郭翠娟，盛雨晴，武志剛（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津　300387）

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基于DaVinci技術(shù)的嵌入式Web視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭翠娟，盛雨晴，武志剛
（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387）

摘要：提出一種基于DaVinci技術(shù)的嵌入式Web視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案利用TI高速雙核信號(hào)處理器TMS320DM6467和嵌入式Linux操作系統(tǒng)為平臺(tái)，完成視頻信號(hào)的H.264編碼、傳輸和存儲(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上搭建嵌入式Web服務(wù)器，用戶在瀏覽器中登錄Web服務(wù)器后可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；還提出一種基于率失真優(yōu)化方法的改進(jìn)型碼率控制算法，使用該算法可明顯提高視頻流的編碼速率及改善編碼質(zhì)量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使用該算法所得平均碼率誤差比JVT-G012算法低1.2%，而信噪比PSNR提高了1.16 dB.本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、交互性、視頻質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控.

關(guān)鍵詞：DaVinci技術(shù)；視頻監(jiān)控；嵌入式Web服務(wù)器；碼率控制；率失真優(yōu)化

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和數(shù)字信息技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的模式也處在快速發(fā)展過(guò)程中.視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了本地模擬信號(hào)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、基于PC的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)和基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)等3個(gè)發(fā)展階段.嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以視頻監(jiān)控為核心，以網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介，軟硬件可裁剪，適合系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積等綜合要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng).

由于模擬視頻信號(hào)的傳輸距離較近，故傳統(tǒng)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1]通常只適合于小范圍的局部區(qū)域監(jiān)控，無(wú)法進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，布線工程量大.目前，中國(guó)數(shù)字化監(jiān)控領(lǐng)域正處于極速發(fā)展階段，但市場(chǎng)上的大部分?jǐn)?shù)字視頻[2]監(jiān)控設(shè)備的實(shí)時(shí)性較差且視頻編碼質(zhì)量低.

針對(duì)以上情況，本文利用TI公司推出的一款音視頻數(shù)字多媒體處理器TMS320DM6467構(gòu)建嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其處理能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好.另外，基于傳統(tǒng)的率失真優(yōu)化算法提出一種改進(jìn)型碼率控制算法，用來(lái)提高視頻編碼效率和編碼質(zhì)量.

1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)選用達(dá)芬奇系列處理器TMS320DM6467，其集成了一個(gè)ARM926EJ-S核與600 MHz的C64X+DSP核，ARM負(fù)責(zé)運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)；DSP負(fù)責(zé)對(duì)采集的視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼[3]，ARM通過(guò)TI提供的Codec Engine（編解碼引擎）機(jī)制調(diào)用DSP側(cè)的codec算法.本設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall diagram of monitoring system

圖1中，中心控制端接收攝像頭采集的視頻信號(hào)，進(jìn)行H.264[2]編碼，編碼后的數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)絀nternet或?qū)懗晌募鎯?chǔ)到硬盤(pán)中；客戶端通過(guò)登錄Web服務(wù)器[3]可接收網(wǎng)絡(luò)上的視頻碼流并在瀏覽器上解碼顯示，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.

1.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件組成由監(jiān)控端、中心控制端和客戶端組成，如圖2所示.

圖2　系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware diagram of monitoring system

圖2中，監(jiān)控端主要完成對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，并把采集到的視頻信號(hào)傳送到中心控制端；中心控制端基于DM6467雙核處理器和Linux嵌入式操作系統(tǒng)，對(duì)采集到的視頻信號(hào)進(jìn)行H.264編碼，并根據(jù)需要將碼流進(jìn)行存儲(chǔ)或傳送到網(wǎng)絡(luò)上；客戶端主要完成視頻信號(hào)的接收和顯示.客戶端通過(guò)HTTP協(xié)議[4]向中心控制端發(fā)送請(qǐng)求，中心控制端進(jìn)行相應(yīng)處理后以HTML文本格式返回應(yīng)答信息，客戶端再將這些接受到的應(yīng)答信息解釋為網(wǎng)頁(yè)形式并在瀏覽器中顯示.實(shí)時(shí)傳輸模塊按照RTP（real-time transport protocol）協(xié)議和RTSP（real time streaming protocol）協(xié)議負(fù)責(zé)將視頻流打包并傳送到客戶端的VLC（video lan client）播放器中進(jìn)行解碼和顯示.視頻存儲(chǔ)與管理模塊負(fù)責(zé)將編碼后的碼流寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)以備調(diào)用.

