基于WLAN的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

介紹基于WLAN的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，描述了視頻捕獲、視頻再現(xiàn)、無線視頻傳輸?shù)冉M成模塊的原理和工作過程。附錄中討論了解決無線視頻傳輸QoS的帶寬自適應(yīng)流量控制、環(huán)形緩沖區(qū)處理、守護(hù)線程等三種方法。
　　關(guān)鍵詞：移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)；視頻通信；QoS?

Mobile Supervisory System Based on WLANCHEN Qimei, YUYao, YANGZhou(Nanjing University, Nanjing 210093, China)　　Abstract: The paper gives the structure of the mobile video supervisory system under WLAN, describes its theory and procedures of the modules of video picture capture and represent, mobile transmission. In appendix, the solution of QoS by using networks bandwidth adaptiverate control, ring buffer management, and daemon thread is disscussed.
　　Keywords: mobile video survcilance system; video communication; QoS 　　手持移動(dòng)終端通過無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)看遠(yuǎn)程數(shù)字視頻圖像可廣泛用于工業(yè)控制、小區(qū)安全防范，以及新聞媒體服務(wù)等場(chǎng)合。文中給出符合IEEE802.11b的基于無線局域網(wǎng)WLAN并以Intel XScale架構(gòu)的移動(dòng)終端為表現(xiàn)形式的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案。?1.1系統(tǒng)架構(gòu)
　　移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示，位于多處的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過LAN或VPN提供IP視頻源，移動(dòng)視頻終端通過WLAN，經(jīng)視頻發(fā)布服務(wù)器的認(rèn)證后，控制攝像機(jī)并調(diào)看實(shí)時(shí)圖像。
　　系統(tǒng)支持基于一點(diǎn)到多點(diǎn)IP組播協(xié)議(Multicast)。網(wǎng)絡(luò)中，可定義224.0.0.0到239.255.255.255范圍的多點(diǎn)IP組播地址。多點(diǎn)組播的優(yōu)點(diǎn)在于滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，可同時(shí)向眾多終端用戶同時(shí)提供多路圖像。但須注意視頻源負(fù)擔(dān)的降低是以增加路由器負(fù)擔(dān)為代價(jià)的，這可由視頻發(fā)布服務(wù)器加以限定。?　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用主從(Client/Server)模式。主機(jī)端為視頻流發(fā)布源，基于Windows操作系統(tǒng)，完成原始視頻圖像的采集、壓縮編碼和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送；從機(jī)端為播放移動(dòng)終端，基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收、反向流量控制、云臺(tái)遠(yuǎn)程控制、上層用戶界面、視頻解碼與再現(xiàn)等功能。主要技術(shù)有：
　　(1)選用Osprey-100圖像采集卡，實(shí)現(xiàn)多路視頻捕獲。在編碼器性能允許條件下，可實(shí)現(xiàn)多路視頻傳輸。(2)視頻編解碼采用MPEG4編碼標(biāo)準(zhǔn)，并協(xié)同網(wǎng)絡(luò)對(duì)QoS進(jìn)行處理。(3)視頻流經(jīng)基于IEEE802.11b的WLAN，通過UDP通道傳輸；由于WLAN無線信道特性，須加以必要的流量控制和QoS處理。(4)TCP反饋控制及其他數(shù)據(jù)交互通過TCP通道交互。
　　圖2系統(tǒng)由視頻源端、WLAN、嵌入式移動(dòng)終端組成。其中視頻源端可分為：視頻捕獲、MPEG4編碼、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸三模塊；嵌入式移動(dòng)終端可分為：嵌入式移動(dòng)終端、MPEG4解碼、視頻再現(xiàn)三模塊；WLAN與雙方無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)信息的交互。? 2.1視頻捕獲模塊概述
　　該模塊完成從模擬視頻采集到捕獲YUV數(shù)字視頻流的功能。圖像采集卡用YUV12格式將多路監(jiān)控?cái)z像機(jī)的模擬視頻轉(zhuǎn)換為多種格式的數(shù)字視頻信號(hào)。?2.2IPP優(yōu)化視頻編解碼
