摘要：隨著網絡和多媒體技術的廣泛應用，數字網絡視頻得到了飛速發展。尤其在監控領域，將傳統的模擬視頻監控信號轉換為數字視頻信號，并且利用現有IP網絡設計一個不受距離限制的廉價通用網絡視頻監控設備成為了新的熱點。本文根據這方面的應用需求提出一種設計方案。本方案的實現平臺是基于Intel PXA255的嵌入式硬件平臺以及基于嵌入式Linux的軟件平臺，采用先進的MPEG-4編碼標準。最終實現一個具有實時視頻采集壓縮及傳輸功能的可以直接接入以太網的網絡攝像機。
關鍵詞：PXA255 Linux MPEG-4 網絡攝像機 流媒體技術
1 系統概述
本方案設計的是基于IP網絡的實時視頻采集、處理及傳輸系統。整個系統在嵌入式軟硬件構架上實現，無需其它設備協助就能獨立完成通用目的視頻應用，比如視頻監控和網絡視頻會議。
1.1 硬件系統概述
整個系統除攝像頭部分外都是在Intel PXA255評估平臺Sitsang(簡稱Sitsang板)上面實現的。Sitsang板以PXA255為核心，配備了大量的硬件資源，其中通信接口中的以太網控制器和USB Host控制器在本系統中尤為重要。Sitsang板采用Standard Microsystems LAN91C96以太網控制器，它通過U52與網絡相連，支持IEEE802.3的10Mb/s模式。Sitsang板采用Philips ISP1161作為USB Host控制器，使用USB Host接口可以使Sitsang板與視頻采集攝像頭相連。以太網控制器和USB Host控制器通過數據總線收發器(74LVCH32245)以及地址、數據總線驅動器(74LVCH32244)與PXA255相接。整個硬件系統如圖1所示。
1.2 軟件系統概述
整個系統軟件是在嵌入式Linux基礎之上構建的。Sitsang板使用的嵌入工Linux內核是在linux-2.4.19內核上打上patch-2.4.19-sitsang2這個補丁后編譯而成。Sitsang板使用的文件系統是針對Flash的無緩沖機制的jffs2文件系統，文件系統中包含應用程序、模塊、配置文件、圖形界面和庫等。Sitsang板使用的是基于Qt/Embedded的圖形界面系統。視頻信號的采集、壓縮和傳輸是建立在圖形界面和嵌入式Linux內核之上的。整個軟件系統如圖2所示。
2 系統設計
系統的設計目標是設計一個工作在Sitsang/Intel PXA255和嵌和試Linux平臺上，內置視頻Web服務器，采用MPEG-4編碼標準，支持相關網絡傳輸協議的網絡攝像要。系統的設計可以被分為以下幾個大部分：
*嵌入式Linux內核的移植和編譯，文件系統和圖形界面系統的安裝;
*基于嵌入式Linux視頻采集模塊的設計;
*視頻圖像壓縮模塊的設計;
*基于嵌入式Linux的網絡視頻流服務模塊的設計。
2.1 Linux內核、圖形界面系統及文件系統的安裝
2.1.1 嵌入式Linux內核的定制
工作在Sitsang板上的嵌入式Linux內核的定制步驟與其它嵌入式平臺的開發步驟相似，具有一定的通用性，所以在這里將不再詳述，但是要注意兩點。
①在解壓縮Linux內核源代碼后，假設源代碼是linux-2.4.19.sar.gz，需要為源代碼打上Sitsang板的支持補丁：%gzip-dc patch-2.4.19-sitsang2.gz|patch-p0。
②在使用make menuconfig定制內核時，注意要讓內核支持USB接口的攝像頭，具體步驟為：在制定菜單中選擇Multimedia devices→Video for Linux，這使得內核被配置了Video4Linux，為視頻采集設備提供了編程接口;在菜單中選擇USB Support→USB Multimedia devices→USB OV511 Camera Support，這使得在內核中加入了對4采用OV511接口芯片的USB數字攝像頭的驅動支持。2.1.2 圖形界面系統的編譯與安裝
Sitsang板使用的是基于Qt/Embedded的圖形界面系統，Qt/Embedded的編譯主要分為三個步驟：
①編譯Qt/X11，Qt/X11是運行在IBM兼容PC中標準Linux這上的，這主要為Qt/Embedded及其應用程序提供圖形編譯環境及仿真運行環境;
②編譯Qt/Embedded，Qt/Embedded為在嵌入式Linux平臺上運行的圖形界面系統及應用程序提供一系列的函數庫;
③編譯Qtopia，通過使用Qt/X11提供的編譯工具以及Qt/Embedded提供的函數庫，編譯出最終基于嵌入式Linux平臺的圖形界面系統及該環境下的應用程序。
2.1.3 文件系統的安裝
在嵌入式平臺上用作非易失存儲的設備一般是Flash，因而在嵌入式平臺上除了廣泛使用的ext2文件系統外，還經常使用jffs2文件系統。作為日志型文件系統，jffs2直接寫到非易失存儲器上，而不使用如ext2的緩沖機制，這樣在隨時斷電的情況下夠保護用戶的資料。直接使用mkfs.jffs2生成Sitsang板上的jffs2文件系統。
2.2 基于嵌入式Linux視頻采集模塊的設計
在嵌入式Linux的內核定制和編譯階段，已經加入了對Video4Linux模塊以及OV511設備的支持，所以運行在Linux下的視頻圖像采集程序，可以通過Video4Linux模塊提供的編譯接口(API)從OV511設備中獲取圖像幀。
