梁伯虎?夏穎?張勁松

摘要：在打擊違法犯罪、維護(hù)社會(huì)公共安全、促進(jìn)社會(huì)和諧穩(wěn)定方面，視頻監(jiān)控系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用。因此，設(shè)計(jì)了一種基于Linux平臺的無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用V4L2架構(gòu)對攝像頭進(jìn)行圖像采集，移植x264編碼器對采集的圖像進(jìn)行編碼壓縮，使用Live555框架對編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行流化處理，最后通過RTSP實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議將視頻流發(fā)送出去。監(jiān)控端需要安裝特定的軟件，用來接收和解碼視頻流，這樣就可以監(jiān)測攝像頭采集的圖像。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的基本功能。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控；V4L2；x264；Live555

一、前言

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人身和財(cái)產(chǎn)安全變成了大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)也隨之出現(xiàn)在人們能接觸到的方方面面，比如出現(xiàn)在十字街口，為了確保交通安全；出現(xiàn)在學(xué)校，為了防止校園霸凌；出現(xiàn)在居民社區(qū)，為了維護(hù)社會(huì)公共安全[1]。因此，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在促進(jìn)社會(huì)和諧穩(wěn)定和打擊違法犯罪等方面發(fā)揮著不可替代的保障作用，它的地位也越來越重要，人們對它的需求也越來越高。針對這個(gè)趨勢，本文設(shè)計(jì)了一種基于Linux平臺的無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用V4L2架構(gòu)對攝像頭進(jìn)行圖像采集，移植x264編碼器對采集的圖像進(jìn)行編碼壓縮，使用Live555框架對編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行流化處理，最后通過RTSP實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議將視頻流發(fā)送出去。監(jiān)控端需要安裝特定的軟件，用來接收和解碼視頻流，這樣就可以監(jiān)測攝像頭采集的圖像。基本實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的功能。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案包括無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，如圖1。

對于硬件部分：主控芯片是系統(tǒng)的核心，控制著各個(gè)電路模塊的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，主控芯片的選擇決定著系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本文采用北京君正公司的X1000型號芯片，它的工作主頻相對較高，功耗相對較低，同時(shí)還擁有豐富的總線接口，比較適合系統(tǒng)的使用。首先搭建以主控芯片為主，電源、時(shí)鐘、復(fù)位和調(diào)試等基本電路模塊為輔的最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)的成功建立可以確保硬件平臺運(yùn)行的穩(wěn)定。然后根據(jù)系統(tǒng)的需要，添加攝像頭電路，負(fù)責(zé)圖像采集功能。

對于軟件部分：本文采用Linux系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺。它的可移植性和擴(kuò)展性都相對較好，如果后續(xù)有硬件電路的更新，軟件修改的代碼量相對較小。電腦端需要安裝Linux操作系統(tǒng)，提供交叉編譯環(huán)境。硬件開發(fā)板采用u-boot-2016.09（系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序）和kernel-4.4.93（系統(tǒng)內(nèi)核框架）的代碼版本。將u-boot和kernel的代碼，根據(jù)主控芯片的性能指標(biāo)進(jìn)行移植和裁剪。經(jīng)過充分的調(diào)試，確保硬件開發(fā)板可以穩(wěn)定的運(yùn)行。圖像采集端使用V4L2架構(gòu)，負(fù)責(zé)采集攝像頭的圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)首先被送到x264編碼器進(jìn)行編碼壓縮，然后被送到Live555模塊進(jìn)行流化處理，最后經(jīng)過RTSP實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議，通過WIFI模塊將視頻流發(fā)送出去，完成系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流從采集、處理到發(fā)送的全過程。監(jiān)控端通過安裝內(nèi)置RTSP協(xié)議的軟件，就可以監(jiān)測攝像頭采集到的圖像。

三、硬件設(shè)計(jì)

（一）主控芯片

本文主控芯片采用北京君正公司的X1000型號處理器。它的工作主頻在1GHz，可以使軟件模塊將視頻數(shù)據(jù)處理得相對較快，為視頻實(shí)時(shí)傳輸提供硬件基礎(chǔ)；它內(nèi)置有低功耗內(nèi)存，避免內(nèi)存電路的設(shè)計(jì)，可以極大縮短系統(tǒng)的研發(fā)時(shí)間和成本；它的功耗小于200mW，通過電源電路的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)用鋰電池供電，拓展了使用范圍；它還具有豐富的總線接口，可以擴(kuò)展攝像頭電路、Wi-Fi電路和存儲(chǔ)等其他電路。

