網絡視頻無線傳輸監控系統前端設計
隨著社會的不斷發展和進步，人們日常生活中安全問題得到越來越高的重視。視頻監控作為安全防范系統的重要組成部分，使得人們可以遠距離的觀察和調度被控區域的能力，以其直觀、準確、及時和信息內容豐富等優勢廣泛應用于現代化小區、交通、運輸、消防等領域。隨著科學技術的不斷進步和人們對監控系統要求的不斷提高，監控系統也經歷了從模擬監控時代到數字化網絡監控時代的飛速發展變化。基于國內已經投入商業運營的3G 網絡的無線視頻監控系統具有強大的無線網絡傳輸功能，能夠克服由于地理位置、布線成本和遠距離監控等帶來的問題。相對于有限傳輸，無線傳輸模式具有安裝方便、靈活性強、性價比高等特性，諸多優勢使得無線監控系統成為如今視頻監控領域新的發展方向。
基于這一發展方向，ARM 微處理器具有體積小、功耗低、成本低、性能高等優點，Linux操作系統具有開放源碼、可裁剪、易操作等優點。無線視頻監控系統前端采用ARM926一EJS微處理器和Linux操作系統，通過無線發射模塊把采集、壓縮編碼好的視頻流發送到3G無線網絡過程中。本文重點闡述對視頻信號的采集、壓縮編碼、發送過程。
1 視頻監控系統前端硬件設計
無線視頻監控系統前端，主要完成現場視頻的采集、壓縮編碼、發送。系統硬件平臺主要由嵌入式微處理器ARM926-EJS，NAND FLASH，DDR2、TVP5150視頻輸入、CH7024視頻輸出、網口LAN8700、LC6311無線發射模塊等組成。ARM926一EJS處理器具有EMMA支持強大的視頻處理控制，亮度、飽和度、對比度、自動白平衡等參數可調。允許使用全功能操作系統，功耗低、時鐘頻率為400 MHz。所以選擇ARM926一EJS為核心微處理器。存儲器包括RAM 和ROM 兩部分， RAM 采用高速 SDRAM—HYB18M1G320BF一7.5對處理視頻數據有非常好的優勢，ROM 采用非線性K9F2G08ROA—JIBO NANDFLASH 芯片，其存儲容量高于線性結構的NORFLASH。TVP5150具有超低功耗、支持NTsC/PAL/SECAM 等格式的高性能視頻解碼器，通過ARM926-EJS對TVP5150進行控制使得對視頻信號進行A/D解碼，達到對視頻采集的目的。ARM926一EJS輸出的數字視頻信號通過CH7024進行D/A 解碼轉換成PAL制式的模擬信號。基于IEEE 802.1lb/g協議無線視頻傳輸模塊SIM5218，通過USB與ARM926一EJS進行連接。
2 視頻監控系統前端軟件設計
無線視頻監控系統前端在設計中以嵌入式Linux操作系統為核心，Linux作為一種開源的操作系統，內核可裁剪，支持多種硬件平臺和較強的網絡功能。
Linux操作系統軟件由以下幾部分組成：BootLoader、Linux內核、文件系統、應用程序。其中應用程序有視頻采集程序、視頻壓縮編碼程序、視頻信號發送程序。
2.1 視頻采集模塊
Video4Linux是Linux中關于視頻設備的內核驅
動，它為針對視頻設備的應用程序編程提供一系列接口函數，通過使用接口提供的函數庫，對攝像頭進行圖像采集。主要通過以下步驟對視頻圖像進行采集：
（1）用open函數打開視頻設備，可以獲得相應的文件描述符;（2）獲取視頻設備屬性，包括名稱、類型、通道數、圖像寬度、圖像高度等;（3）通過ioctl函數返回采集圖像幀的屬性，包括圖像亮度、色彩、對比度等;（4）視頻的截取有兩種方法：*種是用read（）直接讀取數據，第二種是用mmap把設備文件映射到內存，用內存映射法的優點是效率高，因為進程可以直接讀寫內存，而不需要任何數據的拷貝，結合以上優點，選擇此方法。
2.2 視頻壓縮編碼模塊
采用ARM926一EJS內置的VPU單元硬件編碼模
塊完成H.264壓縮編碼。H.264采用了基于塊的動補償和編碼，同時它還采用一系列新的技術，包括：運動矢量具有亞像素精度，對于亮度信號來說可以達到1/4像素精度;運動補償使用了塊大小可以改變的運動補償;允許使用多個參考幀;幀內編碼使用幀內預測;自適應環路濾波;自適應于內容的算術編碼和變長編碼等，這些新技術的采用大大提升了視頻的壓縮率。
NAL為分層結構，經過VCL編碼后的視頻數據被
組成NAL單元，一組NAL單元組成一個接入單元，一組接人單元組成一個視頻序列，再根據不同應用，對視頻序列進行處理。
每個NAI 單元由整數個字節大小的包構成，其中*個字節包含數據類型的標志，其他字節是凈荷。
NAL單元被劃分為VCL NAL單元和非VCL NAI 單
元兩種。VCL NAL單元包含視頻圖片中采集點的值的表示;非VCL NAL單元包含一切相關的附加信息，例如參數設置（可被應用到大量VCL NAL單元的頭數據）和附加的增強信息（時刻信息和其他附加數據，這些數據可能會增強對已解碼視頻信號的利用，但是又不是在解碼視頻圖像的采樣點值必須用到的）。
2.3 視頻信號發送模塊
由于TCP協議丟包重傳造成巨大時延，UDP雖然
傳輸速度比TCP快，但UDP是一種不可靠的傳輸協議。所以在應用層采用RTP作為實時傳輸協議。
RTP本身只保證實時數據的傳輸，不能為按順序傳送數據包提供可靠的傳送機制，也不能提供流量控制或擁塞控制。它需要依靠RTCP協議提供周期性的反饋與信道參數有關的信息，動態地改變傳輸速率，使發送速率適應信道帶寬，減少信道中的丟包，從而實現媒體同步、丟包統計、傳輸檢測和傳輸復用等手段。從而使得視頻流、快速地傳輸。
RTP協議的實現采用開源的RTP庫JRTPLIB。
用戶只需通過使用JRTPLIB庫相應地發送和接收RTP數據包，而不用關心RTCP數據報是如何被發送和接收的，JRTPL1B 自動對到達的RTCP數據報進行處理，并在適當的時候發送RTCP數據報。采用H.264視頻流的RTP打包方式對單獨的NAL單元進行操作。通過ARM926一EJS內置的硬件編碼單元應用程序中H.264視頻編碼的參數設置，每幀為一個NAL單元。為了避免視頻數據在網絡層被分割，需要將一幀H.264視頻數據分割成一定大小的RTP數據包，由發送端分別封裝上RTP報頭、UDP報頭、IP報頭，按照RTP數據包的格式，并配置RTP報頭的時間戳以及序列號等參數，zui后形成IP數據包，通過無線監控設備發送。
采用ARM926一EJS為微處理器的視頻監控系統前端具有功耗低、速度快的特點，同時結合Linux的Video4 Linux視頻接口技術和內置硬件H.264視頻編碼和RTP/RTCP傳輸協議，實現了快速視頻采集和傳輸 。 。實驗證明，采用內置硬件編碼單元的ARM926一EJS微處理器和嵌入式Linux操作系統，使視頻監控系統前端的視頻畫面清晰流暢，其性能*、穩定而且構建成本低。該視頻監控系統前端在森林火災場合具有廣闊的應用前景。
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