基于ARM11的無線視頻監控系統設計與實現

　　圖3 H264 編碼流程框圖。

　　4 視頻數據的傳輸和顯示

　　4.1 視頻數據傳輸模塊設計

　　現代無線通信網絡標準主要有3G(第三代移動通信)，WI-FI，Bluetooth，Zigbee(紫蜂)等，具體詳見表1.

　　表1 常用無線通信網絡標準的基本比較

　　由于WI-FI 具有傳輸率高，支持的協議多，安裝及設置簡單，成本低等優點，所以本系統采用的無線網絡標準是WI-FI.

　　4.1.1 WI-FI 無線網絡搭建過程

　　(1)加載WI-FI 模塊。通過insmod 命令加載，這里需要加載2 個文件helper_sd.bin、sd8686.bin，這2 個文件可以從Marvel 官方網站下載。

　　(2)搜索WI-FI 網絡。先用ifconfig eth1 up 命令把WI-FI 網絡接口卡打開，然后用iwlist eth1 scanning命令搜索WIFI 網絡。

　　(3)設置eth1 的ip 地址和子網掩碼。

　　(4)設置ESSID.通過iwconfig eth1 essid 402命令實現的，ESSID 用來區分不同的網絡。

　　(5)設置密碼。通過iwconfig eth1 key s:your_key命令實現的，其中your_key 就是登陸密碼。

　　4.1.2 基于RTP 協議的視頻數據傳輸

　　RTP 是實時傳送協議( Real-time TransportProtocol)的縮寫，代表一個網絡傳輸的協議，為音頻、視頻上傳中的常用協議[5].RTCP 和RTP 一起提供流量控制和擁塞控制服務，它們能以有效反饋和最小開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送實時的數據，所以采用該協議傳輸視頻數據。

　　本系統采用開源代碼Jrtplib 提供的RTP 協議棧，由于Jrtplib 對RFC3550 的實現進行了封裝，使得傳輸視頻數據更加簡單。由于本系統的網絡最大有效載荷為1500 字節，因此設置RTP 包大小的上限為1400 字節，如果發送的數據大于1400 字節，則采用拆包的方法再發送，具體傳輸過程如圖4 和圖5 所示。

　　圖4 發送端流程框圖。

　　圖5 接收端流程框圖。

　　發送端主要過程如下：

　　(1)創建RTP 會話并設置目標地址。調用Create方法得到RTP 會話實例，然后調用AddDestination 方法設置目標IP 以及目標端口號。

　　(2)獲得數據，調用Get_Data()函數得到。

　　(3)發送數據，通過SendPacket()方法實現。

　　接收端主要過程如下：

　　(1)創建RTP 會話。調用Create 方法來創建一個會話實例，并且在創建會話的同時設置端口號，要與發送端的端口號保持一致。

　　(2)接受RTP 數據。調用RTPSession 類的PollData()方法接收數據。

　　(3)保存RTP 數據報。通過創建了一個指針數組，里面存放的是RTP 數據報的指針，只要將剛接收到RTP 數據報的指針賦給這個指針數組即可，這樣可以節省數據拷貝的時間。

　　(4)判斷是否接收完成，如果沒有，則跳轉到第b 步，否則接收端程序退出。

　　4.2 視頻數據的解碼和顯示

　　由于接收到的數據是經H264 編碼的數據，因此，先要對該數據進行解碼，然后才能顯示。而在服務器端，對視頻數據解碼用到FFmpeg.FFmpeg 是一個開源免費跨平臺的視頻和音頻流方案，屬于自由軟件。

　　解碼時主要涉及FFmpeg 下的libavcodec 庫、libswscale庫和libavformat 庫，其中第一個庫是一個包含了所有FFmpeg 音視頻編解碼器的庫，第二個庫是格式轉化庫，因為解碼后的數據是YUV420 格式，而要在計算機上顯示該數據，則需要的是RGB 格式的，該庫功能就是把YUV420 格式轉化成RGB 格式，第三個庫是一個包含了所有的普通音視格式的解析器和產生器的庫。

　　4.2.1 初始化解碼線程

　　(1) 注冊全部的文件格式和編解碼器，調用av_register_all()函數完成注冊。

　　(2) 設置AVFormatContext 結構體。該結構體是FFmpeg 格式轉換過程中實現輸入和輸出功能，保存相關數據的主要結構，通過av_open_input_file 函數設置該結構體。

　　(3)檢查視頻流的信息，通過調用av_find_stream_info(pFormatCtx)函數，pFormatCtx-》streams 就填充了正確的視頻流信息，pFormatCtx 類型是AVFormatContext.