1.3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，包括以下5個(gè)線程，即主線程、視頻采集線程、視頻編碼線程、傳輸線程和寫(xiě)線程，線程的關(guān)系如圖3所示.圖3中，編碼程序從主線程開(kāi)始，主線程完成初始化編解碼引擎和DMAI（DaVinci multimedia application interface）設(shè)備，再設(shè)置codec算法的參數(shù)，然后打開(kāi)視頻采集線程、視頻編碼線程、傳輸線程或?qū)懢€程.

圖3　系統(tǒng)的線程關(guān)系圖Fig.3 Thread diagram of monitoring system

在視頻采集線程中，通過(guò)攝像頭采集得到PAL制式的基帶視頻信號(hào)[5]經(jīng)過(guò)A/V接口傳送到SiI9125CTU芯片的輸入端，該芯片負(fù)責(zé)將PAL視頻解碼并數(shù)字化后送到DM6467的視頻輸入接口，通過(guò)ioctl（）函數(shù)設(shè)置圖像采集格式、為設(shè)備分配數(shù)據(jù)緩存、實(shí)現(xiàn)內(nèi)存地址空間映射，然后開(kāi)始循環(huán)采集視頻數(shù)據(jù)流[6].視頻編碼線程的主要作用是對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264編碼，壓縮后的視頻碼流可以通過(guò)寫(xiě)線程保存成文件，也可以通過(guò)傳輸線程傳送到Internet上.傳輸線程的主要作用是采用分片封包模式[9]將H.264碼流封裝成RTP數(shù)據(jù)包，由于IP協(xié)議的最大傳輸單元值為1 500，考慮到IP報(bào)頭和UDP報(bào)頭等所占的字節(jié)，將RTP數(shù)據(jù)包的最大負(fù)載值設(shè)置為1 450個(gè)字節(jié)，對(duì)于字節(jié)數(shù)超過(guò)1450 的NAL（Network Abstract Layer網(wǎng)絡(luò)抽象層）單元分片封裝成多個(gè)RTP分組，并采用RTSP協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?

視頻編碼線程的工作流程圖如圖4所示.首先調(diào)用Engine_open（）函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)Codec Engine的實(shí)例，并返回一個(gè)hEngine的句柄供后續(xù)函數(shù)調(diào)用，根據(jù)Venc_getInBufSize（）和Venc_getOutBufSize（）函數(shù)確定輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)所需占用的緩沖區(qū)大小，再利用Buffer_create（）函數(shù)分配內(nèi)存空間；通過(guò)調(diào)用編碼算法實(shí)例的Venc_control（）、Venc_process（）等API函數(shù)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行控制和編碼，并且將編碼后的數(shù)據(jù)流傳送至寫(xiě)線程寫(xiě)入到硬盤(pán)文件系統(tǒng)，或通過(guò)傳輸線程發(fā)送到Internet.

圖4　視頻編碼流程圖Fig.4 Flow chart of video encoding

1.4嵌入式Web服務(wù)器

本設(shè)計(jì)選擇支持CGI（common gateway interface）技術(shù)且非常適用于嵌入式系統(tǒng)的Web服務(wù)器Boa，處理客戶端發(fā)送的HTTP請(qǐng)求和應(yīng)答消息，并以網(wǎng)頁(yè)形式顯示在瀏覽器中.CGI程序各功能模塊如圖5所示.

圖5　CGI程序模塊Fig.5 Software module of CGI program

該部分程序運(yùn)行在服務(wù)器端，提供后臺(tái)服務(wù)器與客戶端HTML頁(yè)面的接口，實(shí)現(xiàn)用戶登錄、用戶信息管理、系統(tǒng)設(shè)備信息管理和視頻監(jiān)控等功能.

