基于ARM的嵌入式視頻監控系統的設計與實現

楊建國 蔡立志 鄭 紅

1(華東理工大學計算機科學與工程系 上海 200237)2(上海計算機軟件技術開發中心 上海 200235)

0 引 言

視頻監控技術廣泛應用于安防、人防等領域，如何更好地獲得監控現場的圖像數據一直是熱點研究問題之一。傳統的采用電荷耦合元件CCD(Charge-coupled Device)攝像機獲取現場視頻信息的方案易于實現，但存在成本較高、布線隨意、維護比較困難、設備體積大、系統擴展困難、智能化程度低等問題。

相比較之下，憑借內核可裁剪、實時性強、擴展功能多、網絡功能強等方面的諸多優點，ARM和嵌入式Linux系統實現圖像的采集與傳輸的應用具有得天獨厚的優勢。與其他數據相比，一般的視頻信息具有直觀、形象、準確和信息容量大等特點。視頻的原始數據量非常大，但是如果不經過壓縮，這樣的視頻數據很難在實際的嵌入式系統中應用實現。

嵌入式Linux系統的應用程序可以通過網絡進行更新，數據可通過串口向上位機傳輸，也可以通過以太網向上傳遞，用戶可通過網絡客戶端實現監控。

1 系統設計方案

本文所設計的系統，是基于S3C2440 ARM9平臺和嵌入式Linux系統之上的。系統的主要流程如下：

(1) 在S3C2440 ARM9開發板連接USB攝像頭。

(2) 利用Linux操作系統下的V4L2編程接口采集視頻信息。

(3) 利用x264對原始信息進行壓縮編碼。

(4) 對壓縮后的碼流包成實時傳輸RTP數據包。

(5) 將數據包封裝，通過以太網實時發送到PC客戶端VLC Media Player進行播放。

系統視頻監控模塊的劃分如圖1所示。

圖1 視頻監控模塊劃分

2 視頻監控設計方案

視頻監控系統分為視頻采集、視頻壓縮和視頻傳輸三部分。

2.1 視頻采集

系統視頻設備使用的是V4L2。V4L2支持兩種方式來采集圖像：內存映射方式和直接讀取方式。系統通過V4L2接口，采取內存映射方式進行視頻數據采集，流程如圖2所示。

圖2 視頻采集部分流程圖

2.2 視頻編碼

視頻信息與其他數據相比，視頻的原始數據量非常大。按照電視標準委員會NTSC標準的幀速率30幀/s，視頻信號的傳輸率約為26.4 MB/s，遠遠高于計算機的數據傳輸速率，原始視頻信息很難直接存儲到存儲媒體上去。因此，必須進行數據壓縮。系統編譯安裝x264源代碼，對顏色編碼方法YUV格式進行編碼。

首先用init_encoder()進行編碼參數設置，包括設置幀率分子和幀率分母(它們的比值作為幀率)，顯示的寬度和高度，采用的編碼方式等。接著對編碼器初始化，本文定義了一個結構體如下：

typedef struct{

x264_param_t *param;

x264_t *handle;

x264_picture_t *picture;

x264_nal_t *nal;

}Encoder;

其中：param記錄設置好的各項參數；handle為句柄；picture說明每一幀序列中的特點；nal為編碼后封裝好的單元。

2.3 視頻傳輸

系統采用實時傳輸協議RTP來傳輸視頻數據，在傳輸數據時將視頻數據和RTP頭信息打包成RTP包。每個封裝好的RTP包由頭部和負載兩部分組成，其中頭部的長度是12個字節，負載是具體的多媒體數據。系統定義了RTP固定頭部的結構體如下：

typedef struct

{

u_char csrc_len:4;

u_char extension:1;

u_char padding:1;

u_char version:2;

u_char payload:7;

u_char marker:1;

u_short seq_no;

u_long timestamp;

u_long ssrc;

}RTP_FIXED_HEADER

通過定義RTP固定頭結構后，可設置負載類型、時間戳等信息。

3 系統實現和分析

基于ARM的監控系統實現客戶端一般采用個人計算機，服務端采用ARM9 S3C2440處理器。在開發階段，在虛擬機所建立的集成開發環境下進行編程和交叉編譯。通過RS232串口線與ARM的SecureCRT進行通信，傳遞控制信息。

在監控系統實現階段，首先在客戶端安裝VLC Player，建立會話描述協議文件并播放；然后，通過終端仿真程序SecureCRT運行服務端程序，讓ARM通過網絡接口向PC客戶端VLC Media Player傳遞視頻數據。

打開VLC Player的“工具”選項，選擇“編解碼器信息”，可以看到如下實驗結果：編碼：H264-MPEG-4 AVC；分辨率：320×240；幀率：20。再打開“統計”欄，顯示如圖3的實驗結果。其中：已解碼：841塊；已顯示：1 088幀；內容位率：166 KB/s。

圖3 基于ARM的視頻監控系統實驗解碼統計

作為比較，如果直接用攝像頭作為捕獲設備，對視頻進行本地抓取，實驗效果如圖4所示。可得到以下實驗結果：編碼：Packed YUV 4∶2∶2，YU∶Y∶V(YUY2)；分辨率：320×240；幀率：20。其中：已解碼：869塊；已顯示：3 014幀；內容位率：8 677 KB/s。

圖4 編碼器信息圖

圖5是利用VLC Media Player和攝像頭捕捉本地視頻數據的顯示截圖。在對結果進行比較時，“內容位率”是一個關鍵參數，內容位率又稱為“碼率”，指單位時間內，單個錄像通道所產生的數據量。

圖5 本地視頻監控系統實驗解碼統計

用三組數據實驗，原始視頻均采用YUY2方式、320×240像素的分辨率、20幀/s的情況下進行采集。在同一情況下，對于每一幀，x264解碼的塊數與原始視頻處理的塊數基本相同，顯示幀數與原視頻幀數內容位率比為0.02、0.02、0.02。

從圖6中可以看到，在基于ARM的視頻監控系統中，采用x264壓縮編碼后，內容位率分別從8 677 KB/s降至166 KB/s,從13 243 KB/s降至208 KB/s,從9 782 KB/s降至187 KB/s，平均降低到2%，有效地提高了x264編碼效率。同時視頻傳輸時占據的網絡帶寬非常低，視頻播放流暢，基本可以滿足實際應用中的實時監控的要求。

圖6 原視頻和x264壓縮后內容位率對比

在同一情況下，在基于ARM的視頻監控系統中，x264壓縮視頻幀數與原視頻的幀數對比依次為0.36、0.33、0.35。如圖7所示，由于采用有損編碼，基于ARM的視頻監控的視頻清晰度有所下降。

圖7 原視頻和x264壓縮視頻數對比

4 結 語

本文討論基于ARM的嵌入式視頻監控系統的設計，給出了視頻系統中的視頻圖像采集方案和視頻壓縮方案。在視頻系統中，用戶可以在客戶端播放實時視頻信息，以達到實時監控的目的。實驗表明，該系統采用x264壓縮編碼后，有效降低了內容位率。系統開發成本低、體積小、功耗低、使用方便，可用于安防領域，如社會安全監控；醫療領域，如特護病房視頻監控；校園安全領域，如安全監控等，具有較好的市場前景。