摘 要：設(shè)計了一種基于ARM11+Linux 系統(tǒng)組成的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。為提高運算速度，系統(tǒng)采用ARM11 微處理器S3C6410 作為主處理器，采用OV9650 攝像頭作為圖像采集設(shè)備，用硬編碼方式對圖像數(shù)據(jù)進行H264編碼。接著通過WI-FI 無線網(wǎng)絡(luò)和RTP 流媒體傳輸協(xié)議把已編碼的數(shù)據(jù)傳送到遠端的服務(wù)器上顯示。實現(xiàn)了運行穩(wěn)定、速度快、成本低、體積小的無線視頻監(jiān)控平臺，具有很大的實用價值。

　　1 引言

　　隨著無線網(wǎng)絡(luò)的普及，ARM處理器運算的能力不斷地增強以及計算機處理圖像的技術(shù)不斷地提高，基于ARM 的視頻監(jiān)控正越來越廣泛的應(yīng)用于學(xué)校，社區(qū)，酒店，網(wǎng)吧，醫(yī)療等各種各樣地領(lǐng)域。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)布線復(fù)雜，設(shè)備龐大，智能化低，以及軟硬件資源得不到充分的發(fā)揮。而ARM 嵌入式系統(tǒng)的小型化、占用空間小、成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、支持無線網(wǎng)絡(luò)等特點，使得利用S3C6410 的ARM11+linux系統(tǒng)構(gòu)成各種各樣的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用價值。

　　2 系統(tǒng)整體設(shè)計

　　2.1 硬件總體設(shè)計

　　本系統(tǒng)采用韓國三星公司ARM11 內(nèi)核的S3C6410 作為微處理器，該款處理器體積小，尺寸僅相當于一個48mm*67mm 方塊的大小，同時集成了豐富的接口，32 位數(shù)據(jù)總線和32 位外部地址總線，SROM 控制器、 SRAM 控制器、NAND 閃存控制器、64 個中斷源的中斷控制器、五個三十二位定時器、四個UART、四個DMA 控制器、STN 與TFT LCD 控制器、看門狗、IIS 音頻接口、IIC-Bus 接口、兩個USB host口、一個USB device 口、兩個串行外圍接口電路、三個SD 卡接口、camera_if 接口、TV_out 接口、MFC接口、2 路SPI、Touch Screen 接口，其主頻可達800MHz，擴展總線最大頻率133MHz.在此基本上，還進行了相關(guān)的擴展，引出了一個四線RS-232 串口，該串口用于開發(fā)主機與S3C6410 開發(fā)平臺進行通信；配置了1GB 的NANDflash，用于存放嵌入式linux操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)，128MB 的DDR 內(nèi)存，用于存放運行程序，攝像頭捕獲的數(shù)據(jù)；擴展了一個WIFI 模塊，用于開發(fā)平臺與服務(wù)器傳輸視頻數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)視頻遠程監(jiān)控。

　　2.2 軟件總體設(shè)計

　　軟件總體結(jié)構(gòu)包括引導(dǎo)加載程序Bootloader、操作系統(tǒng)內(nèi)核，設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用層程序，其軟件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　圖1 軟件總體結(jié)構(gòu)框圖

　　該系統(tǒng)上電后，先運行引導(dǎo)加載程序Bootloader，該程序的作用是初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射表，引導(dǎo)和加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，然后啟動嵌入式操作系統(tǒng)linux，接著加載Nand flash 驅(qū)動程序、LCD 驅(qū)動程序、WIFI 驅(qū)動程序等一些必要的驅(qū)動程序。

　　3 視頻數(shù)據(jù)采集和編碼設(shè)計

　　3.1 基于V4L2 視頻數(shù)據(jù)采集設(shè)計

　　在Linux 系統(tǒng)下，對視頻設(shè)備的各種操作是通過Video4Linux2 實現(xiàn)的，簡稱V4L2.應(yīng)用程序通過V4L2 提供的接口函數(shù)實現(xiàn)視頻設(shè)備的操作。整個視頻數(shù)據(jù)采集的過程如圖2 所示。

　　（1） 打開視頻設(shè)備， int open（ const char *pathname， int flags）。調(diào)用該函數(shù)，若返回值為-1，表示打開失敗，否則，表示所打開設(shè)備的文件描述符。

　　（2）取得設(shè)備信息。通過ioctl（cam_fp， VIDIOC_QUERYCAP， &cap）函數(shù)來取得設(shè)備文件的屬性參數(shù)并存儲于cap 結(jié)構(gòu)中，其中cam_fp 指的是打開的視頻設(shè)備的文件描述符。

　　（3）選擇視頻輸入方式。通過ioctl（cam_fp，VIDIOC_ S_INPUT， &chan）函數(shù)設(shè)置視頻設(shè)備的輸入方式，其中chan 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型是v4l2_input，用來指定視頻的輸入方式。

　　（4 ） 設(shè)置視頻幀格式。通過ioctl（cam_fp ，VIDIOC_S _FMT， &fmt）函數(shù)設(shè)置視頻的幀格式，其中fmt 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型是v4l2_format，用來指定視頻的寬度、高度、像素大小等。

