視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李文龍，袁三男

（上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201306）

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備將嵌入式設(shè)備與相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)結(jié)合，可以提供視頻服務(wù)，而且還大大降低了設(shè)備的價(jià)格[1]。嵌入式操作系統(tǒng)在軟件方面沒有做明顯的區(qū)分，如系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。并且在功能設(shè)計(jì)方面及功能實(shí)現(xiàn)上沒有要求過于復(fù)雜，這樣做不僅有利于控制系統(tǒng)成本，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)安全[2]。

Linux 系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)之一為其是一個(gè)開放源代碼的操作系統(tǒng)，與Windows 等其他操作系統(tǒng)相比，Linux 更安全。相對于其他操作系統(tǒng)，其主要的優(yōu)點(diǎn)是可以自定義[3]任何功能，根據(jù)需要，添加或刪除任何功能，因?yàn)樗情_源操作系統(tǒng)[4]。Linux 提供了很高的穩(wěn)定性，這也是一個(gè)很好的優(yōu)勢，即它不需要在短時(shí)間內(nèi)重啟。

1 相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)理論

1.1 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)

H.264 是ITU-T 的VCEG（視頻編碼專家組）和ISO/IEC 的MPEG（活動(dòng)圖像編碼專家組）的聯(lián)合視頻組（Joint Video Team,JVT）開發(fā)的一個(gè)數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)[5]。H.264 是ITU-T 以H.26x 系列為名稱命名的標(biāo)準(zhǔn)之一，AVC 是ISO/IEC MPEG 一方的稱呼[6]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議

RTMP（Real Time Messaging Protocol）從屬于應(yīng)用層，基于TCP 的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。被用來在TCP 傳輸協(xié)議上復(fù)用和打包多媒體傳輸流。RTMP 提供了一套全雙工的可靠的多路復(fù)用消息服務(wù)，用來在一對結(jié)點(diǎn)之間并行傳輸帶時(shí)間戳的音頻流、視頻流、數(shù)據(jù)流[7-8]。通過RTMP 協(xié)議進(jìn)行播放需要以下步驟：握手、建立連接、建立流、播放。流程圖如圖1 所示。

圖1 RTMP協(xié)議播放流程

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要是由服務(wù)器端和客戶端組成，服務(wù)器端主要完成視頻數(shù)據(jù)采集，將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，利用推流器將數(shù)據(jù)推送到流媒體服務(wù)器上?？蛻舳藙t采用拉流器從流媒體服務(wù)器上進(jìn)行拉流播放。在該設(shè)計(jì)中，采用RTMP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而保證視頻數(shù)據(jù)流能夠?qū)崟r(shí)傳輸。服務(wù)器端利用ARM 開發(fā)板進(jìn)行推流，客戶端利用PC 機(jī)進(jìn)行拉流，系統(tǒng)框架圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

2.2 硬件開發(fā)平臺

開發(fā)板是基于四核ARM Cortex-A7，算力NPU達(dá)到2T，并且還支持H.264/H.265 視頻編解碼技術(shù)，總?cè)萘?6 GByte 的8 bitEMMC Flash,USB2.0 外接設(shè)備,千兆以太網(wǎng)RTL8211F,MIPI Camera，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

3 開發(fā)環(huán)境搭建

3.1 安裝交叉編譯工具

交叉編譯工具是在一個(gè)平臺上編譯生成可在其他平臺上執(zhí)行的代碼。同一個(gè)體系結(jié)構(gòu)可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)[9]；同一個(gè)操作系統(tǒng)也可以在不同的體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行。文中上位機(jī)的操作系統(tǒng)為ubuntu16.04，該系統(tǒng)安裝交叉編譯工具，用于文件系統(tǒng)和上層應(yīng)用以及U-Boot 和Linux 內(nèi)核的編譯。

3.2 內(nèi)核移植

內(nèi)核移植是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心部分，在設(shè)計(jì)時(shí)采用的是嵌入式系統(tǒng)，嵌入式操作系統(tǒng)有較好的裁剪性，可以根據(jù)自己的需求對系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，得到最精簡的系統(tǒng)后將系統(tǒng)寫入存儲芯片中[10]。

嵌入式開發(fā)，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，用不同的配置進(jìn)行開發(fā)，一般的開發(fā)過程中都包括如下過程：

