基于Mjpg-streamer的跨平臺無線視頻傳輸系統

祝朝政，張毅偉，程禹嘉，嚴錫君

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基于Mjpg-streamer的跨平臺無線視頻傳輸系統

祝朝政，張毅偉，程禹嘉，嚴錫君

摘 要：為了解決基于Mjpg-streamer的遠程視頻系統只能通過特定瀏覽器查看與，可移植性差的問題，開發了采用QT框架的視頻解碼客戶端，實現了跨平臺的實時觀測，改變了原系統對于瀏覽器的依賴性，提高了Mjpg-streamer遠程視頻系統的可移植性,使得系統的適用范圍及使用方式更加寬泛及大眾化。

關鍵詞：視頻解碼；QT；跨平臺；Mjpg-streamer

0 引言

近年來，基于Mjpg-streamer的遠程視頻系統隨著嵌入式技術，多媒體技術，計算機網絡安全技術的快速發展也在不斷的更新與發展。但在某些特定的需求下，這個工程并不能達到我們的要求，隨著技術的不斷進步，人們對簡單、快捷、方便的追求日益提高，這就對項目的可移植性要求越來越高。

本文提出了一種基于ARM11+linux嵌入式的跨平臺的遠程視頻系統，鑒于QT框架強大的移植性，研究人員決定為基于Mjpeg-streamer的遠程視頻系統開發視頻解碼客戶端并采用QT開發框架，實現跨平臺的實時觀測，改變了對原系統依賴于瀏覽器的狹隘性，以便于在各個系統下更簡便的使用視頻監控系統。

1 系統總體設計

整個無線視頻傳輸系統包括客戶端和服務器端兩個部分。服務器端（嵌入式Linux系統平臺上基于Mjpg-streamer設計的服務器軟件）實現視頻數據的采集、處理以及發送；客戶端（基于Qt開發框架的視頻解碼程序）負責數據的接受以及顯示。首先服務器端通過攝像頭采集視頻數據，進行壓縮處理后通過無線wifi將數據發送到客戶端，客戶端對數據進行實時解碼并顯示視頻畫面。

該系統以S3C6410處理器為核心，外圍器件有Flash 、SDRAM、以太網卡DM9000以及USB接口的S608攝像頭，在Linux環境下對攝像頭采集到的原始圖像幀進行處理以及壓縮，通過網絡協議傳輸到上位機進行顯示，硬件平臺結構如圖1所示：

圖1　系統硬件平臺結構圖

2 系統軟件設計

系統采用C/S架構，服務器端采用嵌入式Linux系統作為軟件平臺，在該平臺上基于Mjpg-streamer設計服務器軟件。客戶端軟件是基于Qt開發框架的視頻解碼程序。總體工作流程是由USB攝像頭采集視頻數據，服務器端通過無線wifi將數據發送到其他平臺的客戶端上進行顯示，同時服務器端采用了多線程機制，實現了多個客戶端可同時顯示視頻畫面。

2.1構建ARM+Linux嵌入式平臺

在系統硬件平臺上構建嵌入式Linux系統，需要引導程序BootLoader和Linux源碼，本系統一直BootLoader源碼，然后用MiniUSB接口將其燒寫到Flash中，從Flash中啟動，引導在PC機上交叉編譯后的Linux鏡像及根文件系統，之后啟動Linux系統[1]。

1）編譯NAND啟動方式的uboot.bin

本系統的BootLoader采用開源的uboot軟件，首先解壓源碼到虛擬機，然后進入源碼目錄執行編譯nand flash的啟動鏡像文件的命令，生成uboot.bin即為啟動文件。

2）編譯Linux2.6.28內核鏡像文件

Kernel文件采用linux-2.6.28，首先解壓內核源碼到虛擬機，然后，進入源碼目錄執行make menuconfig命令，按系統需求配置裁剪內核，最后，執行make命令生成zImage即為Linux內核文件。