　　（5）讀取視頻數(shù)據(jù)。通過read（cam_fp， g_yuv，YUV_ SIZE）函數(shù)，把攝像頭一幀的數(shù)據(jù)存放到g_yuv中，其中YUV_ SIZE 指的是每幀數(shù)據(jù)的大小。

　　（6）關(guān)閉視頻設(shè)備。通過close（cam_fp）函數(shù)來實現(xiàn)視頻設(shè)備的關(guān)閉。

　　圖2 視頻數(shù)據(jù)采集流程框圖。

　　3.2 視頻數(shù)據(jù)的H264編碼

　　為了提高視頻數(shù)據(jù)編碼速度，本系統(tǒng)采用的是H264 硬編碼方式，硬編碼具有不占用CPU 資源，運算速度快等優(yōu)點，從而滿足視頻數(shù)據(jù)實時性的要求。

　　具體編碼的過程如圖3 所示。

　　（1）創(chuàng)建H264 編碼結(jié)構(gòu)。調(diào)用SsbSipH264EncodeInit （width， height， frame_rate， bitrate， gop_num）函數(shù)實現(xiàn)的，其中width 表示圖像的寬度，height 表示圖像的高度，frame_rate 表示幀頻，bitrate 表示比特率或碼率，gop_num 表示兩個相離關(guān)鍵幀之間最多包含多少個幀（B 或P 幀）。

　　（2）初始化H264 編碼結(jié)構(gòu)，調(diào)用SsbSipH264Encode Exe （handle）函數(shù)。

　　（3）獲取視頻輸入地址，SsbSipH264EncodeGetInBuf （handle， 0）函數(shù)來實現(xiàn)，該函數(shù)返回視頻輸入的首地址，存放在p_inbuf 中。

　　（4）輸入視頻數(shù)據(jù)，調(diào)用memcpy（p_inbuf， yuv_buf， frame_size）函數(shù)實現(xiàn)，p_inbuf 存放需要編碼的數(shù)據(jù)，yuv_buf 存放原始視頻數(shù)據(jù)，frame_size 表示數(shù)據(jù)的大小。

　　（5）編碼視頻數(shù)據(jù)，對p_inbuf 內(nèi)容進行H264編碼，調(diào)用SsbSipH264EncodeExe（handle）函數(shù)實現(xiàn)。

　　（6）輸出已編碼的數(shù)據(jù)，SsbSipH264EncodeGetOutBuf （handle， size），該函數(shù)返回已編碼圖像的首地址，size 表示已編碼圖像的大小。

　　（7）關(guān)閉硬編碼設(shè)備，調(diào)用SsbSipH264EncodeDeInit （handle）函數(shù)實現(xiàn)的。

　　圖3 H264 編碼流程框圖。

　　4 視頻數(shù)據(jù)的傳輸和顯示

　　4.1 視頻數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

　　現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)標準的基本比較

　　由于WI-FI 具有傳輸率高，支持的協(xié)議多，安裝及設(shè)置簡單，成本低等優(yōu)點，所以本系統(tǒng)采用的無線網(wǎng)絡(luò)標準是WI-FI.

　　4.1.1 WI-FI 無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)站下載。

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

　　（3）設(shè)置eth1 的ip 地址和子網(wǎng)掩碼。

　　（4）設(shè)置ESSID.通過iwconfig eth1 essid 402命令實現(xiàn)的，ESSID 用來區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)。

　　（5）設(shè)置密碼。通過iwconfig eth1 key s:your_key命令實現(xiàn)的，其中your_key 就是登陸密碼。

　　4.1.2 基于RTP 協(xié)議的視頻數(shù)據(jù)傳輸

　　RTP 是實時傳送協(xié)議（ Real-time TransportProtocol）的縮寫，代表一個網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮f(xié)議，為音頻、視頻上傳中的常用協(xié)議［5］.RTCP 和RTP 一起提供流量控制和擁塞控制服務(wù)，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(shù)據(jù)，所以采用該協(xié)議傳輸視頻數(shù)據(jù)。

　　本系統(tǒng)采用開源代碼Jrtplib 提供的RTP 協(xié)議棧，由于Jrtplib 對RFC3550 的實現(xiàn)進行了封裝，使得傳輸視頻數(shù)據(jù)更加簡單。由于本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)最大有效載荷為1500 字節(jié)，因此設(shè)置RTP 包大小的上限為1400 字節(jié)，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)大于1400 字節(jié)，則采用拆包的方法再發(fā)送，具體傳輸過程如圖4 和圖5 所示。

　　圖4 發(fā)送端流程框圖。

　　圖5 接收端流程框圖。

　　發(fā)送端主要過程如下：

　　（1）創(chuàng)建RTP 會話并設(shè)置目標地址。調(diào)用Create方法得到RTP 會話實例，然后調(diào)用AddDestination 方法設(shè)置目標IP 以及目標端口號。

