多路嵌入式H.264視頻服務器的設計詳解

　　1 引　言

　　隨著計算機網絡和視頻壓縮技術的快速發展，多媒體技術的研究和應用受到了越來越多的重視，其中視頻服務器的發展尤為迅速，特別是嵌入式視頻服務器[1][2]。

　　由于具有體積小，安裝靈活的特點，只要能接入到Internet, 它就可以為任何授權的用戶提供實時的視頻監控服務，避免了鋪設專門線路進行視頻信號傳輸的昂貴費用。

　　嵌入式視頻服務器是一種能提供視頻采集，視頻數據壓縮，網絡傳輸功能的一種多媒體信息服務器。其傳輸處理的是視頻流，而視頻傳輸具有實時性高、數據量大等特點，它需要滿足以下三點要求：一：高帶寬，高帶寬保證大數據量的多媒體數據傳輸效率；二：支持QoS，保證傳輸的質量、資源預留；三：支持多種傳輸方式。由于嵌入式環境資源的限制，在視頻數據的實時性傳輸和圖象質量方面，其QoS一直得不到保證。特別是多路的情況，實時視頻的傳輸質量隨路數的增加會急劇下降。嵌入式視頻服務器性能的瓶頸主要在于視頻數據的傳輸上，因此縮短視頻數據的傳輸時間就能提高視頻服務器的性能。縮減視頻數據的傳輸時間可以從兩個方面入手：一：減少視頻數據傳輸的信息量。主要通過采用高性能的壓縮編碼技術來減少傳輸的信息量。二：采用適合多媒體數據的傳輸協議?？紤]到嵌入式的系統資源及其寶貴，故我們選用了目前編碼效率最高的H.264[3]技術和專門為傳輸多媒體數據的RTP[4]傳輸協議設計了本文這套系統。實驗結果表明，該嵌入式視頻服務器在不影響圖象質量的前提下，能夠比以往的視頻服務器占用更低的帶寬。

　　2 系統的硬件組成

　　我們在設計中采用了HHARM2410嵌入式開發套件，它由核心板和底板組成，核心板上集成Samsung S3C2410 處理器（203M 的主頻，100M的總線速度），64M SDRAM以及16M 的FLASH。底板上提供以下外設接口：一個四線RS-232 串口，一個USB HOST接口，一個10M/100M自適應以太網接口，一個TFT LCD接口, 一個觸摸屏接口。操作系統采用裁減過的嵌入式Linux。該嵌入式視頻服務器的結構框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式視頻服務器硬件組成

　　應用程序通過編碼器模塊采集H.264視頻流,按照RTP協議實時打包,并通過以太網接口 實現實時流傳輸( IP Streaming) 。另外還可以擴充一塊802. 11b /g無線模塊,來達到無線網絡傳輸的目的,并可通過IDE接口擴充一塊IDE硬盤作為本地H.264視頻圖像存儲之用。

　　3 服務器軟件設計

　　服務器是整個系統的核心，它工作在嵌入式Linux平臺上，嵌入式Linux是標準Linux經裁減得到的，同Linux一樣，具有穩定，安全，高效率，實時性好等優點。服務器端采用模塊化設計，從功能角度，服務器端的軟件體系結構可劃分為5個模塊：采集模塊，編碼模塊，網絡傳輸模塊，存儲模塊，設備控制模塊。其體系結構如圖2所示：

圖2 服務器軟件體系結構圖

　?。?）采集模塊，主要完成視頻的采集，圖像格式的轉換，在此處設定采集的圖像格式為YUV。采用Linux的v4l[5]來實現，v4l是Linux中提供的一個音視頻接口規范，所有的音視頻設備的驅動編寫要用到這些接口。

　　（2）編碼模塊，主要完成對采集的圖像的壓縮編碼。對采集到的圖像數據進行壓縮可以有兩種方案，一種是用硬件來壓縮，它可以有專用系統和通用系統兩種形式，其中，專用系統使用專用芯片實現圖像的硬件壓縮,通用系統則利用通用芯片實現數據壓縮。相對于通用系統,用專用芯片對圖像用硬件進行壓縮可以快速進行圖象壓縮,減少處理器的開銷等點。第二種壓縮方法就是用軟件來實現，這種方法對機器的硬件配置要求較高，但運用起來靈活，考慮到現在硬件技術已經比較成熟，故我們采用第二種方案，對采集到的圖像數據進行軟壓縮，此處利用H.264標準進行壓縮。H.264壓縮標準是一種新的編碼方法。與其他壓縮編碼方式比較，利用H.264標準可以獲得更高的壓縮比及更好的圖象質量。H.264編碼器都是開源的，可以從網上下載，此處用的是t264，對采集到的YUV格式的數據進行逐幀壓縮。

　?。?）網絡傳輸模塊，完成現場多媒體數據及歷史多媒體數據的網絡的傳輸，用于支持瀏覽端的現場預覽和記錄回放功能。其基本過程是碼流經碼率控制部分進行碼率調整，然后由RTP組件傳送到網絡中。傳輸啟動之初，組播控制器根據多用戶代理提供瀏覽端的組播策略來協商組播策略；傳輸過程中，RTCP組件實時監測網絡狀況并反饋給決策控制器，決策控制器控制分離器、視頻抽幀器和碼流復合器組件，完成碼流的動態整合。其傳輸體系結構如圖3所示：

圖3視頻流傳輸體系結構

　?。?）存儲模塊，多個攝像頭采集的多路視頻數據經編碼壓縮后形成復合媒體流，通過存儲組件，存為H.264文件，同時向數據庫中寫相應的文件信息。

　　（5）設備控制模塊，設備控制器接收用戶界面發出的或網絡傳送來的控制命令，控制解碼器，完成對云臺、鏡頭等設備的控制。