張 奔，李大明

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

在值班系統(tǒng)中對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控是必不可少的，值班人員能夠掌握監(jiān)控區(qū)域的實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面，通過(guò)視頻實(shí)時(shí)掌握區(qū)域動(dòng)向[1-3]。隨著計(jì)算機(jī)性能的提升，用計(jì)算機(jī)處理視頻信息和數(shù)字視頻傳輸已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。目前，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募夹g(shù)越來(lái)越成熟，網(wǎng)絡(luò)帶寬也越來(lái)越高，但是視頻的數(shù)據(jù)量一般都非常大，如果不通過(guò)任何壓縮技術(shù)傳遞視頻，會(huì)造成數(shù)據(jù)堵塞、延遲甚至丟失現(xiàn)象，視頻畫(huà)面會(huì)嚴(yán)重卡頓。因此，在傳遞視頻時(shí)對(duì)視頻圖像壓縮成為必然的環(huán)節(jié)。在諸多視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)中，MPEG-4以其高壓縮比和高性能備受人們的青睞，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的視頻傳輸。本文采用Divx編解碼器[4-6]對(duì)視頻進(jìn)行編碼、壓縮。Divx編碼后形成以幀為格式的MPEG-4流，Divx解碼也是以幀的格式解碼，通過(guò)Divx編解碼器有效地解決了由于網(wǎng)絡(luò)的局部不穩(wěn)定導(dǎo)致的視頻圖像重影、抖動(dòng)、花瓶，得到了良好質(zhì)量的視頻畫(huà)面。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 硬件環(huán)境

系統(tǒng)硬件設(shè)備由CCD攝像頭、采集卡、服務(wù)器、交換機(jī)和若干個(gè)客戶(hù)端席位組成，組成架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)支持5～10個(gè)客戶(hù)端席位，在服務(wù)器上安裝一個(gè)基于PCIe總線(xiàn)的采集卡，攝像頭通過(guò)AV線(xiàn)與采集卡相連，服務(wù)器采集到的視頻流經(jīng)過(guò)壓縮成為一個(gè)信息包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到客戶(hù)端，客戶(hù)端接收到信息包進(jìn)行解壓并實(shí)時(shí)顯示，從而得到清晰流暢的運(yùn)動(dòng)圖像。同時(shí)服務(wù)器端也可以實(shí)時(shí)顯示所采集的視頻。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.2 系統(tǒng)軟件

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵模塊

2.1 視頻采集

裝有視頻采集卡的服務(wù)端接收攝像頭拍攝的視頻圖像，服務(wù)端的軟件采用VFW技術(shù)對(duì)視頻圖像進(jìn)行捕獲，VFW是微軟公司推出的一款關(guān)于數(shù)字視頻的軟件開(kāi)發(fā)包，其優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)單直觀，能夠快速地運(yùn)用回調(diào)函數(shù)完成對(duì)視頻的實(shí)時(shí)捕獲并對(duì)視頻源進(jìn)行控制。在視頻捕獲前先創(chuàng)建一個(gè)視頻捕獲窗口，通過(guò)capDriverConnect()關(guān)聯(lián)捕獲視頻窗口到視頻驅(qū)動(dòng)程序上，對(duì)視頻捕獲參數(shù)和窗口顯示模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)capSetCallbackOnFrame()注冊(cè)回調(diào)函數(shù)，捕獲圖像到緩存并進(jìn)行相應(yīng)處理，完成捕獲。

2.2 視頻幀的組成

視頻采集的數(shù)據(jù)是位圖型式的視頻幀，發(fā)送前要對(duì)視頻幀進(jìn)行編碼，利用Divx編碼器壓縮以后形成以幀為格式的Mpeg4流。Divx解碼器也是以幀的格式解壓。為了在接收端能夠方便地提取出一幀，提出格式組建幀(見(jiàn)圖3)。