Login.html和Login.cgi是用戶進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)的第一步，系統(tǒng)通過(guò)驗(yàn)證用戶輸入的用戶名和密碼來(lái)判斷是否有登錄權(quán)限，若有權(quán)限，則進(jìn)入監(jiān)控界面；反之，發(fā)出錯(cuò)誤提示. UserControl.cgi和DeviceControl.cgi 2個(gè)模塊分別對(duì)系統(tǒng)用戶信息和監(jiān)控設(shè)備資源進(jìn)行管理和控制，包括監(jiān)控設(shè)備的基本屬性、監(jiān)控設(shè)備維護(hù)信息、攝像頭的IP、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)和DNS等. Video. html和Video.cgi用于視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)播放，Video.cgi接受用戶端通過(guò)瀏覽器傳來(lái)的控制參數(shù)，并啟動(dòng)相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)采集模塊、編碼模塊、實(shí)時(shí)傳輸模塊、存儲(chǔ)與管理模塊，進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)流的傳輸，進(jìn)而與網(wǎng)絡(luò)客戶端的VLC播放器建立連接，實(shí)現(xiàn)視頻流在客戶端瀏覽器頁(yè)面上的播放.

2　基于率失真優(yōu)化方法的改進(jìn)型碼率控制算法

傳統(tǒng)的基于率失真優(yōu)化的控制方法，首先要確定碼率模型和率失真模型，再根據(jù)拉格朗日理論公式獲得最優(yōu)的量化參數(shù).然而使用該方法所得到的PSNR值較小，輸出碼率不精確，故本文提出了一種基于率失真優(yōu)化的改進(jìn)型碼率控制算法.

在編碼當(dāng)前幀之前，編碼緩沖器中的比特?cái)?shù)需按下式更新：

式中：Bprev為編碼緩沖器中之前的比特總數(shù)；Bactual為已編碼幀實(shí)際產(chǎn)生的比特?cái)?shù)；R為信道速率；F為幀率.

由公式（1）可知，在編碼一幀圖像之前緩沖器的比特?cái)?shù)為：上一幀編碼前緩沖器的比特?cái)?shù)加上上一幀實(shí)際編碼產(chǎn)生的比特?cái)?shù)，再減去一幀時(shí)間間隔內(nèi)信道傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù).

其次，通過(guò)緩沖器的占用情況，按下式分配當(dāng)前幀一定的目標(biāo)比特?cái)?shù)：

式中：△B的定義為

式中：Z為常數(shù)，通常設(shè)為0.1；M為一個(gè)門(mén)限值，設(shè)為M = R/F.

由式（2）可以看出，△B是來(lái)自緩沖器比特?cái)?shù)的一個(gè)反饋量，當(dāng)B超過(guò)門(mén)限值的一定比例后，目標(biāo)比特Btarget應(yīng)減小△B的量.

根據(jù)（4）式計(jì)算參數(shù)H：

式中：N為一幀中宏塊的總數(shù)目；λi是權(quán)重因子；βi的定義為：

式中：Nt為一個(gè)宏塊中亮度像素的總個(gè)數(shù)；Nc為色度像素總的個(gè)數(shù)；Pi（n）為像素值；Pa為整個(gè)宏塊的像素平均值.

根據(jù)計(jì)算所得的H值和（5）式計(jì)算第m個(gè)宏塊的量化步長(zhǎng)

式中：L =εm- 162NmCm；εm表示第m幀的目標(biāo)比特?cái)?shù)；Nm為第m幀中宏塊的總數(shù)；設(shè)初始的K = 0.5，C = 0.

根據(jù)（6）式計(jì)算所得的量化步長(zhǎng)計(jì)算第m個(gè)宏塊的QP值，如下所示：

式中：QPmprev為前一個(gè)宏塊的QP值.

計(jì)算完一個(gè)宏塊后再作如下更新：

式中：Bm′表示為宏塊m編碼后產(chǎn)生的比特?cái)?shù).

為了測(cè)試基于率失真優(yōu)化方法的改進(jìn)型碼率控制算法的性能，以H.264/AVC的參考軟件JM11.0作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)該算法.實(shí)驗(yàn)選擇多個(gè)視頻測(cè)試序列，從編碼比特率、編碼質(zhì)量等方面給出本文方法與JVT[12]（jiont video team，聯(lián)合視頻編碼組）提案中自適應(yīng)基本單元級(jí)碼率控制算法JVT-G012的比較結(jié)果，編碼比特率用碼率控制誤差來(lái)衡量，編碼質(zhì)量用峰值信號(hào)與噪聲之比PSNR的值來(lái)衡量.