1）編譯開機(jī)引導(dǎo)裝載程序BootLoader；

2）編譯內(nèi)核kernel；

3）利用Busybox 或者Buildroot 制作根文件系統(tǒng)；

4）建立應(yīng)用程序分區(qū)；

5）程序的開發(fā)；

6）燒錄開機(jī)引導(dǎo)裝載程序，內(nèi)核kernel，根文件系統(tǒng)rootfs，app。

3.3 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS

網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）通過掛載的方式，將遠(yuǎn)程客戶端的文件掛載到本機(jī)上，如同本地文件，也允許遠(yuǎn)程客戶端以類似的方式，來通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問[11]。為了方便后面文件傳輸，利用NFS 建立PC 與開發(fā)板之間的聯(lián)系，當(dāng)開發(fā)板上電并與電腦通過網(wǎng)線連接后，將設(shè)置的共享文件夾掛載到開發(fā)板上，在后面的開發(fā)中，PC 機(jī)與開發(fā)板之間便可通過該共享文件夾進(jìn)行文件傳輸[12]。

3.4 Nginx流媒體服務(wù)器移植

開源項(xiàng)目Ngnix 原本是不支持RTMP 協(xié)議的，所以需要移植第三方模塊nginx-rtmp-module 來實(shí)現(xiàn)RTMP 協(xié)議[13]。通過使用Buildroot 工具對Nginx 編譯，在配置編譯前需要先下載第三方模塊，最后編譯生成.img 文件，并將該文件燒錄到開發(fā)板。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)框架

服務(wù)器端完成如下功能：驅(qū)動(dòng)攝像頭采集視頻，壓縮編碼原始數(shù)據(jù)，對編碼后的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，將封裝后的數(shù)據(jù)推送到流媒體服務(wù)器上，等待客戶端拉流請求[14]。客戶端主要實(shí)現(xiàn)從流媒體服務(wù)器上進(jìn)行拉流播放功能。系統(tǒng)流程框圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)流程框圖

4.2 服務(wù)器端

服務(wù)器端主要工作是編寫一個(gè)簡單的視頻推流器，將攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮編碼一系列處理之后，推送到流媒體服務(wù)器[15]。攝像頭采集數(shù)據(jù)利用V4L2 技術(shù)，V4L2 是專門為Linux 設(shè)備設(shè)計(jì)的一套視頻框架，視頻設(shè)備被當(dāng)作一個(gè)文件[16]。打開設(shè)備，用非阻塞模式打開攝像頭設(shè)備作為推流器的輸入，將得到的視頻數(shù)據(jù)采用H.264 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻編碼，將編碼后的數(shù)據(jù)封裝為FLV 格式進(jìn)行傳輸[17]。流媒體服務(wù)器的地址作為輸出。程序流程圖如圖5所示。

圖5 推流器的程序流程圖

4.3 客戶端

客戶端主要編寫從流媒體服務(wù)器拉取的視頻數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解碼實(shí)時(shí)視頻播放的拉流器應(yīng)用程序[18]。程序主要是根據(jù)流媒體服務(wù)器的地址，將視頻數(shù)據(jù)流拉取下來，拉取下來的視頻數(shù)據(jù)被封裝成flv 格式，所以不能直接用來播放，需要進(jìn)一步解封裝，再將解封裝后的數(shù)據(jù)通過解碼得到原始的視頻流數(shù)據(jù)，對得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行播放，從而能夠達(dá)到實(shí)時(shí)播放的效果[19]。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6 所示。

圖6 拉流器程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測試

測試首先進(jìn)入開發(fā)板，開啟流媒體服務(wù)器并運(yùn)行推流程序，當(dāng)服務(wù)器程序啟動(dòng)后，在PC 端打開拉流應(yīng)用程序，并在應(yīng)用程序框中輸入流媒體服務(wù)器地址，如rtmp://192.168.0.114:1935/live/test，獲取視頻服務(wù)，連接成功之后，PC 端顯示器上會顯現(xiàn)出所要監(jiān)控的畫面，基本達(dá)到實(shí)時(shí)效果并且畫面基本清晰。

6 結(jié)束語

視頻監(jiān)控在市場中具有較為廣泛的應(yīng)用場景，在日常生活中，視頻監(jiān)控可以用于安保與預(yù)警，保障了人們?nèi)粘Ｉ畎踩?；在日常出行中，視頻監(jiān)控可以應(yīng)用于行車記錄儀以及汽車的全景環(huán)視。并且隨著行業(yè)的拓展，搭配著其他技術(shù)可以應(yīng)用于特殊的領(lǐng)域，如車牌識別、人臉識別等應(yīng)用[20]。該文研究了相關(guān)的基于嵌入式視頻監(jiān)控的系統(tǒng)架構(gòu)，并簡單介紹視頻編解碼的流程，通過編寫視頻推流器和拉流器來實(shí)現(xiàn)視頻流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)和接收，為后續(xù)的視頻監(jiān)控開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。