基于嵌入式Web的雙路遠程視頻同步監控方法

楊 軍，陳東升

(1. 重慶師范大學，重慶 401520；2. 重慶師范大學數學與計算機學院，重慶 401520)

1 引言

人們對財產及自身安全更加重視，因此，對監控系統的需求也逐漸增高?，F階段視頻監控系統已經廣泛應用于我國生產生活的各個方面。數字監控系統的出現解決了傳統模擬視頻系統中視頻清晰度較低的問題，但是由于其視頻采集系統的構成較為復雜，且穩定性和擴展性較差，導致其實用性較差，于是嵌入式監控系統應運而生，該系統克服了傳統數字系統的大部分缺點，且可靠性和穩定性較高，更便于后期的安裝和維護管理。

文獻[1]提出了一種基于ARM平臺的實驗室視頻監控系統設計。該方法以ARM SSPV210嵌入平臺作為監控系統的控制器，將Linux操作系統與雙頻段RFID信號采集融合，對實驗室人員和設備進行管理；系統的視頻圖像采集端為外接USB高清攝像頭，采集的視頻圖像通過硬件編碼后上傳至服務器，并且在本地SD卡內備份，完成對實驗室監控系統設計。實驗表明該方法的穩定性較高，能夠滿足對實驗室安防管控的基本需求，但是由于視頻數據過大，傳輸過程信號丟失，導致其監控畫面不清晰。文獻[2]提出一種基于云控制系統的監控系統。該系統采用重構技術以API形式將控件集成于監控系統中，實現自定義監控界面的功能，并基于TCP/IP協議實現同云節點的雙向通信，從而達到連續監控的目的。對比分析實驗表明該方法的監控效果較為清晰，但是傳輸效率較低，不能實現同步性。

為了更好地實現嵌入型監控的同步性能，提高視頻信號的傳輸效率，滿足市場對雙路監控的需求，本文提出了一種基于嵌入式Web的雙路遠程視頻同步監控方法。主要分為三個步驟完成雙路遠程視頻的同步監控，首先監控前端通過FPGA(Field-Programmable Gate Array)模塊對雙路監控目標的視頻信號采集，然后使用運動補償技術和軟閾值小波變換技術融合法將監控前端采集到的視頻信號壓縮，最后為了實現同步監控，對傳統的TCP/IP傳輸協議改進，改進后的TCP/IP協議為多鏈路通信，能夠有效提高數據的傳輸速度，并且在網絡狀態較差時能向視頻壓縮器進行反饋，使其重新更改參數，再次壓縮以適應當前的網絡環境的數據傳輸能力。

2 嵌入式Web的雙路遠程視頻同步監控

基于嵌入式Web的雙路遠程視頻同步監控方法主要工作原理為：將現場攝像機內設置一個嵌入式Web服務器[3]和一個視頻圖像數據壓縮器。監控前端通過FPGA模塊[4]對攝像頭采集到的圖像進行處理完成監控目標的視頻信號采集，然后通過圖像壓縮器對獲取的視頻信息進行壓縮，最后數據由內嵌的Web服務器處理后，通過端口將視頻信號發送至監控端。監控示意圖如圖1所示。

圖1 遠程監控總體結構

2.1 雙路視頻圖像采集

監控前端的FPGA模塊用來實現視頻信號的采集與信號輸出控制，其主要功能為以下幾點：

1)從兩個攝像頭獲得的視頻信號內采集到有效像素單元。

2)對兩路視頻信號進行合并，并將其交替存儲至兩個隨機儲存器內SRAM(static random aces memory)[5]內。

3)將SRAM內儲存的視頻數據讀出，經接口傳輸至視頻信號壓縮器。

圖2為雙路視頻采集流程圖。

圖2 雙路的視頻采集流程圖

如2所示，將經過解碼后的兩路視頻信號同時輸入FPGA模塊內，解碼后的兩路視頻信號頻率相同，但是由于二者來自不同芯片，導致其相位不同，不能使用同一時鐘同時采集，因此將兩路視頻數據暫存至兩個臨時儲存器內，使用一個全局時鐘對兩路信號進行并行采集至FPGA模塊內。兩個儲存器的大小均為16bit，恰好能夠完整對一個格式為RGB5：6：5的像素值進行儲存。FPGA則在全局時鐘的控制下從鎖存器內并行讀出兩路數據，全局時鐘的頻率為像素時鐘的8倍，FPGA每經過8個全局時鐘周期從鎖存器內采集數據一次。因此，鎖存器內的數據就不會由于寫入或取出速率不一致而發生丟失的情況。