　　(4) 得到編解碼器上下文，pCodecCtx= pFormatCtx -》 streams[videoStream]-》codec，pCodecCtx 指針指向了流中所使用的關于編解碼器的所有信息。

　　(5) 打開解碼器，先通過avcodec_find_decoder 函數找到相應解碼器，然后調用avcodec_open 函數打開解碼器。

　　(6) 申請內存用來存放解碼數據， 通過調用avcodec_alloc_frame 函數實現，由于解碼的數據是YUV420 格式的，因此還需要將該數據轉換成RGB 格式，因此，再次調用avcodec_alloc_frame 申請內存用來存放RGB 格式數據。

　　(7) 申請內存用來存放原始數據，因為H264 解碼時，對于P 幀需要參考前面一個關鍵幀或P 幀，而B幀需要參考前后幀，因此需要存放原始數據，首先，用avpicture_get_size 來獲得需要的大小，然后調用av_malloc 函數申請內存空間。

　　(8) 通過調用avpicture_fill 函數將幀和新申請的內存結合起來。

　　(9) 創建格式轉換上下文，通過img_convert_ctx=sws _getContext(src_w， src_h，src_pix_fmt， dst_w， dst_h，PIX_FMT_RGB24， SWS_BICUBIC， NULL， NULL，NULL)方法實現。其中，src_w 表示源圖像的寬度，src_h 表示源圖像的高度，src_pix_fmt 表示源圖像的格式，dst_w 表示目標圖像的寬度，dst_h 表示目標圖像的高度，PIX_FMT_RGB24 表示目標圖像的格式。

　　4.2.2 對數據進行H264 解碼

　　(1)獲得需要解碼的一幀數據，由于前面接收端線程已經把接收到的數據存放在一個指針數組中，因此，解碼線程只需要從指針數據中獲取數據即可。

　　(2) 解碼數據。調用解碼函數avcodec_ decode_video(pCodecCtx ， pFrame ， &finished ， encodedData，size)來解碼視頻文件。其中，參數pCodecCtx是前面得到視頻流編碼上下文的指針;參數pFrame存儲解碼后的圖片的位置，參數finished 用來記錄已完成的幀數;參數encodedData 是輸入緩沖區指針，指向要解碼的原始數據;參數size 是輸入緩沖區的大小。

　　(3) 將已解碼的視頻數據YUV420 格式轉換成RGB 格式，通過調用sws_scale()函數實現格式轉換。

　　4.2.3 視頻數據的顯示

　　本系統使用QT 下的QImage 顯示視頻數據，由于QImage 能夠存取單個像素，這樣在顯示前一幀圖像的時候，將該圖像保存下來，當顯示后一幀圖像的時候，如果該像素值與前一幀相同，則不必修改該值，從而節省了大量的時間，即哪里變修改哪里，顯示過程的具體步驟如下：

　　(1) 取得已解碼的視頻數據，且該數據是RGB 格式的。

　　(2) 循環取得視頻數據的R 分量、G 分量、B 分量。

　　(3) 判斷該點的像素值是否與前一幀對應位置的像素值相同，若相同，跳轉到第2 步，否則，保存該像素值。

　　(4) 對取得的RGB 各自分量，構造該像素點的顏色值，通過調用qRGB(R，G，B)構造方法實現。

　　(5) 設置相應點的像素值，首先生成QImage 類的對象，然后調用該類的setPixel(x，y，rgb)。其中，x 是圖像的x 坐標值，y 是圖像的y 坐標值，rgb 是該點的顏色值。

　　(6)顯示圖像，通過調用update()方法，該方法會觸發繪畫事件，因此，在繪畫事件里，寫入顯示圖像代碼，即可顯示剛生成的QImage 對象，通過調用drawImage()方法繪制圖像。

　　5 結論

　　本系統在視頻圖像采集時，為了降低數據量，采用YUV420 的采樣格式。視頻數據編碼采用H264 硬編碼方式，極大地提高了編碼速度。而在無線網絡傳輸時，考慮到丟包問題，將編碼數據進行拆包然后發送，降低了丟包率。經測試，本系統采集一幅OV9650攝像頭拍攝的且分辨率為320X240 的圖像，經H264硬編碼，編碼后的圖像數據大致為5KB 左右，降低了數據傳輸量，并且硬編碼每秒可編碼25 幀圖像數據，達到實時視頻數據編碼的要求。對于WI-FI 無線網絡的傳輸率一般在11-54Mbps 左右，因此，該無線網絡可以滿足實時傳輸視頻的需求。本系統構建了高實時性，低成本，低功耗的數字化無線視頻監控平臺，在該平臺基礎上，可以搭建各種各樣的應用，比如，路況實時監控，人臉識別，倉庫報警等應用，該系統具有一定的實用價值。

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