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基于HHARM2410嵌入式開發(fā)套件實現(xiàn)多輸入H.264視頻服務器的設(shè)計

電子設(shè)計 ? 來源:微計算機信息 ? 作者:劉喜龍,石中鎖 ? 2020-03-03 08:03 ? 次閱讀

1 引言

隨著計算機網(wǎng)絡和視頻壓縮技術(shù)的快速發(fā)展,多媒體技術(shù)的研究和應用受到了越來越多的重視,其中視頻服務器的發(fā)展尤為迅速,特別是嵌入式視頻服務器。

由于具有體積小,安裝靈活的特點,只要能接入到Internet, 它就可以為任何授權(quán)的用戶提供實時的視頻監(jiān)控服務,避免了鋪設(shè)專門線路進行視頻信號傳輸?shù)陌嘿F費用。

嵌入式視頻服務器是一種能提供視頻采集,視頻數(shù)據(jù)壓縮,網(wǎng)絡傳輸功能的一種多媒體信息服務器。其傳輸處理的是視頻流,而視頻傳輸具有實時性高、數(shù)據(jù)量大等特點,它需要滿足以下三點要求:一:高帶寬,高帶寬保證大數(shù)據(jù)量的多媒體數(shù)據(jù)傳輸效率;二:支持QoS,保證傳輸?shù)馁|(zhì)量、資源預留;三:支持多種傳輸方式。由于嵌入式環(huán)境資源的限制,在視頻數(shù)據(jù)的實時性傳輸和圖象質(zhì)量方面,其QoS一直得不到保證。特別是多路的情況,實時視頻的傳輸質(zhì)量隨路數(shù)的增加會急劇下降。嵌入式視頻服務器性能的瓶頸主要在于視頻數(shù)據(jù)的傳輸上,因此縮短視頻數(shù)據(jù)的傳輸時間就能提高視頻服務器的性能??s減視頻數(shù)據(jù)的傳輸時間可以從兩個方面入手:一:減少視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘?。主要通過采用高性能的壓縮編碼技術(shù)來減少傳輸?shù)男畔⒘俊6翰捎眠m合多媒體數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議??紤]到嵌入式的系統(tǒng)資源及其寶貴,故我們選用了目前編碼效率最高的H.264技術(shù)和專門為傳輸多媒體數(shù)據(jù)的RTP傳輸協(xié)議設(shè)計了本文這套系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明,該嵌入式視頻服務器在不影響圖象質(zhì)量的前提下,能夠比以往的視頻服務器占用更低的帶寬。

2 、系統(tǒng)的硬件組成

我們在設(shè)計中采用了HHARM2410嵌入式開發(fā)套件,它由核心板和底板組成,核心板上集成Samsung S3C2410 處理器(203M 的主頻,100M的總線速度),64M SDRAM以及16M 的FLASH。底板上提供以下外設(shè)接口:一個四線RS-232 串口,一個USB HOST接口,一個10M/100M自適應以太網(wǎng)接口,一個TFT LCD接口, 一個觸摸屏接口。操作系統(tǒng)采用裁減過的嵌入式Linux。該嵌入式視頻服務器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

基于HHARM2410嵌入式開發(fā)套件實現(xiàn)多輸入H.264視頻服務器的設(shè)計

圖1 嵌入式視頻服務器硬件組成

應用程序通過編碼器模塊采集H.264視頻流,按照RTP協(xié)議實時打包,并通過以太網(wǎng)接口 實現(xiàn)實時流傳輸( IP Streaming) 。另外還可以擴充一塊802. 11b /g無線模塊,來達到無線網(wǎng)絡傳輸?shù)哪康模⒖赏ㄟ^IDE接口擴充一塊IDE硬盤作為本地H.264視頻圖像存儲之用。

3 、服務器軟件設(shè)計

服務器是整個系統(tǒng)的核心,它工作在嵌入式Linux平臺上,嵌入式Linux是標準Linux經(jīng)裁減得到的,同Linux一樣,具有穩(wěn)定,安全,高效率,實時性好等優(yōu)點。服務器端采用模塊化設(shè)計,從功能角度,服務器端的軟件體系結(jié)構(gòu)可劃分為5個模塊:采集模塊,編碼模塊,網(wǎng)絡傳輸模塊,存儲模塊,設(shè)備控制模塊。其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示:

基于HHARM2410嵌入式開發(fā)套件實現(xiàn)多輸入H.264視頻服務器的設(shè)計

圖2 服務器軟件體系結(jié)構(gòu)圖

(1)采集模塊,主要完成視頻的采集,圖像格式的轉(zhuǎn)換,在此處設(shè)定采集的圖像格式為YUV。采用Linux的v4l來實現(xiàn),v4l是Linux中提供的一個音視頻接口規(guī)范,所有的音視頻設(shè)備的驅(qū)動編寫要用到這些接口。

