多路嵌入式H.264视频服务器的设计详解

1 引　言

随着计算机网络和视频压缩技术的快速发展，多媒体技术的研究和应用受到了越来越多的重视，其中视频服务器的发展尤为迅速，特别是嵌入式视频服务器[1][2]，由于具有体积小，安装灵活的特点，只要能接入到Internet, 它就可以为任何授权的用户提供实时的视频监控服务，避免了铺设专门线路进行视频信号传输的昂贵费用。

嵌入式视频服务器是一种能提供视频采集，视频数据压缩，网络传输功能的一种多媒体信息服务器。其传输处理的是视频流，而视频传输具有实时性高、数据量大等特点，它需要满足以下三点要求：一：高带宽，高带宽保证大数据量的多媒体数据传输效率；二：支持QoS，保证传输的质量、资源预留；三：支持多种传输方式。由于嵌入式环境资源的限制，在视频数据的实时性传输和图象质量方面，其QoS一直得不到保证。特别是多路的情况，实时视频的传输质量随路数的增加会急剧下降。嵌入式视频服务器性能的瓶颈主要在于视频数据的传输上，因此缩短视频数据的传输时间就能提高视频服务器的性能。缩减视频数据的传输时间可以从两个方面入手：一：减少视频数据传输的信息量。主要通过采用高性能的压缩编码技术来减少传输的信息量。二：采用适合多媒体数据的传输协议。考虑到嵌入式的系统资源及其宝贵，故我们选用了目前编码效率最高的H.264[3]技术和专门为传输多媒体数据的RTP[4]传输协议设计了本文这套系统。实验结果表明，该嵌入式视频服务器在不影响图象质量的前提下，能够比以往的视频服务器占用更低的带宽。

2 系统的硬件组成

我们在设计中采用了HHARM2410嵌入式开发套件，它由核心板和底板组成，核心板上集成Samsung S3C2410 处理器（203M 的主频，100M的总线速度），64M SDRAM以及16M 的FLASH。底板上提供以下外设接口：一个四线RS-232 串口，一个USB HOST接口，一个10M/100M自适应以太网接口，一个TFT LCD接口, 一个触摸屏接口。操作系统采用裁减过的嵌入式Linux。该嵌入式视频服务器的结构框图如图1所示。



图1 嵌入式视频服务器硬件组成

应用程序通过编码器模块采集H.264视频流,按照RTP协议实时打包,并通过以太网接口 实现实时流传输( IP Streaming) 。另外还可以扩充一块802. 11b /g无线模块,来达到无线网络传输的目的,并可通过IDE接口扩充一块IDE硬盘作为本地H.264视频图像存储之用。

3 服务器软件设计

服务器是整个系统的核心，它工作在嵌入式Linux平台上，嵌入式Linux是标准Linux经裁减得到的，同Linux一样，具有稳定，安全，高效率，实时性好等优点。服务器端采用模块化设计，从功能角度，服务器端的软件体系结构可划分为5个模块：采集模块，编码模块，网络传输模块，存储模块，设备控制模块。其体系结构如图2所示：



图2 服务器软件体系结构图

（1）采集模块，主要完成视频的采集，图像格式的转换，在此处设定采集的图像格式
为YUV。采用Linux的v4l[5]来实现，v4l是Linux中提供的一个音视频接口规范，所有的音视频设备的驱动编写要用到这些接口。

（2）编码模块，主要完成对采集的图像的压缩编码。对采集到的图像数据进行压缩可以有两种方案，一种是用硬件来压缩，它可以有专用系统和通用系统两种形式，其中，专用系统使用专用芯片实现图像的硬件压缩,通用系统则利用通用芯片实现数据压缩。相对于通
用系统,用专用芯片对图像用硬件进行压缩可以快速进行图象压缩,减少处理器的开销等点。第二种压缩方法就是用软件来实现，这种方法对机器的硬件配置要求较高，但运用起来灵活，考虑到现在硬件技术已经比较成熟，故我们采用第二种方案，对采集到的图像数据进行软压缩，此处利用H.264标准进行压缩。H.264压缩标准是一种新的编码方法。与其他压缩编码方式比较，利用H.264标准可以获得更高的压缩比及更好的图象质量。H.264编码器都是开源的，可以从网上下载，此处用的是t264，对采集到的YUV格式的数据进行逐帧压缩。

