小、便于安置在各種環(huán)境等特點(diǎn)。由于視頻信息之間的傳遞是采用數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)的采集與服務(wù)器之間信號(hào)的傳輸通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，因而，不用進(jìn)行模擬線路的鋪設(shè)。嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

①可以應(yīng)用于廣泛的區(qū)域；②可建構(gòu)環(huán)境復(fù)雜的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；③性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。

三、嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控架構(gòu)

(一)終端編解碼

終端模塊需要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的各項(xiàng)功能，包括編解碼和信號(hào)傳輸、警告控制、攝像頭控制、字幕顯示，并能進(jìn)行各種參數(shù)的配置。例如，將編好的軟件嵌入到編碼器中，對(duì)編碼器的算法進(jìn)行優(yōu)化，所獲得的圖像質(zhì)量就會(huì)得到大幅度地提高，并可以適應(yīng)高達(dá)2Mbps的帶寬進(jìn)行傳輸。終端模塊由以下幾部分組成：

①調(diào)度模塊是總控部分，由它實(shí)現(xiàn)各功能模塊的調(diào)用，采用回調(diào)形式。當(dāng)調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)用功能時(shí)，調(diào)度模塊先發(fā)送通知信息，然后由回調(diào)模塊決定采用何種處理策略，這樣可以減少耦合性的發(fā)生；

②協(xié)議模塊主要負(fù)責(zé)服務(wù)器和終端的通信，是兩者相互聯(lián)系的橋梁，他們之間的通信采用TCP/IP協(xié)議，碼流則采用RTP/RTCP協(xié)議，由調(diào)度模塊發(fā)送至服務(wù)器；

③配置模塊主要負(fù)責(zé)參數(shù)的設(shè)置與生成；

④編解碼管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行編解碼，編解好的密碼再由調(diào)度模塊來負(fù)責(zé)上傳；

⑤串口管理提供通道，主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的攝像頭進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)采集；

⑥警告管理產(chǎn)生警告信息，調(diào)度模塊既可以使客戶端產(chǎn)生警告信息，還可以通過字幕模塊顯示警告信息；

⑦字幕模塊，根據(jù)視頻源端口的設(shè)備進(jìn)行字幕顯示，對(duì)編解碼信息加字幕、顯示時(shí)間及移動(dòng)警告字幕。

(二)多點(diǎn)控制單元（MCU）

由于服務(wù)器要和各功能單元進(jìn)行連接，要起到多點(diǎn)控制的功能。因此，服務(wù)器的軟件模塊就采用“多點(diǎn)控制單元”或MCU（Multipoint Control Unit）。例如，在大型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)中心服務(wù)器，因此需要他們之間產(chǎn)生級(jí)聯(lián)的關(guān)系，這樣就可以通過創(chuàng)建過個(gè)線程（上級(jí)MCU模塊、下級(jí)MCU模塊、監(jiān)控模塊、編解碼模塊、客戶端模塊等等）來處理相應(yīng)模塊的消息。MCU是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)信息指令的收發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)，信息處理量非常大。MCU可以同時(shí)允許多個(gè)用戶登陸，當(dāng)用戶集中登陸系統(tǒng)時(shí)，如采用單播方式會(huì)使得MCU超負(fù)荷運(yùn)作，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的收發(fā)延遲現(xiàn)象非常嚴(yán)重，同時(shí)路由器的鏈路也會(huì)嚴(yán)重?fù)p耗帶寬。為了解決這一問題，系統(tǒng)可以采用以組播方式建立網(wǎng)絡(luò)，使得MCU發(fā)出的信息可以同時(shí)讓多個(gè)客戶端共享，此外還可以增加一個(gè)組播組，當(dāng)多個(gè)用戶進(jìn)行相同操作時(shí)，只需要向組播組的地址發(fā)送一條指令就可以了，采用了這種方式可以有效節(jié)約大量帶寬。MCU采用的嵌入式硬件和操作系統(tǒng)可以保證其長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、安全地工作，極少出現(xiàn)故障，有效避免一些因?yàn)樵O(shè)備故障老化所帶來的安全隱患。