①加載USB及OV511設備驅動模塊，同時加載Video4Linux模塊。分別使用命令：modprobe usbcor、modprobe usb-uhci、modprobe vodeodev和modprobe ov511。加載后將生成視頻設備文件/dev/video0，為了和Video4Linux模塊相協調，使用ln-s/dev/video0/dev/video為Video4Linux模塊的默認視頻設備voideo與物理視頻設備video0建立連接。
②使用Video4Linux模塊提供的API進行視頻采集程序的設計。Video4Linux模塊的視頻采集接口設備為/dev/video，采集程序打開此接口設備并掃描 它以尋找自己所需要的數據。
這里將簡要介紹一下Video4Linux模塊提供的主要API函數：VIDICGCAP函數以數據結構video_capability返回視頻采集設備的性能參數;VIDIOCSFBUF函數使用數據結構video_buffer設備采集設備的幀緩存參數，如果設備不支持幀緩存則此調用無效;VIDIOCGWIN函數使用數據結構video_window來設備采集窗口參數，使用參數1調用VIDIOCCAPTURE則開始視頻信號采集，使用參數0則結束采集;VDIOCGCHAN函數用來查詢不同的采集通道(包括音頻信道)，使用數據結構video_channel返回通道屬性;VIDIOCSPICT函數使用數據結構video_picture來獲取和設置采集圖像幀的屬性，比較重要的是圖像幀的調色板參數;read函數讀取采集通道中效的下一幀圖像，所讀取的圖像格式和尺寸由前面介紹的VIDIOCSPICT函數和VIDIOCGWIN函數決定，這些API函數以及數據結構定義在頭文件 中。
整個視頻采集模塊的工作流程見圖3。
2.3 視頻圖像壓縮模塊的設計
由視頻采集模塊獲取的視頻圖像需要在以太網上傳輸，為了提高傳輸效率從而提高視頻圖像質量，則需要將原始的視頻圖像進行壓縮編碼。本系統采用先進的MPEG-4標準對視頻圖像進行壓縮編碼，在幾種開放源代碼的MPEG-4編碼軟件中，選擇xvidcore作為本系統中視頻圖像壓縮模塊中的核心算法。xvid是一個高效的而且具有可移植性的編碼軟件，目前版本為xvidcore-1.0.1。xvid支持Simple Profile和Advanced Profile，支持I/PFrames、B-Frames、Interlacing和GMC，以鉆石和方塊模式來進行PMVFast和EPZS運行估計，是目前比較流行的MPEG-4編碼軟件。
對xvidcore-1.0.1進行交叉編譯比較簡單，有以下主要步驟。
①解壓縮xvidcore源代碼：tar-zxvf xvidcore-1.0.1.tar;
②設置環境變量：export xvidcore="the path of xvidcore";cd $xvidcore/build/generic;
③生成makefile:./configure-host=localhostbuild=arm-linux-gcc;
④編譯源代碼：make;make install;
⑤將交叉編譯生成的庫文件libxvidcore.so.*拷貝到交叉編譯器工作目錄的lib子目錄中，該庫文件為系統的其它模塊提供了編程接口。2.4 基于嵌入式Linux的網絡視頻流服務模塊設計
2.4.1 Linux中流數據的操作
在本設計中，數據在整個系統中是以流數據的形式存在的，Linux內核為流數據提供了一個標準的編程接口，這種接口為數據從外部設備經內核到達用戶進程提供了一個全雙工通道。在這個通道中，數據的處理模塊是作為可選的中間件由用戶動態加載的，上面設計的視頻壓縮模塊就是這樣的一個中間件。
2.4.2 ASF流式文件格式
本系統主要是用于實時視頻應用，所以需要系統提供對流式文件格式的支持，這樣在接收方利用標準的流視頻播放軟件，如MMedia Player就可以觀看實時傳輸的視頻.在本系統中采用了開放的ASF流格式.壓縮后的視頻數據在傳輸前需要對其進行ASF編碼.ASF文件的基本組織單元為ASF對象,每個對象由三個域組成:對象標識符域、對象大小域和對象數據域。ASF文件的高層邏輯結構也包含三部分：頭對象、數據對象和索引對象。其中，頭對象包含了許多全局信息，數據對象則包含了所有待播放的數據，頭對象必須在數據對象之間被接收方接收并解釋。
2.4.3 流視頻協議
流視頻協議是為了在客戶機和視頻服務器之間進行通信而設計和標準化的。根據它們的功能，與網絡上流視頻相關的協議分為三類。
*網絡層協議：網絡層協議提供了基本的網絡服務支持。IP就是網絡上流視頻使用的網絡協議。
*傳輸協議：傳輸協議為流服務提供端對端的網絡傳輸功能。TCP、UDP、RTP和RTCP就是網絡上流視頻使用的傳輸協議。
*話路控制協議：話路控制協議定義消息和程序。RTSP就是一種話路控制協議。
為流視頻設計的協議棧如圖4所示。在發送方的數據面，壓縮且經過ASF編碼的視頻數據被讀出并在RTP/RTCP/RTSP層上打包，以提供定時和同步信息以及包的序列號。然后把這些打包的RTP數據流發送到UDP/TCP層和IP層，得到的IP包在網絡上傳輸。在接收方則按照相反的方向處理。在控制面，RTCP包和RTSP包在UDP/TCP層上復用，并且被送到IP層，以便通過網絡傳輸。
3 小結
系統采用先進的MPEG-4編碼標準，得到了較高的壓縮比。經測試、在50Kbps～100Kbps的帶寬下，對CIF(352×288，30fps)格式的視頻有較好的表現能力。滿足了在目前寬帶環境中的網絡視頻會議以及視頻監控的要求，其應用十分廣泛。