2.2 視頻圖像壓縮器

視頻信息中包含了巨大的數據量，增加了傳輸和儲存的困難，因此，需要將原始圖像進行壓縮[6]，提高視頻數據的傳輸速度，實現同步監控。視頻信號為運動圖像信號，其幀內相鄰像素的灰度相關性較高，且不同幀之間的相關性更高，若可以消除視頻幀間的視覺冗余度，即可以提升編碼效率，實現圖像壓縮。將運動補償技術和軟閾值小波變換技術進行融合即可以更有效地對圖像幀內和幀間進行統一量化和編碼。

運動補償法以最小均方差準則為基礎，在上一幀圖像中對與當前幀的匹配塊進行篩選，將篩選出的圖像作為預測塊，并計算出預測誤差[7]。隨后對預測誤差的幀內編碼進行壓縮，為了使兩種方法融合效果更好，對運動補償技術進行改進，使用相鄰塊的匹配塊預測獲得的加權值作為當前塊的預測模型，以避免圖像塊之間由于不連續而導致塊效應的發生。同時在算法中引入灰度變換因子以減小各個圖像塊間灰度的差異性，即

(1)

視頻圖像幀間運動是由于視頻中場景變換導致的，如果監控的輸入端為原始灰度圖像，圖像的兩個連續幀為In(x)和In+1(x)，則可根據視頻的幀間運動規則，模型化運動參數U。運動參數的確定可通過兩個步驟完成，首先定義一個誤差函數如下

(2)

通過式(2)修正運動參數U，其表達式如下

Uk+1=Uk+J(U)

(3)

通過式(3)即可完成運動圖像的運動參數估計。

設D(λ)表示閾值的λ算子，則小波的軟閾值操作能夠定義為

D(U，λ)=sgn(U)max(0，|U|-λ)

(4)

為了使視頻信號的變化較為平緩，使用非線性化處理對軟閾值化進行改進，改進后的處理方法如圖3所示。

圖3 非線性軟閾值處理

基于非線性的軟閾值處理方法的變換函數為一條光滑曲線，能夠使變換后的系數盡可能平緩，從而提高視頻圖像質量。設T為閾值處理函數，則非線性軟閾值處理可以表示為

(5)

將非線性軟閾值處理法融入視頻圖像編碼，結合運動補償技術的圖像壓縮方法流程圖如圖4所示。

圖4 圖像壓縮流程

其具體實現過程為：

1)對輸入視頻進行小波變換分解處理，并對分解后的子圖像進行閾值量化處理，完成幀內圖像的編碼壓縮。

2)利用信號的頻帶系數特征，采用改進后的運動補償方法對視頻中的低頻子圖像進行幀間預測，計算出預測誤差。

3)使用軟閾值小波變換對預測誤差的幀內編碼進行壓縮，同時根據運動參數估計出當前幀與下一幀之間的相關性，從而確定壓縮下一幀圖像的方法，減少幀間的冗余度。

4)合成兩種方法的壓縮結果，并且輸出合成結果。

2.3 嵌入式視頻Web服務器設計

服務器由視頻輸入模塊、視頻編碼模塊和Web服務器組成。視頻輸入模塊主要作用是將攝像機輸入的圖像信息轉換成數字圖像信號，并且將信號發送至視頻編碼模塊。視頻編碼模塊主要作用是對輸入的數字圖像信號通過上文方法進行壓縮編碼。Web服務器主要是由存儲器、單片機控制器[8]、以太網控制器[9]和以太網接口[10]組成，其整體框架如圖5所示。

圖5 Web服務器框架

Web服務器同時負責響應監控端的服務請求，當監控端發出指令時，客戶端即和服務器建立連接，并將控制指令發送至服務器，令服務器回傳視頻碼流，該通信流程是通過TCP/IP接口完成的。圖6為服務器的執行流程圖。

圖6 服務器的執行流程圖

分析圖6可知，當服務器開始運行時主進程會立即建立一個套接口，將其和主機地址進行捆綁，進入被動監聽狀態，準備執行客戶端的連接請求。該過程中采用SOCKET()建立套接口，由LISTEN()完成監聽，最后通過ACCEPT()負責信息接收。當ACCEPT()接收到一個連接請求時，立即會返回一個套接口描述符，從而使服務器能夠同時接受多個請求。子進程主要作用為處理各個細化請求，分為以下幾個模塊：通用函數模塊、CGI錯誤處理模塊、靜態文本處理模塊。單片機的數據處理流程如圖7所示。