(三)用戶管理模塊（UM）

用戶管理模塊又稱UM模塊是整個(gè)系統(tǒng)中一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊，它主要是為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的用戶管理功能，這樣可以有效避免各模塊之間的相互影響，從而具有良好的耦合度。其可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶管理功能、設(shè)備管理功能、用戶操作權(quán)限管理功能、針對(duì)一組用戶（單位客戶）進(jìn)行管理、警告管理功能、日志管理功能等等。用戶管理模塊的信息存儲(chǔ)于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫之上，架構(gòu)在獨(dú)立的服務(wù)器之上，通過數(shù)據(jù)訪問技術(shù)（SQL Server）對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。當(dāng)用戶需要查詢數(shù)據(jù)時(shí)，MCU會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)用戶請(qǐng)求給用戶管理模塊，用戶管理模塊會(huì)調(diào)取相應(yīng)的結(jié)果再通過MCU轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。

(四)數(shù)字錄像服務(wù)器

數(shù)字錄像服務(wù)器是為了事后查詢而采用的設(shè)備，其主要有兩大功能：

①錄像功能。攝像頭將拍攝到的實(shí)時(shí)畫面以模擬信號(hào)傳至編碼器。編碼器對(duì)其按照預(yù)先設(shè)定好的幀數(shù)和分辨率將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并將數(shù)據(jù)壓縮成數(shù)字信號(hào)，再切分成數(shù)據(jù)包形式通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)到服務(wù)器。服務(wù)器接受到數(shù)據(jù)包后，直接傳送至錄像服務(wù)器。錄像服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)包之后，將其轉(zhuǎn)換成媒體數(shù)據(jù)，并寫成ASF文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)。

②點(diǎn)播功能。將ASF文件從數(shù)據(jù)庫之中讀取之后，將它轉(zhuǎn)換成RTP數(shù)據(jù)包，以數(shù)據(jù)包的形式通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器。服務(wù)器將數(shù)據(jù)包組合成多媒體數(shù)據(jù)，還是以幀數(shù)為的單位，發(fā)送到客戶端進(jìn)行解碼，再將其進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)據(jù)在顯示設(shè)備（電視墻、PC顯示器等）之上顯示。

(五)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與客戶端

客戶端界面為了方便用戶的操作，采用ActiveX設(shè)計(jì)成一個(gè)OCX對(duì)話框控件，并將這個(gè)對(duì)話框控件插入到網(wǎng)頁中，這個(gè)網(wǎng)頁就是嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的主頁面。用戶可以通過PC訪問這個(gè)網(wǎng)頁，通過與MCU的連接來瀏覽監(jiān)控畫面及控制攝像頭等操作。用戶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控時(shí)，所使用的瀏覽器平臺(tái)與服務(wù)器所運(yùn)行的嵌入式平臺(tái)相互獨(dú)立，從而可以方便實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的操作。因而，當(dāng)用戶瀏覽遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面時(shí)，不需借助任何其他的軟件，只需觀看瀏覽器的顯示畫面即可。

四、結(jié)語

建立在嵌入式編解碼器和嵌入式服務(wù)器基礎(chǔ)上的平臺(tái)，通過采用上述方式的架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的遠(yuǎn)程監(jiān)控效果。這種架構(gòu)方式的應(yīng)用面很廣，如在城市交通中的應(yīng)用，就是一個(gè)典型的例子。只需在各交通路段口安置一個(gè)攝像機(jī)，采用多倍自動(dòng)光圈和全方位主動(dòng)技術(shù)，利用嵌入式編碼器以互聯(lián)網(wǎng)的方式與監(jiān)控中心的嵌入式服務(wù)器相連。在監(jiān)控中心安置一臺(tái)大型的可以同時(shí)支持多達(dá)2000個(gè)編解碼器的嵌入式服務(wù)器，確保數(shù)據(jù)流暢的收發(fā)，同時(shí)再配置多臺(tái)數(shù)字錄像服務(wù)器，可以對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控的視頻畫面進(jìn)行錄像，以備后期的點(diǎn)播與取證之用。該系統(tǒng)可以實(shí)行24小時(shí)全天候不間斷的錄像。通過互聯(lián)網(wǎng)的連接，用戶可以對(duì)路況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過服務(wù)器的授權(quán)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控。

[1]陳文智.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理與實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[2]梁篤國(guó),等.網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[3]西剎子.安防天下——智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)詳解與實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[4]高滿囤,等.基于嵌入式Linux的視頻采集與傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程,2007(3).

[5]焦雙偉,喻金科.基于嵌入式Web服務(wù)器在控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011(8).

[6]曲建華等.網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在縣域城市交通管理中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2012(1).

[7]譚振江等.簡(jiǎn)易網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(3).

[8]胡宏玉.應(yīng)用流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦編程技巧與維護(hù),2011(2).