3）使用BusyBox生成基本根文件系統

本系統使用BusyBox-1.13.4生成根文件系統，首先，解壓內核源碼到虛擬機，然后進入源碼目錄執行make menuconfig命令，按系統需求配置BusyBox，執行make；make install會得到相應的bin，linuxrc，sbin目錄文件，基于以上文件建立自己的根文件系統，最后通過mkyaffs2image工具生成根文件系統的鏡像文件[2]。

4）驅動的配置，將所有USB攝像頭驅動編譯進內核。

# make menuconfig

Device Drivers

Multimedia support

[*]Video capture adapters ---＞

[*] V4L USB devices ---＞

將上面兩個配置選項下的子選項全部選上，這樣本系統基本上可以支持市面上大多數的攝像頭，而不僅僅局限于采用OV511,ZC03控制器的攝像頭了。

2.2視頻服務器軟件的設計

Mjpg-streamer是一款免費的視頻流服務器軟件，采用的是V4L2視頻設備開發框架，它能從攝像頭采集圖像以JPEG格式通過TCP/IP網絡協議傳輸到上位機進行顯示。

Mjpg-streamer移植

由于開發板采用的是ARM11架構的S3C6410處理器，所以在進行交叉編譯的候需要將Mjpg-streamer源碼目錄中，所有Makefile文件的CC=gcc改成CC=arm-linux-gcc,然后進行編譯，生成input_uvc.so、input_control.so、output_http.so、output_file.so組件。

服務器軟件工作流程

首先是初始化，包括輸入初始化和輸出初始化。輸入初始化，主要是調用V4L2對攝像頭初始化，包括捕獲視頻尺寸等設置。輸出初始化，主要是根據啟動參數配置輸出，比如主頁文件的目錄，使用的端口號等。接下來運行輸入和輸出函數，二者都會創建線程，并且會將線程從進程中獨立出來。輸入線程會創建抓圖線程cam_thread。這個線程就是輸入線程的主體，它是一個循環，只要用戶沒有按下Ctrl+C循環就會永遠繼續下去。抓圖函數uvcGrab以阻塞方式等待圖像數據，當有一幀數據到達后先處理為JPEG文件，對于YUYV格式的圖像數據先要轉換成RGB格式，再調用libjpeg庫壓縮為JPEG文件，對于MJPEG格式的輸入需要插入Huffman數據表。捕獲并處理了一幀視頻之后再通知所有等待數據的客戶端線程。輸出線程分為兩大部分：并發服務器線程和客戶端處理線程。并發服務器線程server_thread負責監聽客戶端請求，一旦有請求就創建一個新的客戶端線程專門負責來自此客戶端的HTTP請求。這樣服務器線程就可以一直監聽客戶端請求，本系統設置的最大可以處理的客戶端數為10。一個客戶端線程client_thread只負責處理一個客戶端響應，也就是只響應一個IP地址的請求。進入client_thread之后，將會發送HTTP響應頭。通過設置了一些響應頭，使得服務器可以不斷地發送JPEG數據給客戶端。pthread_cond_wait以阻塞方式等待一幀數據的到來，一旦有JPEG數據就馬上把數據從全局緩沖區中取出，發送給客戶端。整個工作流程如圖2所示：

圖2　服務器端的工作流程圖

2.3視頻客戶端軟件的設計

為了能夠實現跨平臺的實時查看視頻，鑒于Qt開發框架強大的移植性，我們開發了Qt版的視頻解碼程序，并編譯了各個主流平臺的版本，實現了真正意義上的跨平臺。客戶端的總體框架結構如圖3所示[3]：

圖3　客戶端總體框架結構

從Mjpg-Streamer源碼中的send_stream()函數可以看出，當客戶端向服務器端發送請求之后，服務器端會返回以http作為響應頭的視頻數據流。另外為了避免不斷的發送請求，響應，采用了服務器推送技術。即將content-type指定為:content-type:multipart/x-mixed-replace；bound

ary=BOUNDARY。由于jpeg圖片有固定的幀格式，我們只需將接收到的數據流按位分析，找到0xff 0xd8開頭，0xff 0xd9結尾的這個數據段，將其保存在字符數組中，并轉換成jpeg圖片，在label控件上顯示，就是一幀圖像的顯示了，依次循環，就完成了視頻流的解碼。具體的是解碼算法流程圖如圖4所示[4]：