(2)編碼模塊,主要完成對采集的圖像的壓縮編碼。對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行壓縮可以有兩種方案,一種是用硬件來壓縮,它可以有專用系統(tǒng)和通用系統(tǒng)兩種形式,其中,專用系統(tǒng)使用專用芯片實現(xiàn)圖像的硬件壓縮,通用系統(tǒng)則利用通用芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。相對于通用系統(tǒng),用專用芯片對圖像用硬件進行壓縮可以快速進行圖象壓縮,減少處理器的開銷等點。第二種壓縮方法就是用軟件來實現(xiàn),這種方法對機器的硬件配置要求較高,但運用起來靈活,考慮到現(xiàn)在硬件技術(shù)已經(jīng)比較成熟,故我們采用第二種方案,對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行軟壓縮,此處利用H.264標準進行壓縮。H.264壓縮標準是一種新的編碼方法。與其他壓縮編碼方式比較,利用H.264標準可以獲得更高的壓縮比及更好的圖象質(zhì)量。H.264編碼器都是開源的,可以從網(wǎng)上下載,此處用的是t264,對采集到的YUV格式的數(shù)據(jù)進行逐幀壓縮。

(3)網(wǎng)絡傳輸模塊,完成現(xiàn)場多媒體數(shù)據(jù)及歷史多媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡的傳輸,用于支持瀏覽端的現(xiàn)場預覽和記錄回放功能。其基本過程是碼流經(jīng)碼率控制部分進行碼率調(diào)整,然后由RTP組件傳送到網(wǎng)絡中。傳輸啟動之初,組播控制器根據(jù)多用戶代理提供瀏覽端的組播策略來協(xié)商組播策略;傳輸過程中,RTCP組件實時監(jiān)測網(wǎng)絡狀況并反饋給決策控制器,決策控制器控制分離器、視頻抽幀器和碼流復合器組件,完成碼流的動態(tài)整合。其傳輸體系結(jié)構(gòu)如圖3所示:

基于HHARM2410嵌入式開發(fā)套件實現(xiàn)多輸入H.264視頻服務器的設(shè)計

圖3視頻流傳輸體系結(jié)構(gòu)

(4)存儲模塊,多個攝像頭采集的多路視頻數(shù)據(jù)經(jīng)編碼壓縮后形成復合媒體流,通過存儲組件,存為H.264文件,同時向數(shù)據(jù)庫中寫相應的文件信息。

(5)設(shè)備控制模塊,設(shè)備控制器接收用戶界面發(fā)出的或網(wǎng)絡傳送來的控制命令,控制解碼器,完成對云臺、鏡頭等設(shè)備的控制。

4 、客戶端軟件設(shè)計

客戶端主要完成視頻數(shù)據(jù)的接收,解碼和顯示工作,同時還可以動態(tài)設(shè)置編碼器的數(shù)。從功能角度,客戶端的軟件體系結(jié)構(gòu)可劃分為3個模塊:設(shè)備控制模塊,網(wǎng)絡的接收與反饋模塊,顯示模塊。其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示:

(1)設(shè)備控制模塊,根據(jù)用戶輸入的命令((例如改變視頻窗口大小、接收路數(shù),圖象分辨率、開始/停止遠程監(jiān)控等), 產(chǎn)生控制命令并通過一個TCP連接發(fā)送到服務器端,服務器端設(shè)備控制器接收這些控制命令,并完成對云臺、鏡頭等設(shè)備的遠程控制。

(2)網(wǎng)絡的接收與反饋部分,根據(jù)用戶的基本帶寬情況(局域網(wǎng)還是非局域網(wǎng))及請求的任務類型(現(xiàn)場預覽還是歷史回放),確定該接收碼流是否基于組播策略接收。RTP組件完成碼流的接收,RTCP組件檢測碼流的丟包率并反饋給服務器端。

基于HHARM2410嵌入式開發(fā)套件實現(xiàn)多輸入H.264視頻服務器的設(shè)計

圖4 客戶端軟件體系結(jié)構(gòu)

(3)顯示模塊,同步源過濾器從RTP組件得到碼流,在控制器的協(xié)調(diào)下,完成解碼及同步的視頻播放。此處我們采用的是Microsoft DirectShow[6]架構(gòu)來完成H.264 碼流的實時解碼和圖像顯示工作。

試驗證明,對于包含有視頻服務器、多監(jiān)控客戶中心的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng),上述網(wǎng)絡傳輸部分能夠很好地完成視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸,網(wǎng)絡自適應能力良好。

5 、結(jié)束語

本文創(chuàng)新點是提出了一種多路嵌入式H.264視頻服務器的設(shè)計方案,并給出了系統(tǒng)硬件組成和軟件的體系結(jié)構(gòu)框架,該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的Motion2JPG和MPEG21相比,采用H.264標準壓縮圖像,降低了帶寬占用率。對于四路QCIF和一路D1分辨率的高清晰度實時視頻監(jiān)控,只需占用65K和250K的網(wǎng)絡帶寬即可滿足傳輸需求。

責任編輯:gt


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