S3C2440+嵌入式Linux的移動(dòng)視頻監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)生活和工作環(huán)境的安全性的要求不斷提高，安全防范的重要性越來越突出。視頻監(jiān)控技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，比如對(duì)森林、旅游景點(diǎn)、城市小區(qū)等通過視頻監(jiān)控來實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的情況。將嵌入式技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于視頻監(jiān)控終端，與傳統(tǒng)的有線視頻監(jiān)控相比，無線視頻監(jiān)控?cái)[脫了網(wǎng)絡(luò)電纜的束縛，提高了視頻監(jiān)控的靈活性和可擴(kuò)展性。監(jiān)控人員可以攜帶手持監(jiān)控設(shè)備而不必在固定位置值守來監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)。

在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下傳輸視頻，龐大的視頻信息量對(duì)有限的傳輸帶寬是難以承受的，成為阻礙其應(yīng)用的瓶頸之一，因此，需要高效率的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)來滿足無線傳輸帶寬的需求。新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H．264是面向Internet和無線網(wǎng)絡(luò)的視頻圖像編解碼技術(shù)，它不僅提高了壓縮效率，而且增加了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力，降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。H．264標(biāo)準(zhǔn)定義了視頻編碼層VCL(Video Coding Layer)和網(wǎng)絡(luò)提取層NAL(Network Abstraction Layer)。視頻編碼層主要采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、變換和量化、熵編解碼等技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻壓縮功能，網(wǎng)絡(luò)提取層將編碼后的數(shù)據(jù)封裝成NALU單元，以適應(yīng)在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

移動(dòng)視頻監(jiān)控終端以ARM微處理器為核心，剪裁適合視頻監(jiān)控終端的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。通過配備無線網(wǎng)卡接收監(jiān)控前端壓縮視頻數(shù)據(jù)，解碼、顯示監(jiān)控前端發(fā)送的視頻流，實(shí)時(shí)顯示前端監(jiān)控畫面。本文將重點(diǎn)闡述在視頻傳輸過程中采用RTP／UDP／IP協(xié)議時(shí)，出現(xiàn)的視頻包亂序、丟包處理方法，以及在ARM平臺(tái)上對(duì)H．264解碼器的移植和實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由嵌入式微處理器、NANDFLASH，SDRAM，IEEE802．11協(xié)議無線網(wǎng)卡、LCD模塊組成。本系統(tǒng)的微處理器選用三星公司ARM9內(nèi)核的S3C2440，系統(tǒng)時(shí)鐘采用400 MHz的工作頻率。S3C2440內(nèi)部集成了大量的功能單元，包括：存儲(chǔ)器控制器有8個(gè)Bank區(qū)間、LCD控制器、USB控制器以及豐富的外設(shè)接口資源，根據(jù)視頻監(jiān)控終端的需求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行外圍電路的配置和擴(kuò)展。視頻監(jiān)控終端硬件框圖如圖1所示。

存儲(chǔ)器包括ROM和RAM兩部分，ROM配備了非線性結(jié)構(gòu)的K9F1208UOM容量為64M×8 b的NAND FLASH芯片；RAM配備2片HY57V561620BT—H組成32位數(shù)據(jù)總線的SDRAM，適用監(jiān)控終端處理龐大視頻數(shù)據(jù)的需求。在USB Host接口上外接一塊基于IEEE802．11協(xié)議的無線網(wǎng)卡，通過無線AP端點(diǎn)接收監(jiān)控前端視頻數(shù)據(jù)。液晶屏選用TFT真彩液晶屏，并配備相應(yīng)的觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的目的。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)視頻監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心，作為一種開源操作系統(tǒng)，Linux具有支持多種硬件平臺(tái)、豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和良好的網(wǎng)絡(luò)功能等特點(diǎn)。針對(duì)監(jiān)控終端的具體應(yīng)用對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置，剪裁出合適的系統(tǒng)。監(jiān)控終端應(yīng)用軟件是建立在操作系統(tǒng)之上，為實(shí)現(xiàn)RTP／UDP／IP協(xié)議下接收H．264視頻流和ffmpeg解碼庫實(shí)時(shí)解碼視頻流。

2．1 H．264視頻流的傳輸

2．1．1 傳輸方式選擇

視頻的實(shí)時(shí)傳輸要求較低的時(shí)間延遲，并且允許一定的丟包率。由于TCP協(xié)議的3次握手以及丟包重傳機(jī)制會(huì)造成一定的延時(shí)，在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中有一定缺陷，而UDP協(xié)議是面向無鏈接、不可靠的傳輸層協(xié)議，具有消耗資源小，傳輸速度快等特點(diǎn)，在視頻傳輸過程中偶爾丟包不會(huì)對(duì)監(jiān)控畫面產(chǎn)生較大影響。UDP協(xié)議不提供數(shù)據(jù)包分包、封裝、數(shù)據(jù)包排序等缺點(diǎn)，為保障視頻流傳輸?shù)目煽啃?，網(wǎng)絡(luò)傳輸部分采用建立在UDP協(xié)議之上的RTP(Real-time Transport Protocol)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，通過套接字與前端建立連接，以接收視頻流數(shù)據(jù)。RTP提供帶有實(shí)時(shí)特性的端對(duì)端數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，包括有效載荷類型的定義、序列號(hào)、時(shí)間戳和傳輸檢測(cè)控制?；赗TP／UDP／IP協(xié)議傳輸視頻流封裝格式如圖2所示。

2．1．2 視頻流傳輸

采用UDP協(xié)議傳輸RTP包時(shí)會(huì)出現(xiàn)亂序的現(xiàn)象，所謂亂序就是監(jiān)控終端接收到RTP包順序可能前端發(fā)送的順序不一致，因此，首先要對(duì)接收的RTP包排序。采用在內(nèi)存中建立一個(gè)雙向鏈表來保存接收的RTP包，按照RTP報(bào)頭的序列號(hào)(Sequence Number)順序存放到鏈表中，雙向鏈表結(jié)構(gòu)體定義如下，部分變量用于RTP分片封包模式。

? ? 每當(dāng)接收到一個(gè)新的RTP包后，根據(jù)序列號(hào)從鏈表尾開始搜索并插入到合適的位置，比如，接收到一個(gè)序列號(hào)SN=26的RTP包在鏈表中分配內(nèi)存，找到位于25，27之間的位置插入該包，RTP包排序過程如圖3所示。