圖4　視頻解碼算法

3 跨平臺的測試

為了測試跨平臺的視頻顯示效果，我們分別在ARM-Linux開發板、Fedora9系統和Android4.4系統下進行測試。

定制化手持式控制終端，采用ARM-Linux架構，通過無線網卡與服務器端進行ad-hoc連接，將視頻接收并顯示在TFT液晶屏上，如圖5所示：

圖5　在ARM-Linux開發板上測試客戶端的程序

在VMware虛擬機中安裝Fedora9，通過無線路由器做中介，使服務器端與Fedora9系統的客戶端進行連接，并將視頻顯示在客戶端中，如圖6所示：

圖6　在Fedora9系統上測試客戶端程序

小米4手機自建熱點網絡，服務器端通過無線網卡連接到熱點，與Android4.4系統的客戶端進行通信，點擊圖7中的紅點即可開始接收顯示視頻，如圖7所示[5]：

圖7　在Android4.4系統上測試客戶端程序

4 總結

該系統突破了以往只能通過特定瀏覽器查看的限定，實現了用戶在各個版本中觀看視頻的功能，使得操作簡單，攜帶設備更方便，解決了以往運行時必須使用某幾類瀏覽器的問題，讓該系統更加整體化。同時客戶端的圖像可以實時顯示，沒有延時，圖像清晰。該系統的用戶界面窗口簡潔大方，設計美觀，操作人員容易學習操作，任何人都可以輕易實現功能，解決了只有專業人員才能使用的限制。

參考文獻

[1] 肖兒良,毛海軍,鞠軍平,等.基于開源軟件MJPG_Streamer的智能視頻監控系統設計[J].微電子學與計算機,2013,6(6):84-87.

[2] 李亞東.基于ARM的履帶式目標檢測機器人研究與實現 [M].南京:河海大學,2013.

[3] 陳恒鑫,林 威,張欽宇.基于Mjpg-streamer的移動視頻監控系統設計[J].計算機測量與控制2014.22(11):3597-3599.

[4] 陳金輝.基于Mjpg-streamer的遠程視頻監控系統 [M].衡陽:湖南工學院,2012.

[5] 郭加貝.基于Android智能手機視頻監控的應用軟件開發[M].杭州:杭州電子科技大學，2011.

Cross-platform Wireless Video Transmition System Based on Mjpeg-streamer

Zhu Chaozheng, Zhang Yiwei, Cheng Yujia, Yan Xijun
(College of Computer and Information, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract:In order to solve the problems that remote video system based on Mjpg-streamer only can be viewed through a particular browser and has poor portability, video decoding using QT framework is developed in the client side to realize the real-time observation of cross-platform. It changes the dependence on browsers of original system, and enhances the portability of Mjpg-streamer remote video system, which makes the usage scope and mode of the system wider and more popular.

Key words:Video Decoding; QT ;Cross-platform;Mjpg-streamer

收稿日期：（2015.04.28）

作者簡介：祝朝政（1995-），男，信陽，河海大學計算機與信息學院，研究方向：計算機科學與技術，嵌入式系統，南京，210098；張毅偉（1993-），男，南通，河海大學計算機與信息學院，研究方向：計算機科學與技術，南京，210098；程禹嘉（1996-），女，吉林，河海大學計算機與信息學院，研究方向：計算機科學與技術，南京，210098；嚴錫君（1963-），男，南通，河海大學計算機與信息學院，副教授，研究方向：無線傳感器網絡、嵌入式系統，南京，210098；

文章編號：1007-757X(2016)01-0057-03

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A