（二）攝像頭電路

本文攝像頭采用Omni Vision公司的OV9712模組，如圖2。它是1/4英寸CMOS圖像傳感器，分辨率是1280×800，每秒鐘可以采集30幀圖像，有曝光控制、白平衡和缺陷像素消除等功能[2]。它的性能指標(biāo)比較適合在無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中使用。

按圖2電路圖連接好。根據(jù)上電時(shí)序，依次將VDD_IO（I/O電源），VDD_A（模擬電源），VDD_D（數(shù)字電源）和PWDN（電源開關(guān)）給電，軟件通過SIOC和SIOD（i2c總線接口）設(shè)置采集圖像的分辨率，對比度和白平衡等相關(guān)參數(shù)，同時(shí)給輸入時(shí)鐘MCLK合適的工作頻率，測量輸出時(shí)鐘PCLK，行時(shí)鐘同步信號HREF和幀時(shí)鐘同步信號VSYNC波形是否正確。最后，用V4L2模塊將D0-D7的8位圖像數(shù)據(jù)讀取，并且保存成文件，通過專門顯示原始圖像的軟件打開，驗(yàn)證是否是攝像頭拍攝的圖像，同時(shí)作為系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)。

（三）WIFI電路

本文Wi-Fi采用正點(diǎn)原子公司的ATK-MW8266D模塊，如圖3。它的傳輸速率是54Mbps，為視頻實(shí)時(shí)傳輸提供硬件基礎(chǔ)。

按圖3電路圖，將電源VDD，地GND，重啟RST，數(shù)據(jù)接收RXD和數(shù)據(jù)發(fā)送TXD與主控芯片連接好。通過電源電路給VDD提供3.3V電壓，WIFI模塊就可以正常工作。產(chǎn)商將WIFI相關(guān)操作封裝成AT命令，方便使用。只需要根據(jù)AT文檔提供的相關(guān)指令，就可以實(shí)現(xiàn)WIFI模塊的基本功能，比如配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，收發(fā)數(shù)據(jù)等。配置成功后，可以在監(jiān)控端安裝網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件Wireshark，驗(yàn)證來自圖像采集端發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性。為視頻數(shù)據(jù)的正確傳輸，提供硬件基礎(chǔ)。

（四）存儲(chǔ)電路

本文存儲(chǔ)芯片采用Giga Device公司的GD25LQ128C型號芯片，它是SPI串行總線接口的閃存芯片，如圖4。它的引腳數(shù)相對較少，僅有8個(gè)，簡化了電路的設(shè)計(jì)；芯片尺寸相對較小，減少了存儲(chǔ)電路的面積，在一定程度上，節(jié)約了研發(fā)成本。芯片支持四線的QPI收發(fā)模式，傳輸速率在240Mbit/s，為視頻實(shí)時(shí)傳輸提供硬件基礎(chǔ)。

將存儲(chǔ)芯片與主控芯片按圖4電路圖連接好。通過電源電路給VDD提供1.8V電壓，時(shí)鐘電路給CLK提供合適的工作時(shí)鐘，以及CS片選信號配置好，存儲(chǔ)芯片就可以正常工作。通過使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)讀寫和擦除指令，就可以在輸入和輸出接口引腳，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。利用存儲(chǔ)芯片的燒寫器將芯片里的數(shù)據(jù)讀取出來，和軟件編程寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證軟件對存儲(chǔ)芯片數(shù)據(jù)讀寫的正確性。為視頻數(shù)據(jù)的正確存儲(chǔ)，提供硬件基礎(chǔ)。

四、軟件設(shè)計(jì)

（一）V4L2模塊

V4L2（Video for linux2）作為無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻采集驅(qū)動(dòng)程序框架。根據(jù)攝像頭的工作原理，實(shí)現(xiàn)V4L2提供的底層結(jié)構(gòu)體接口v4l2_subdev， videobuf2和video_device等[3]。讀取攝像頭圖像數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用V4L2應(yīng)用層接口，簡要操作流程如下：

1.通過系統(tǒng)I/O函數(shù)open，打開攝像頭設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

2.通過結(jié)構(gòu)體v4l2_pix_format，設(shè)置采集圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型和采集圖像分辨率等參數(shù)。

3.通過ioctl函數(shù)中VIDIOC_STREAMON參數(shù)，開啟攝像頭的圖像采集。

4.通過結(jié)構(gòu)體v4l2_requestbuffers，來對采集圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。ioctl函數(shù)中VIDIOC_QBUF參數(shù)可以從采集圖像數(shù)據(jù)的隊(duì)列中取出buf，進(jìn)行圖像的后續(xù)操作；ioctl函數(shù)中VIDIOC_DQBUF參數(shù)可以將讀取后的buf，重新放回采集圖像數(shù)據(jù)的隊(duì)列中。循環(huán)往復(fù)，可以得到攝像頭連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)，供后續(xù)模塊使用。