圖3 視頻幀格式

每個(gè)視頻幀由5個(gè)字段組成，各個(gè)字段的描述如下：第1個(gè)字段為占用4個(gè)字節(jié)的幀開(kāi)始標(biāo)志，標(biāo)志著一幀的開(kāi)始；第2個(gè)字段為占用4個(gè)字節(jié)的幀大小，表示整個(gè)幀的大小；第3個(gè)字段為占用4個(gè)字節(jié)的幀編號(hào)，表示幀的順序編號(hào)；第4個(gè)字段為占用1個(gè)字節(jié)的幀類(lèi)型，標(biāo)志此幀是否是關(guān)鍵幀；第5個(gè)字段為幀數(shù)據(jù)，存放壓縮后一幀的完整數(shù)據(jù)，大小不定，壓縮比越高，幀數(shù)據(jù)的大小越小。

2.3 視頻幀的發(fā)送和接收

為了保證接收端能夠及時(shí)接收到發(fā)送過(guò)來(lái)的視頻數(shù)據(jù)，在發(fā)送端專(zhuān)門(mén)創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)主線(xiàn)程循環(huán)地對(duì)采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。發(fā)送線(xiàn)程的工作流程如圖4所示。

圖4 發(fā)送線(xiàn)程工作流程

線(xiàn)程中發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是按照上一節(jié)中的方法組建好的數(shù)據(jù)幀。該方法能夠保證正在發(fā)送的當(dāng)前幀能夠完整地到達(dá)接收端。

注意此線(xiàn)程中剛開(kāi)始或者每當(dāng)發(fā)送完一幀以后，線(xiàn)程就轉(zhuǎn)到掛起狀態(tài)，等待外界喚醒。這個(gè)任務(wù)由回調(diào)函數(shù)完成，在回調(diào)函數(shù)中，判定如果發(fā)送線(xiàn)程準(zhǔn)備就緒(處于掛起狀態(tài))，則進(jìn)行圖像壓縮，然后喚醒線(xiàn)程發(fā)送壓縮完的數(shù)據(jù)，否則直接跳出，等待下一次調(diào)用回調(diào)函數(shù)。

接收端最重要的是從接收的數(shù)據(jù)流中提取出完整的一幀。該方法的思想是：首先從數(shù)據(jù)流中尋找?guī)_(kāi)始標(biāo)志，再?gòu)木o挨后面的數(shù)據(jù)中提取出幀的大小，然后從接收緩沖區(qū)中讀入該幀剩余的數(shù)據(jù)，最后尋找下一幀的開(kāi)始標(biāo)志，如此往復(fù)。接收端的工作流程如圖5所示。

圖5 接收端的工作流程

3 JNI技術(shù)[10]

3.1 JNI介紹

Java Native Interface(JNI)是Java語(yǔ)言的本地編程接口，是J2SDK的一部分，已經(jīng)被集成到標(biāo)準(zhǔn)Java平臺(tái)之中。在Java程序中，可以通過(guò)JNI實(shí)現(xiàn)一些用Java語(yǔ)言不便實(shí)現(xiàn)的功能。使用JNI提供的方法，Java代碼能夠直接與特定操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)中的本地共享二進(jìn)制庫(kù)進(jìn)行交互。這個(gè)交互過(guò)程發(fā)生在相同的Java虛擬機(jī)進(jìn)程之中。

將Java類(lèi)中聲明的類(lèi)型為“Native”的Java方法映像到共享二進(jìn)制庫(kù)中的相應(yīng)函數(shù)上，并且將這兩者加載到相同的進(jìn)程空間。JNI框架使得本地方法使用Java對(duì)象的方式和Java代碼使用這些對(duì)象相同。一個(gè)本地方法能夠創(chuàng)建Java對(duì)象，然后檢查并使用這些對(duì)象，也可以檢查并使用由Java應(yīng)用程序代碼創(chuàng)建的對(duì)象，甚至能夠修改它創(chuàng)建的或傳遞給它的Java對(duì)象。因此，本地語(yǔ)言和Java應(yīng)用程序都能創(chuàng)建、修改、訪(fǎng)問(wèn)Java對(duì)象，并在它們之間共享這些對(duì)象。本地方法也能夠很容易地調(diào)用Java方法、傳遞方法所需的參數(shù)并得到返回的結(jié)果。