圖7 單片機處理流程圖

2.4 雙路遠程視頻同步監控實現

若要實現遠程同步監控，則數據傳輸就要具有一定的實時性、同步性和分布性的特點。在使用Internet傳輸數據的過程中，傳輸層存在兩個協議：傳輸控制協議(TCP)和用戶數據報協議(UDP)，UDP為一種不可靠、無鏈接的協議，TCP為一種以鏈接為基礎，能夠提供可靠數據傳輸的協議?？紤]到同步遠程監控圖像傳輸的重要性和實際操作性，本文采用可靠性更高且更易實現的TCP/IP協議。并且為了提高數據傳輸效率，實現同步監控，對傳統TCP/IP協議進行改進，即在客戶端和服務器之間建立多個鏈接，并對所建鏈接進行通路測試，選擇傳輸速度較快的鏈接作為實際數據傳輸的通路，具體操作方法如下：

對于中國農民而言，“糾紛寶塔理論”所刻畫的由下至上的糾紛解決層級結構并非是一個需要“攀爬”的實體[14]，而是一個可以靈活選擇而跳躍達至的扁平結構。鄉土正義系統是糾紛解決過程中以農民的法律資源選擇為主的法律秩序公共品集合體。就本文的分析所及，鄉土正義供給系統看似具有層級性，但在農民進行法律資源選擇的過程中，正義系統中的部件結構卻是扁平化的，農民既可以找村干部調解糾紛，也可以向派出所尋求幫助，也可以綜合利用鄉鎮政府的熟人關系網絡來促成糾紛的解決。

1)根據實際情況設計同時傳輸的鏈接個數，每個鏈接均由一個固定線程進行管理，并且各個線程之間能夠互相通信。當服務器與客戶端之間開始通信時，只允許一個鏈接進行數據傳輸，其余鏈接則不斷進行通路測試，當正在傳輸數據鏈接發生阻礙或速度較慢時，則將傳輸任務交給通路測試中速度最快的那個鏈接，傳輸示意圖如圖8所示。

圖8 多連接數據傳輸示意圖

2)當網絡狀態較差導致所有鏈接都不能夠進行傳輸時，則傳輸模塊會立即將信息傳送至壓縮模塊，壓縮模塊根據實際的網絡狀況，重新調整壓縮參數，獲得數據更小的視頻流，適應由于網絡狀態而導致的傳輸能力不足的情況。

綜上所述，在各模塊共同作用下，以改進的多連接TCP/IP協議作為數據傳輸通道，實現對遠程視頻的同步監控。

3 仿真研究

為驗證所提方法的有效性，首先對同步監控的視頻壓縮功能進行測試，測試之前首先將壓縮模塊初始化，壓縮后視頻圖像呈現效果如圖9所示。

圖9 壓縮后視頻圖像呈現效果圖

從圖9中可以看出，壓縮后的圖像質量與原始圖像相比并沒有下降，說明所提方法能夠較好地保持原始圖像的真實性與圖像細節，能夠較為完整地還原真實場景信息。這是由于所提方法采用運動補償技術和軟閾值小波變換技術相結合，對圖像幀內和幀間進行統一量化和編碼，從而實現對視頻圖像數據的有效壓縮。

隨后對視頻傳輸性能進行測試，視頻傳輸即為將壓縮后的視頻數據發送至視頻終端的過程，該過程要求傳輸程序占用的帶寬不能過大，傳輸的效率盡可能更高。測試之前先將相關網絡參數初始化，然后根據實際情況對傳輸函數進行設定，再對壓縮后的視頻信號進行傳輸，測試結果如表1所示。

表1 視頻信號傳輸效果測試結果

從表1中可以看出，所提方法的傳輸效率較高，能夠滿足視頻監控的同步性要求。這是由于該方法在監控前端設置了兩個攝像機，兩個攝像機同時進行監控目標的視頻圖像采集工作，從而提高了數據采集效率，進而提升了視頻信號傳輸效率。

4 結論

本文對嵌入式Web的雙路遠程視頻同步監控方法進行了設計，實驗表明本文監控系統的效率較高、視頻畫面較為清晰，能夠滿足實時監控的基本要求。但是由于時間和精力有限，本文方法還有所欠缺，如：①視頻監控方法中沒有設置信息回放模塊，不具備信息回訪功能；②在視頻顯示畫面出現問題時，沒有設置問題報警機制。在未來的工作過程中，還需要在以上方面做進一步研究，對監控方法進行優化。