摘要：提出了一種以嵌入式微處理器S3C6410為核心，利用Qt4構(gòu)建應(yīng)用軟件平臺(tái)，采用MPEG-4協(xié)議壓縮視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；簡(jiǎn)要分析了系統(tǒng)功能需求，確定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案；按照模塊化的思想，設(shè)計(jì)了各個(gè)功能模塊；分析MPEG-4視頻編碼基本方法，敘述了在軟件上實(shí)現(xiàn)MPEG-4編解碼的實(shí)現(xiàn)方法；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明客戶端圖像清晰，服務(wù)器穩(wěn)定運(yùn)行，基本滿足實(shí)時(shí)性的要求。本設(shè)計(jì)方法靈活，成本較低，易擴(kuò)展，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：S3C6410；Qt4；MPEG-4；視頻監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）02-0383-03

隨著嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字化視頻的流媒體技術(shù)的應(yīng)用也日益普及。因此本文嘗試設(shè)計(jì)一款基于通用嵌入式平臺(tái)、價(jià)格較為低廉、采用有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以應(yīng)用于一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。

該網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)為C/S模式，由客戶端和服務(wù)器端構(gòu)成，需要進(jìn)行監(jiān)控視頻圖像的客戶端向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器將視頻圖像處理后發(fā)送給客戶端，通過(guò)安全可靠的傳輸，最后視頻圖像在客戶端進(jìn)行解碼顯示。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于S3C6410為核心的硬件平臺(tái)和嵌入式Linux的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該體系由兩大部分組成。以ARM處理器的嵌入式Linux平臺(tái)作為服務(wù)器端，主要完成圖像采集、視頻編碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?；以S3C6410處理器為核心的嵌入式Linux平臺(tái)作為客戶端，主要完成網(wǎng)絡(luò)接收、圖像實(shí)時(shí)播放、系統(tǒng)控制等功能。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖Dl所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[1]

IP Camera的硬件電路主要包括ARM處理器（S3C6410）、1GB的NandFlash（K9K8G08U0B）和256MB的DDR RAM（K4X1G163PE）、外設(shè)接口等。其中，外設(shè)接口部分包括RS232串口、JTAG口、USB口、LCD接口、以太網(wǎng)口（DM9000）等。在本系統(tǒng)中視頻采集模塊采用USB接口與S3C6410進(jìn)行通信，USB接口接收視頻采集模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)壓縮后，通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送。

客戶端與服務(wù)器端相比，少了一個(gè)USB攝像頭模塊，增加了TF卡接口。其中TF卡接口用于存儲(chǔ)圖像抓拍和視頻錄制的數(shù)據(jù)，從而滿足用戶圖像和視頻回放的要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由服務(wù)器和客戶端兩部分應(yīng)用軟件構(gòu)成。由于各功能模塊的對(duì)稱性，同時(shí)按照面對(duì)對(duì)象的程序設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了TCP服務(wù)器與客戶類、控制命令協(xié)議類，外設(shè)接口類，視頻采集類，Xvid編解碼類，幀緩沖隊(duì)列類，視頻幀顯示類。其系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)模型圖

3.1 TCP服務(wù)器及客戶端程序

TCP協(xié)議的程序使用的是C/S模式，在Qt4中提供了QTcpSocket類來(lái)編寫客戶端程序，使用QTcpServer類編寫服務(wù)器端程序。在服務(wù)器端進(jìn)行端口的監(jiān)聽(tīng)，一旦發(fā)現(xiàn)客戶端的連接請(qǐng)求，就會(huì)發(fā)出newConnection（）信號(hào)，關(guān)聯(lián)這個(gè)信號(hào)到數(shù)據(jù)發(fā)送的槽函數(shù)。在客戶端，一旦有數(shù)據(jù)到來(lái)就會(huì)發(fā)出readyRead（）信號(hào)，關(guān)聯(lián)此信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。

3.2 控制命令協(xié)議

在本系統(tǒng)中，主要通信對(duì)象為視頻數(shù)據(jù)，除此而外還有一些不同類型的控制數(shù)據(jù)需要處理，所以提出一種較為簡(jiǎn)單的控制命令通信協(xié)議，其具體結(jié)構(gòu)表1所示。