3.2 JNI使用步驟

1)步驟1：在MyEclipse里建立一個(gè)包含Compressor類(lèi)的Java工程，該類(lèi)中包含了需要調(diào)用的本地化方法的描述。其中，本地化方法應(yīng)當(dāng)用native關(guān)鍵詞聲明。使用System.LoadLibrary()方法加載需要的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。代碼如下：

Package com.chnic.jni

Public class Compressor{

Static{

System.LoadLibrary(“DeCompressorEnd”)；

}

Public Compressor (){}

Public native void InitCompressor();

Public native void FillBitmapstruct();

Public native void UnInitCompressor();

Public native void UnCompress(byte[] in,int width,int heigh,byte[] out);

}

2)步驟2：將步驟1生成的源文件用Java類(lèi)編譯器編譯成二進(jìn)制字節(jié)碼文件，接下來(lái)要用javah方法來(lái)生成一個(gè)相對(duì)應(yīng)的.h頭文件。Javah是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為JNI生成頭文件的命令。CMD打開(kāi)控制臺(tái)之后輸入javah回車(chē)就能看到j(luò)avah的一些參數(shù)，在控制臺(tái)進(jìn)入到工程的根目錄之后，然后輸入命令：Javah-jni com.chnic.jni.Compressor。

命令執(zhí)行完之后，在工程的根目錄下就會(huì)發(fā)現(xiàn)com_chnic_jni_Compressor.h這個(gè)頭文件。

ifdef__cplusplus

extern "C" {

endif

/*

* Class: com_chnic_jni_Compressor

* Method: InitCompressor

* Signature: ()V

*/

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_chnic_jni_Compressor_InitCompressor

(JNIEnv *, jobject);

/*

* Class: com_chnic_jni_Compressor

* Method: FillBitmapStruct

* Signature: ()V

*/

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_chnic_jni_Compressor_FillBitmapStruct

(JNIEnv *, jobject);

/*

* Class: com_chnic_jni_Compressor

* Method: UnInitCompressor

* Signature: ()V

*/

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_chnic_jni_Compressor_UnInitCompressor

(JNIEnv *, jobject);

/*

* Class: com_chnic_jni_Compressor

* Method: Compress

* Signature: ([BI[B)V

*/

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_chnic_jni_Compressor_UnCompress

(JNIEnv *, jobject, jbyteArray, jint, jint,jintArray);

ifdef __cplusplus

}

endif

endif

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)在Windows 7平臺(tái)下服務(wù)器采集到的視頻數(shù)據(jù)壓縮之后以廣播方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，圖像大小為640*512的位圖，每秒采集25幀，壓縮比最大時(shí)為100，且延遲較小，用戶(hù)只需在客戶(hù)端登錄Web網(wǎng)頁(yè)即可查看到解壓后的視頻流。經(jīng)過(guò)比較，服務(wù)器上顯示的視頻和客戶(hù)端顯示的視頻基本相同，并且客戶(hù)端的視頻和服務(wù)器上的視頻基本同步，流暢性也較好。服務(wù)端和客戶(hù)端的視頻截圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 服務(wù)器顯示的視頻

圖7 客戶(hù)端顯示的視頻

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)實(shí)時(shí)視頻傳輸系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)做了較為詳細(xì)的描述，重點(diǎn)介紹了基于Divx的視頻編解碼技術(shù)、JNI技術(shù)以及基于B/S結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)傳輸顯示。試驗(yàn)表明，通過(guò)上述方法實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸能達(dá)到良好質(zhì)量的視頻畫(huà)面，滿(mǎn)足了視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊?，達(dá)到了預(yù)期的效果。