5.通過ioctl函數(shù)中VIDIOC_STREAMOFF參數(shù)，停止攝像頭的圖像采集。

6.通過系統(tǒng)I/O函數(shù)close，關(guān)閉攝像頭設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

（二）x264模塊

如果直接將攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，圖片相對較大，對傳輸帶寬要求很苛刻。但是，如果提前將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就會(huì)相對較小。所以，引入x264，它是一個(gè)開源的H.264/MPEG-4 AVC視頻編碼函數(shù)庫，編碼速度相對較快，視頻數(shù)據(jù)的壓縮比也相對較高[4]。即使在網(wǎng)絡(luò)帶寬很差的情況下，依然可以正常傳輸圖像數(shù)據(jù)。簡要操作流程如下。

1.通過x264_param_default函數(shù)，給編碼器的參數(shù)設(shè)置初值。

2.通過x264_param_parse（）函數(shù)，解析自定義配置的命令行編碼器的相關(guān)參數(shù)。

3.通過x264_encoder_open函數(shù)，開啟編碼器，將編碼器的初值，寫入編碼器。

4.通過x264_encoder_encode函數(shù)，將V4L2采集的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型轉(zhuǎn)換，送到編碼器處理。編碼器可以輸出每幀編碼后的數(shù)據(jù)，供后續(xù)模塊繼續(xù)處理。

5.通過x264_encoder_close函數(shù)，關(guān)閉編碼器，并且打印相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息。

（三）Live555模塊

Live555的源代碼架構(gòu)設(shè)計(jì)簡潔，支持多種視頻編碼格式的流化、接收和處理[5]。簡要操作流程如下：

初始時(shí)，首先創(chuàng)建socket，綁定本地IP地址，將網(wǎng)絡(luò)端口設(shè)置為8554，監(jiān)聽連接請求事件。一旦播放端有socket連接請求時(shí)，第一時(shí)間響應(yīng)并且創(chuàng)建RTSP連接，并且將實(shí)例化的句柄加入哈希表中，供后續(xù)操作繼續(xù)使用。Live555流媒體服務(wù)器將x264編碼后的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行流化處理，根據(jù)RTP協(xié)議把視頻編碼數(shù)據(jù)打包成RTP包，自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊來完成對視頻數(shù)據(jù)發(fā)送速率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。當(dāng)收到播放端發(fā)送的DESCRIBE請求時(shí)，就會(huì)獲取到對應(yīng)的流媒體信息描述發(fā)送給播放端；當(dāng)收到播放端發(fā)送的SETUP請求時(shí)，就會(huì)建立新的數(shù)據(jù)Sink；當(dāng)收到播放端發(fā)送的PLAY請求時(shí)，使用Sink獲得RTP包。Sink不斷地向Source請求視頻數(shù)據(jù)，Source取得視頻數(shù)據(jù)后就調(diào)用回調(diào)函數(shù)，把視頻數(shù)據(jù)給Sink處理，Sink就將視頻數(shù)據(jù)源源不斷的發(fā)送給播放端。

五、結(jié)語

本文闡述了一種基于Linux平臺的無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：首先是硬件設(shè)計(jì)部分，分別從各個(gè)芯片的選型，到硬件電路的搭建和調(diào)試，確保硬件平臺可以穩(wěn)定的運(yùn)行；然后是軟件設(shè)計(jì)部分，視頻數(shù)據(jù)是V4L2架構(gòu)采集攝像頭的圖像數(shù)據(jù)，先被送到x264編碼器進(jìn)行編碼壓縮，接著被送到Live555框架進(jìn)行流化處理，最后通過RTSP實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議發(fā)送出去。監(jiān)控端需要安裝VLC視頻播放軟件，就可以監(jiān)測攝像頭采集的圖像。本系統(tǒng)采用Linux開發(fā)平臺，它的可移植性和擴(kuò)展性都相對較好。

參考文獻(xiàn)

[1]王英吉，周鳳新.基于社區(qū)警務(wù)的公安視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)研究[J].遼寧警察學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，24（02）：68-71.

[2]張寶龍，李丹，王靖云，等.基于OV9712的串行器解串器視頻編碼方案[J].液晶與顯示，2015，30（06）：965-971.

[3]陳二微.基于Linux V4L2子系統(tǒng)的ISP及Camera驅(qū)動(dòng)接口標(biāo)準(zhǔn)化方法及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2021，47（12）：26-27.

[4]王哲誠，葛萬成，吳曄.x264視頻編碼器中參數(shù)設(shè)置對編碼效率影響的研究[J].信息通信，2018（02）：40-42.