表1 應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)控制命令通信協(xié)議

[描述＼&所占字節(jié)＼&協(xié)議內(nèi)容＼&協(xié)議頭＼&4（int）＼&幀長(zhǎng)度＼&4（int）＼&類型碼＼&數(shù)據(jù)＼&n＼&幀內(nèi)容＼&]

3.3 視頻采集

本系統(tǒng)中服務(wù)器通過(guò)基于ZC301的USB攝像頭，利用Linux系統(tǒng)的視頻內(nèi)核V4L2（video 4 linux 2），實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)圖像的采集[2]。V4L2支持內(nèi)存映射方式（mmap）和直接讀取方式（read）來(lái)采集數(shù)據(jù)，前者一般用于連續(xù)視頻數(shù)據(jù)的采集，后者常用于靜態(tài)圖片數(shù)據(jù)的采集，因此本設(shè)計(jì)采用了內(nèi)存映射方式的視頻采集。

3.4 Xvid編解碼

本系統(tǒng)采用基于MPEG-4的編碼壓縮。MPEG-4在嵌入式系統(tǒng)上有兩種實(shí)現(xiàn)辦法，一種使用專用的MPEG-4編碼芯片，另一種通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。由于Linux系統(tǒng)下軟件的通用性較好，因此本設(shè)計(jì)選用軟件實(shí)現(xiàn)[3]。

3.5 幀緩沖隊(duì)列

本次設(shè)計(jì)中，TCP客戶端模塊與顯示模塊各自運(yùn)行在獨(dú)立線程。TCP客戶端線程完成一次圖像接收后將圖像原始數(shù)據(jù)放入共享緩沖隊(duì)列內(nèi)，接著進(jìn)行下面的數(shù)據(jù)接收；視頻顯示線程在此時(shí)可以得到調(diào)度，從共享內(nèi)存空間內(nèi)將已經(jīng)采得的上一幀視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，這就實(shí)現(xiàn)了視頻接收的同時(shí)進(jìn)行視頻的顯示，對(duì)于單線程的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是不可能的，因此系統(tǒng)采用了多線程技術(shù)（在一定程度上提高了系統(tǒng)的性能）。當(dāng)客戶端線程再次接收一副圖像后會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，二者之間如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)視頻圖像的連續(xù)播放，直至系統(tǒng)停止或者被阻塞。在代碼實(shí)現(xiàn)上，程序采用系統(tǒng)提供的線程同步接口，即信號(hào)量和互斥鎖。

3.6 視頻幀顯示

1）YUV至RGB轉(zhuǎn)換的代碼實(shí)現(xiàn)

由于，從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)玫讲⒔獯a的是YUV格式的原始視頻幀，不能直接播放，還需要先進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換。針對(duì)需要的輸入輸出格式，通過(guò)convert_yuv_to_rgb_pixel（int y， int u， int v）函數(shù)實(shí)現(xiàn)YUV轉(zhuǎn)換為RGB格式。

2）顯示RGB圖像至監(jiān)視屏

在顯示模塊中，使用QImage類的成員方法loadFromData（m_pFrameDataRGB，

m_iFrameSizeRGB）保存RGB圖像數(shù)據(jù)，再通過(guò)setPixmap類的成員方法setPixmap（QPixmap：：

fromImage（*m_pImage，Qt：：AutoColor））顯示一幀圖像到QLabel顯示控件上。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

1）服務(wù)器測(cè)試

服務(wù)器的Qt程序啟動(dòng)成功后，直接啟動(dòng)服務(wù)器，觀察ServerStatus窗口狀態(tài)，OK代表操作成功。測(cè)試系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為6個(gè)小時(shí)，期間無(wú)異?，F(xiàn)象發(fā)生，運(yùn)行良好。

