基于嵌入式WEB的視頻服務器的設計與實現(xiàn)

1.引言

視頻服務器一種對視音頻數(shù)據(jù)進行壓縮、存儲及處理的專用嵌入式設備，它在遠程監(jiān)控及視頻等方面都有廣泛的應用。視頻服務器采用MPEG4或MPEG2等壓縮格式，在符合技術指標的情況下對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，以滿足存儲和傳輸?shù)囊蟆ｋS著音視頻編碼技術的不斷發(fā)展和寬帶網絡技術的發(fā)展，視頻傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.104case.com/news/listbylabel/label/實現(xiàn)">實現(xiàn)變得更容易和成本更低，使得視頻傳輸?shù)男枨笕找嬖鲩L。基于嵌入式WEB的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸得到了人們的廣泛關注。

2. 基于嵌入式WEB技術的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)特征及原理

采用嵌入式實時操作系統(tǒng)和專用的硬件結構，無論是軟件還是硬件都保證了嵌入式網絡視頻服務器比基于PC機的系統(tǒng)具有更高的實時性、穩(wěn)定性和可靠性。本視頻服務器使用MPEG-4視頻壓縮技術，與MJPEG和H.263等壓縮方式比，具有壓縮比高、碼流小、圖像質量好等優(yōu)點，特別適合于Internet環(huán)境下的實時監(jiān)控，并且可以節(jié)省存儲空間。

本系統(tǒng)由攝像機、嵌入式WEB服務器、傳輸網絡和監(jiān)控端組成。攝像機用來采集監(jiān)控現(xiàn)場的視頻。嵌入式WEB服務器是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，有硬件和軟件兩個部分，詳細結構將在下面分別介紹。其主要功能包括：為監(jiān)控端提供WEB訪問頁面；對監(jiān)控端的訪問進行有效性、安全性檢查；響應監(jiān)控端的請求，為監(jiān)控端提供所需要的視頻圖像；接收監(jiān)控端的控制信息，經過軟硬件轉換后對攝像機進行控制。監(jiān)控系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖 1 嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

3. 嵌入式 WEB 服務器的硬件結構

嵌入式WEB服務器的硬件結構如圖2所示。其主要由CPU芯片、MPEG-4音視頻編碼芯片、Flash芯片、SDRAM內存、以太網絡接口、大容量硬盤組成。其中CPU采用MOTOROLA公司的PowerPC系列嵌入式通信處理器MPC8250。MPEG-4音視頻編碼芯片完成對從攝像頭傳送過來的視頻數(shù)據(jù)的壓縮和編碼。根據(jù)網絡帶寬、拓撲結構以及對圖像質量的要求，本系統(tǒng)選用基于MPEG-4標準的分層可擴展性編碼方案。壓縮后的視頻數(shù)據(jù)根據(jù)需要，可以存儲在大容量硬盤中，或者通過以太網進行網絡傳輸。為了實現(xiàn)視頻存儲功能，需要采用大容量的硬盤。

圖 2 嵌入式 WEB 服務器的硬件結構

4. 嵌入式 WEB 服務器的軟件系統(tǒng)

4.1 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件，是在系統(tǒng)實時性、硬件相關性、軟件固態(tài)化等方面有著突出特點的專用操作系統(tǒng)。

4.2 應用軟件

服務器的應用軟件結構如圖3所示。其主要由WEB服務器、CGI程序、嵌入式數(shù)據(jù)庫mSQL、視頻調度與傳輸模塊、存儲管理與調度模塊、攝像機控制模塊等幾個重要部分組成。

4.2.1 WEB服務器與CGI程序

WEB服務器通過HTTP協(xié)議與監(jiān)控端瀏覽器軟件進行信息交互，提供其他應用程序模塊的接口以及視頻數(shù)據(jù)瀏覽界面和攝像機控制界面。此外，它還要對監(jiān)控端的訪問權限進行控制，過濾監(jiān)控端的請求和控制信息，處理多個監(jiān)控端的請求和控制的同步和優(yōu)先級問題。WEB服務器通過調用CGI程序實現(xiàn)和瀏覽器的交互，也就是CGI程序接受瀏覽器發(fā)送給WEB服務器的信息，進行處理，將響應結果再回送給WEB服務器及瀏覽器。原則CGI程序可以用任何程序設計語言編寫，但是用C語言編寫的CGI程序具有執(zhí)行速度快、安全性高等特點。