分別測(cè)試了Akjyo、Flower、Highway、Waterfall、Foreman和Carphone序列在目標(biāo)碼率分別為36 kbps、72 kbps和128 kbps條件下所得的平均PSNR和碼率控制誤差，測(cè)試結(jié)果如表1所示.由表1計(jì)算可得使用JVT-G012算法的平均碼率控制誤差為2.94%，而使用本文算法所得的平均碼率控制誤差僅為1.74%，由此可見(jiàn)誤差大大減?。皇褂帽疚乃惴ㄋ玫钠骄鵓SNR值為40.71 dB，而使用JVT-G012算法所得值為39.55 dB，由此可得本文算法較JVT-G012算法的PSNR值平均提高了1.16 dB，編碼質(zhì)量明顯提高.

圖6所示為分別使用本文算法和JVT-G012算法對(duì)不同視頻序列進(jìn)行編碼得到的PSNR的碼率關(guān)系.

圖6（a）和圖6（b）表示在目標(biāo)碼率為72 kbps條件下，分別使用本文提出的算法和使用JVT-G012算法對(duì)Akjyo序列以及Waterfall序列的PSNR進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果；圖6（c）和圖6（d）表示在目標(biāo)碼率為128 kbps條件下，對(duì)Flower序列以及Foreman序列的PSNR進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果.由圖可知，使用本文所提出算法所得的PSNR值大于使用JVT-G012算法所得的PSNR值，編碼質(zhì)量大大提高.

圖6（e）和圖6（f）分別測(cè)試了Carphone序列和Highway序列的碼率與信噪比的關(guān)系曲線，由圖可知，隨著碼率增大，PSNR也提高，但使用本文算法所得到的碼率信噪比曲線明顯高于使用JVT-G012算法的曲線，說(shuō)明有效性大大提高.

3　結(jié)論

本文基于達(dá)芬奇技術(shù)提出了一種嵌入式Web視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，解決了當(dāng)前視頻監(jiān)控系統(tǒng)中編碼效率低、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題.基于率失真優(yōu)化方法，提出一種改進(jìn)型的碼率控制算法，當(dāng)目標(biāo)碼率分別在36kbps、72kbps、128 kbps條件下測(cè)試使用JVT-G012算法和本文所提算法所得的平均誤碼率，結(jié)果分別為2.94%和1.74%，即誤碼率降低了1.2%，編碼的可靠性大大提高；另，本文算法較JVT-G012算法的PSNR平均提高了1.16 dB，編碼的有效性大大提高.用戶通過(guò)登錄Web服務(wù)器可以對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有良好的實(shí)時(shí)性，可以被廣泛應(yīng)用于智能樓宇、醫(yī)療等遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中.

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Design of embedded Web video monitoring system based on DaVinci technology

GUO Cui-juan，SHENG Yu-qing，WU Zhi-gang
（School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract：Based on the newly developed DaVinci technology，a designing scheme of embedded Web video monitoring system is proposed. The scheme combines high-speed and dual-core signal processor（TMS320DM6467）with embedded Linux operating system as the platform to complete the H.264 encoding，transmission and storage of video signal. Building the embedded Web server，user can login into the server and monitor at real -time. According to the method of rate-distortion optimization，an improved rate control algorithm is proposed. The algorithm can significantly improve the coding rate of video stream and the coding quality. It is proved that the average bit rate error of the proposed algorithm is 1.2% lower than that of the JVT-G012 algorithm. Besides，the signal to noise ratio is improved by 1.16 dB. This system has advantages of strong real-time，interactive and high video quality so that it can be used for remote video surveillance.

Key words：DaVinci technology；video monitoring；embedded Web server；rate control；rate-distortion optimization

通信作者：郭翠娟（1975—），女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng). E-mail：guocuijuan@typu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（61302062）

收稿日期：2015-07-14

DOI：10.3969/j.issn.1671-024x.2016.02.015

中圖分類號(hào)：TN919.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671－024X（2016）02－0077－06