2）客戶端測(cè)試

完成局部性能測(cè)試后，對(duì)服務(wù)器與客戶端進(jìn)行整體的監(jiān)控測(cè)試。將服務(wù)器與客戶機(jī)均投入運(yùn)行，進(jìn)行多方網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定良好，畫面清晰，圖像較為流暢。如圖3所示，客戶機(jī)對(duì)2個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行監(jiān)控的運(yùn)行結(jié)果，每個(gè)場(chǎng)景均由一個(gè)服務(wù)器負(fù)責(zé)前端的視頻采集與發(fā)送。從中可以看出訪問(wèn)的采集服務(wù)器一個(gè)IP地址為192.168.1.230，另一個(gè)為192.168.1.231，分別是Camera A和Camera B。需要說(shuō)明的是，圖中4個(gè)監(jiān)控窗口都是從左上角的主窗口臨時(shí)創(chuàng)建出來(lái)，也可以隨時(shí)關(guān)閉，也就是說(shuō)監(jiān)控程序支持同時(shí)訪問(wèn)不同服務(wù)器；而上下2個(gè)監(jiān)控圖像都是一樣的則成功驗(yàn)證了服務(wù)器支持多客戶端的并發(fā)訪問(wèn)，因?yàn)椴杉?wù)器是多線程的軟件架構(gòu)。最后，左下角是System Monitor是Linux系統(tǒng)的工具，非本設(shè)計(jì)的部分，主要是從中觀察網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)測(cè)4個(gè)通道的瞬時(shí)速率為138kbps左右。

圖3 客戶機(jī)運(yùn)行界面

3）系統(tǒng)分析

從測(cè)試結(jié)果可以分析出，目前系統(tǒng)的主要瓶頸在于圖像采集速度，全速狀態(tài)下，每秒鐘至多只能采集4幀。如果圖像采集速度提升的話，未經(jīng)過(guò)壓縮就傳輸，網(wǎng)絡(luò)帶寬也不能滿足要求，可以計(jì)算分辨率為320*240，BPP值為16的原始數(shù)據(jù)圖像，其所占用的存儲(chǔ)空間為1.17Mbit，這樣的圖像數(shù)據(jù)在10Mbps以太網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行傳輸，理想情況下每秒鐘至多傳送8幅圖，但實(shí)際情況網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)不到10Mbps。如果采用MPEG-4對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，按平均壓縮比為100：1來(lái)算，每秒鐘傳送12幅圖片只需要144kbps的帶寬，另外網(wǎng)絡(luò)帶寬提高到100 Mbps，則網(wǎng)絡(luò)帶寬便不再是問(wèn)題。但是，實(shí)測(cè)表明，此時(shí)系統(tǒng)瓶頸會(huì)轉(zhuǎn)移到CPU上來(lái)，因?yàn)镾3C6410的最高主頻只有500MHz，而且沒(méi)有采用硬件編碼，因此MPEG-4軟編碼速度很慢，進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)壓縮和內(nèi)存拷貝再進(jìn)行圖像傳輸，效果也是得不償失。

5 結(jié)束語(yǔ)

該文提出了一套基于S3C6410平臺(tái)和Linux系統(tǒng)的嵌入式Qt4圖像采集、傳輸及控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，并給出了測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)很好的完成了圖像采集和傳輸，客戶端圖像清晰，服務(wù)器穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生斷開(kāi)或退出的現(xiàn)象。該系統(tǒng)可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，比如使用主頻速度更高的ARM處理器，例如S5PV210，或配合經(jīng)過(guò)ARM指令優(yōu)化的 MPEG-4軟件編碼庫(kù)，壓縮幀速一般可以達(dá)到20fps，還可以采用專用的MPEG-4編解碼芯片對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，既可以解決網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，又可以解決CPU處理能力的限制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳友榮，楊海波，程菊花，等.基于Linux的無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)有線電視，2010，（9）：1047-1052.

[2] 楊經(jīng)緯. 嵌入式無(wú)線IPCamera設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[3] 陳錟，盛向治，單寶松.基于MPEG-4的無(wú)線視頻傳輸方案的研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2007，24（11）：281-282，288.

[4] 姚繼鋒，尹欣，吳瞻，等.Linux 應(yīng)用實(shí)例與技巧[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[5] 范金剛.智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

[6] 孫弋.ARM-Linux嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[7] 劉崢嶸，張智超，許振山著.嵌入式 Linux 應(yīng)用開(kāi)發(fā)詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.