　圖3 嵌入式 WEB 服務器的應用軟件結構

4.2.2嵌入式數(shù)據(jù)庫mSQL

在本系統(tǒng)中，用戶信息的存儲，用戶的登錄登出，視頻設備參數(shù)的存儲與查詢，視頻文件的存儲與查詢等，都需要一個嵌入式數(shù)據(jù)庫。綜合考慮，本系統(tǒng)使用mSQL（MiniSQL）作為本系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫。mSQL是一款優(yōu)秀的嵌入式數(shù)據(jù)庫，體系結構小巧，占用系統(tǒng)資源少，特別適合在嵌入式Linux系統(tǒng)中使用。

4.2.3視頻調度與傳輸模塊

視頻數(shù)據(jù)的傳輸一般采UDP網絡通訊協(xié)議，而采用UDP的IP傳送方式有點播、廣播和組播三種，其中組播是服務器只向特定的用戶組發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，組中的各用戶可以共享這一數(shù)據(jù)包，而組外的用戶卻無法接收到。本系統(tǒng)采用IP組播方式，采用組播技術的優(yōu)點有以下幾點：可以讓服務器承擔大量客戶端的視頻數(shù)據(jù)播送要求；由于數(shù)據(jù)包拷貝數(shù)量和發(fā)送目的地址少，大大減少了網絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量，從而保證較高的服務質量；減小了視頻數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膸捳加茫瑴p輕了服務器的負擔。

本系統(tǒng)采用的網絡傳輸協(xié)議使用RTP/UDP/IP模型。RTP協(xié)議是一種提供端對端的實時媒體傳輸服務的協(xié)議，由實時傳輸協(xié)議RTP和實時傳輸控制協(xié)議RTCP兩個部分組成。RTP/UDP/IP的方式兼顧了視頻傳輸?shù)膶崟r性與QoS保證。同時針對傳輸網絡狀況的不確定性，還可以采取一定的擁塞控制和差錯控制策略。

4.2.4存儲管理與調度模塊

存儲管理模塊的主要功能是將壓縮和編碼后的視頻信息根據(jù)一定的策略存儲至磁盤中特定的區(qū)域，將視頻文件信息存儲到嵌入式數(shù)據(jù)庫中，同時響應視頻調度與傳輸模塊的請求，按一定的磁盤調度策略和優(yōu)先級順序從磁盤中讀取視頻數(shù)據(jù)至內存緩沖區(qū)。本系統(tǒng)采用等長分組存儲策略，即將視頻信息按照時序關系分割成若干數(shù)據(jù)單元，這些數(shù)據(jù)單元稱作分組，將每個分組存儲于一個大小固定的存儲單元內。

4.2.5攝像機控制模塊

攝像機控制模塊主要實現(xiàn)對攝像機的控制。在監(jiān)控端，用戶通過瀏覽器向WEB服務器發(fā)送攝像機控制命令，該控制命令經WEB服務器接受和處理后，再通過CGI程序發(fā)送給攝像機控制模塊，然后被轉換成相應的對攝像機控制的硬件操作指令，從而實現(xiàn)對攝像機云臺鏡頭的遠程控制。

隨著社會的發(fā)展，人們對視頻服務器的設計不斷提出新的要求。當系統(tǒng)突然面對大量的客戶請求時，必須解決圖像、聲音數(shù)據(jù)流播放的高速、連續(xù)、可靠和同步的問題。這就要求視頻服務器在設計時采用一定的策略來改善這方面的性能。為了進一步提高視頻服務器的服務用戶數(shù)，節(jié)省視頻服務器的系統(tǒng)資源，可采用多播的方式把那些點播同一節(jié)目且具有相同（相近）路由的用戶統(tǒng)一進行服務。