摘要：本文結(jié)合筆者多年實際工程經(jīng)驗，設(shè)計了一種基于嵌入式系統(tǒng)和3G無線網(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開源軟件，監(jiān)控視頻依靠3G無線網(wǎng)絡(luò)進行遠(yuǎn)程傳輸。實驗結(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線視頻監(jiān)控的需要。

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

中圖分類號：TN919.8 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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布控有線網(wǎng)絡(luò)或者干脆無法布控有線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場合如礦井油田，電力線路和交通工具等，傳統(tǒng)有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是無法適用的。目前為了解決這一問題，監(jiān)控領(lǐng)域研究的熱點和重點已經(jīng)轉(zhuǎn)移到對無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究上來。雖然基于無線局域網(wǎng)的視頻監(jiān)控方案能夠很好地解決有線視頻監(jiān)控攜帶不便的缺點，但依然擺脫不了在進行遠(yuǎn)程監(jiān)控時有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和傳輸距離的限制。在對視頻進行壓縮方面，廣泛使用的MPEG-4算法的壓縮率仍然不能適應(yīng)無線視頻監(jiān)控的要求。在這種情況下，筆者結(jié)合多年實際工程經(jīng)驗，提出一種基于3G無線網(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。通過采用具備更高壓縮率的H.264算法對視頻進行壓縮，大大降低了視頻幀的數(shù)據(jù)量，有效地解決了3G帶寬資源有限的問題，具備顯著的實際應(yīng)用價值。在可覆蓋性方面，采用3G無線網(wǎng)絡(luò)比無線局域網(wǎng)效果更好。

一、監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

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)控制指令對視頻進行采集編碼，然后將經(jīng)過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)上開發(fā)的一個高性能處理器，廣泛應(yīng)用于多媒體信息處理，其運行頻率高達667MHz。正是因為S3C6410具有如此優(yōu)越的性能，使用該處理器可以高效地實現(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

（一）搭建操作系統(tǒng)平臺

基本的嵌入式運行環(huán)境是由設(shè)備驅(qū)動程序，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)用廣泛的開源操作系統(tǒng)，Linux具備裁剪方便和可移植性強等優(yōu)點。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就可以了。本系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)是cramfs，作為一種簡單的，可壓縮的只讀文件系統(tǒng)，它能大大節(jié)省內(nèi)存空間，還能通過掛載yaffs文件系統(tǒng)實現(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)是一種跨平臺的計算機視覺庫，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驗室開發(fā)?？梢浦残詮姡€(wěn)定性高，開源高效是該視覺庫的顯著特點。因此采用Opencv進行視頻數(shù)據(jù)采集就能夠大大提高系統(tǒng)可靠性，節(jié)約開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。本系統(tǒng)使用Opencv采集到的視頻圖像都是RGB格式的，需要將其進行YUV格式的轉(zhuǎn)換，然后進行壓縮編碼。

（三）壓縮視頻數(shù)據(jù)

H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)是由MPEG（國際化標(biāo)準(zhǔn)組織運動圖像專家組）和VCEG（國際電信聯(lián)合會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，具備巨大的研究價值，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的開源解碼軟件，分別是中國的T264，法國的編解碼器x264和德國的測試軟件JM。通過對這三種編碼軟件進行比較，發(fā)現(xiàn)x264具備更高的實用性，能夠顯著降低編碼的重負(fù)計算復(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)平臺是嵌入式平臺，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3G網(wǎng)絡(luò)連接因特網(wǎng)實現(xiàn)的。實時傳輸網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)對于時延和傳輸丟包的要求比較高，因此需要通過配合使用實時傳輸協(xié)議（RTP）和實時傳輸控制協(xié)議（RTCP），以期同時提供Qos和實時傳輸數(shù)據(jù)服務(wù)。RTP作為一種實時傳輸協(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，在通過點播和組播實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的傳輸方面具有無可比擬的優(yōu)越性。視頻傳輸模塊的主要功能是封裝經(jīng)過H.264算法壓縮的視頻流為RPT數(shù)據(jù)包，并通過周期性地接受和發(fā)送RTCP包進行反饋控制。封裝單獨的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，以期實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。然后通過3G網(wǎng)將IP數(shù)據(jù)包傳送到接收端。IP數(shù)據(jù)包到達接收端之后，接收端提取IP數(shù)據(jù)包中的視頻流數(shù)據(jù)和RTP報頭，以RTP報頭含有的序列號為依據(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)膶崿F(xiàn)依賴于JRTPLIB庫，這是一個開源的面向?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該庫提供的相應(yīng)借口實現(xiàn)，能夠大大縮短開發(fā)周期。下載JRTPLIB3.4.0代碼，然后將其移植到Linux上，即可編碼實現(xiàn)PC機和ARM之間的視頻數(shù)據(jù)傳輸。主要實現(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

本文進行的實驗是在三星公司的S3C6410開發(fā)板上進行的，將應(yīng)用程序燒寫進開發(fā)板并運行，開發(fā)監(jiān)控終端測試是在遠(yuǎn)程PC機上的Visual C平臺上完成的，程序運行結(jié)果良好。

在實際應(yīng)用中，通過測試不同格式圖像的實際傳輸幀速，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到19FPS上下，實驗結(jié)果滿足視頻監(jiān)控的實際應(yīng)用需求。

四、結(jié)論

本文設(shè)計了一個基于3G無線網(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，以對采集到的視頻數(shù)據(jù)進行控制，實現(xiàn)H.264編碼，最后在3G網(wǎng)絡(luò)中采用RTP協(xié)議實現(xiàn)H.264視頻流的穩(wěn)定和實時傳輸。經(jīng)過實驗測試，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，移動平臺和電力線路等多個應(yīng)用領(lǐng)域，市場前景廣闊，具備較大應(yīng)用價值。

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