（3）网络传输模块，完成现场多媒体数据及历史多媒体数据的网络的传输，用于支持浏览端的现场预览和记录回放功能。其基本过程是码流经码率控制部分进行码率调整，然后由RTP组件传送到网络中。传输启动之初，组播控制器根据多用户代理提供浏览端的组播策略来协商组播策略；传输过程中，RTCP组件实时监测网络状况并反馈給决策控制器，决策控制器控制分离器、视频抽帧器和码流复合器组件，完成码流的动态整合。其传输体系结构如图3所示：



图3视频流传输体系结构

（4）存储模块，多个摄像头采集的多路视频数据经编码压缩后形成复合媒体流，通过存储组件，存为H.264文件，同时向数据库中写相应的文件信息。

（5）设备控制模块，设备控制器接收用户界面发出的或网络传送来的控制命令，控制解码器，完成对云台、镜头等设备的控制。

4 客户端软件设计

客户端主要完成视频数据的接收,解码和显示工作,同时还可以动态设置编码器的数。从功能角度,客户端的软件体系结构可划分为3个模块：设备控制模块，网络的接收与反馈模块，显示模块。其体系结构如图4所示：

（1）设备控制模块，根据用户输入的命令((例如改变视频窗口大小、接收路数,图象分辨率、开始/停止远程监控等), 产生控制命令并通过一个TCP连接发送到服务器端,服务器端设备控制器接收这些控制命令，并完成对云台、镜头等设备的远程控制。

（2）网络的接收与反馈部分，根据用户的基本带宽情况（局域网还是非局域网）及请求的任务类型（现场预览还是历史回放），确定该接收码流是否基于组播策略接收。RTP组件完成码流的接收，RTCP组件检测码流的丢包率并反馈给服务器端。



图4 客户端软件体系结构

（3）显示模块，同步源过滤器从RTP组件得到码流，在控制器的协调下，完成解码及同步的视频播放。此处我们采用的是Microsoft DirectShow[6]架构来完成H.264 码流的实时解码和图像显示工作。

试验证明,对于包含有视频服务器、多监控客户中心的嵌入式视频监控系统,上述网络传输部分能够很好地完成视频数据的实时传输，网络自适应能力良好。

5 结束语

本文创新点是提出了一种多路嵌入式H.264视频服务器的设计方案，并给出了系统硬件组成和软件的体系结构框架，该系统与传统的Motion2JPG和MPEG21相比,采用H.264标准压缩图像,降低了带宽占用率。对于四路QCIF和一路D1分辨率的高清晰度实时视频监控,只需占用65K和250K的网络带宽即可满足传输需求。

参考文献
[1] 钟玉琢，流媒体和视频服务器 ，北京；清华大学出版社 2003.
[2] 刘喜龙,石中锁.基于H264的嵌入式视频服务器的设计[J].微计算机信息2005,1.
[3] Wiegand T, Sullivan GJ . Overview of the H. 264/ AVC video coding standard [J]. IEEE Trans, Circuits, SystemVideo Tech2 nolgy,
2003 ,13(7)
[4] RFC 3550-2003, RTP: A transport protocol for real-time applications[S].
[5] SCH IMEKMH. Video for Linux Two AP I Specification Draft 0. 8 [EB /OL ]. http: / /v4 l2 spec. bytesex. org/ spec / , 2004.
[6] PESCEMD. Programming Microsoft DirectShow for DigitalVideo and Television [M ]. Redmond, Washington: Microsoft Press. , 2003.

来源:微计算机信息