　　（2）獲得數(shù)據(jù)，調(diào)用Get_Data（）函數(shù)得到。

　　（3）發(fā)送數(shù)據(jù)，通過SendPacket（）方法實現(xiàn)。

　　接收端主要過程如下：

　　（1）創(chuàng)建RTP 會話。調(diào)用Create 方法來創(chuàng)建一個會話實例，并且在創(chuàng)建會話的同時設(shè)置端口號，要與發(fā)送端的端口號保持一致。

　　（2）接受RTP 數(shù)據(jù)。調(diào)用RTPSession 類的PollData（）方法接收數(shù)據(jù)。

　　（3）保存RTP 數(shù)據(jù)報。通過創(chuàng)建了一個指針數(shù)組，里面存放的是RTP 數(shù)據(jù)報的指針，只要將剛接收到RTP 數(shù)據(jù)報的指針賦給這個指針數(shù)組即可，這樣可以節(jié)省數(shù)據(jù)拷貝的時間。

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

　　4.2 視頻數(shù)據(jù)的解碼和顯示

　　由于接收到的數(shù)據(jù)是經(jīng)H264 編碼的數(shù)據(jù)，因此，先要對該數(shù)據(jù)進行解碼，然后才能顯示。而在服務(wù)器端，對視頻數(shù)據(jù)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(zhuǎn)化庫，因為解碼后的數(shù)據(jù)是YUV420 格式，而要在計算機上顯示該數(shù)據(jù)，則需要的是RGB 格式的，該庫功能就是把YUV420 格式轉(zhuǎn)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(chǎn)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(diào)用av_register_all（）函數(shù)完成注冊。

　　（2） 設(shè)置AVFormatContext 結(jié)構(gòu)體。該結(jié)構(gòu)體是FFmpeg 格式轉(zhuǎn)換過程中實現(xiàn)輸入和輸出功能，保存相關(guān)數(shù)據(jù)的主要結(jié)構(gòu)，通過av_open_input_file 函數(shù)設(shè)置該結(jié)構(gòu)體。

　　（3） 檢查視頻流的信息，通過調(diào)用av_find_stream_info（pFormatCtx）函數(shù)，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(guān)于編解碼器的所有信息。

　　（5） 打開解碼器，先通過avcodec_find_decoder 函數(shù)找到相應(yīng)解碼器，然后調(diào)用avcodec_open 函數(shù)打開解碼器。

　　（6） 申請內(nèi)存用來存放解碼數(shù)據(jù)， 通過調(diào)用avcodec_alloc_frame 函數(shù)實現(xiàn)，由于解碼的數(shù)據(jù)是YUV420 格式的，因此還需要將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB 格式，因此，再次調(diào)用avcodec_alloc_frame 申請內(nèi)存用來存放RGB 格式數(shù)據(jù)。

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

　　（8） 通過調(diào)用avpicture_fill 函數(shù)將幀和新申請的內(nèi)存結(jié)合起來。

　　（9） 創(chuàng)建格式轉(zhuǎn)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(xiàn)。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(shù)據(jù)進行H264 解碼

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

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

　　（3） 將已解碼的視頻數(shù)據(jù)YUV420 格式轉(zhuǎn)換成RGB 格式，通過調(diào)用sws_scale（）函數(shù)實現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換。

　　4.2.3 視頻數(shù)據(jù)的顯示

　　本系統(tǒng)使用QT 下的QImage 顯示視頻數(shù)據(jù)，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(jié)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(shù)據(jù)，且該數(shù)據(jù)是RGB 格式的。

　　（2） 循環(huán)取得視頻數(shù)據(jù)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(yīng)位置的像素值相同，若相同，跳轉(zhuǎn)到第2 步，否則，保存該像素值。

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

　　（5） 設(shè)置相應(yīng)點的像素值，首先生成QImage 類的對象，然后調(diào)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(diào)用update（）方法，該方法會觸發(fā)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(diào)用drawImage（）方法繪制圖像。

　　5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)在視頻圖像采集時，為了降低數(shù)據(jù)量，采用YUV420 的采樣格式。視頻數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)傳輸時，考慮到丟包問題，將編碼數(shù)據(jù)進行拆包然后發(fā)送，降低了丟包率。經(jīng)測試，本系統(tǒng)采集一幅OV9650攝像頭拍攝的且分辨率為320X240 的圖像，經(jīng)H264硬編碼，編碼后的圖像數(shù)據(jù)大致為5KB 左右，降低了數(shù)據(jù)傳輸量，并且硬編碼每秒可編碼25 幀圖像數(shù)據(jù)，達到實時視頻數(shù)據(jù)編碼的要求。對于WI-FI 無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸率一般在11-54Mbps 左右，因此，該無線網(wǎng)絡(luò)可以滿足實時傳輸視頻的需求。本系統(tǒng)構(gòu)建了高實時性，低成本，低功耗的數(shù)字化無線視頻監(jiān)控平臺，在該平臺基礎(chǔ)上，可以搭建各種各樣的應(yīng)用，比如，路況實時監(jiān)控，人臉識別，倉庫報警等應(yīng)用，該系統(tǒng)具有一定的實用價值。