　　IPP(Integrated Performance Primitive)是Intel個(gè)人互聯(lián)網(wǎng)用戶架構(gòu)中的重要組成部分，它在操作系統(tǒng)之上向應(yīng)用程序提供功能調(diào)用，同時(shí)又直接立足于硬件，穿越了操作系統(tǒng)。IPP的最大優(yōu)勢(shì)在于對(duì)各個(gè)函數(shù)進(jìn)行了匯編級(jí)上的優(yōu)化；根據(jù)CPU的流水線和總線特性采取措施，可提高訪問速度和處理速度。
　　IPP庫函數(shù)具有多層處理功能。對(duì)功能較弱的，可選擇IPP庫的底層函數(shù)；對(duì)于較強(qiáng)功能，可選用一個(gè)合適的高層IPP函數(shù)；用底層“原子”函數(shù)的組合也可替代高層函數(shù)，應(yīng)算法要求還能作出改動(dòng)，這使得對(duì)編解碼算法優(yōu)化有著很大的靈活性。
　　該系統(tǒng)對(duì)編解碼的具體優(yōu)化過程見圖3，按照MPEG4編碼規(guī)范，在Micro Block層和Block層，用IPP作出算法優(yōu)化，達(dá)到了大幅度提高編解碼效率和提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的目的。? 　　視頻再現(xiàn)指移動(dòng)終端LCD顯示屏對(duì)解壓視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)播放。要求播放器盡可能快的與顯示緩存交互。幀緩沖是Linux嵌入式系統(tǒng)中顯存，它是一個(gè)提供顯示內(nèi)存和顯示芯片寄存器從物理內(nèi)存映射到進(jìn)程地址空間中的部件。宜采用DMA通道不斷地刷新LCD緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。其實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示：將幀緩沖映射到進(jìn)程地址空間之后，就可以直接進(jìn)行讀寫操作，而寫操作可立即反應(yīng)在LCD屏幕上。具體實(shí)現(xiàn)是，打開/dev/fb0設(shè)備，并通過mmap系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行地址映射，即可通過改寫緩沖達(dá)到視頻的實(shí)時(shí)播放。采用幀緩沖技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于高度的移植性、較低的系統(tǒng)資源占用率，以及穩(wěn)定性，以滿足實(shí)時(shí)播放視頻的需要。
4.1無線網(wǎng)絡(luò)搭建
　　該模塊借助CF無線網(wǎng)卡，通過基于IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)(WLAN)，與固定的無線AP(Access Point接入點(diǎn))，架構(gòu)多點(diǎn)到多點(diǎn)的模式，完成實(shí)時(shí)視頻的數(shù)據(jù)傳輸。該標(biāo)準(zhǔn)采用ISM(Industrial Scientific Medical)無線廣播2.45GHz頻段，最大速率為11Mbps，采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)傳輸技術(shù)，AP的覆蓋半徑為100～500m的微蜂窩區(qū)域。
4.2CF無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)
　　該工作重點(diǎn)在無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的改寫與移植上，可選用基于Intersil Prism芯片組(Version3.0)的ET?CWB1000無線CF網(wǎng)卡，采用Linux Spectum24 PCMCIA驅(qū)動(dòng)。如圖5，Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)可劃分為四層：設(shè)備驅(qū)動(dòng)/網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層、用戶應(yīng)用層。CF卡與PCMCIA兼容，PCMCIA控制器將卡連接到系統(tǒng)總線，將卡內(nèi)存映射到主I/O和內(nèi)存窗口，并將卡產(chǎn)生的中斷路由到自由處理器中斷線。
1帶寬自適應(yīng)的流量控制
　　寬帶視頻的實(shí)時(shí)傳輸需要一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬。尤其當(dāng)有多個(gè)用戶同時(shí)訪問同一視頻發(fā)布服務(wù)器的時(shí)候，容易產(chǎn)生并發(fā)擁塞瓶頸。這時(shí)輸出碼流需動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況的變化。圖1所示為基于帶寬自適應(yīng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在流發(fā)布服務(wù)端和瀏覽用戶端之間構(gòu)造閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng)，發(fā)布服務(wù)端通過實(shí)時(shí)的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳輸狀況，根據(jù)相關(guān)的控制策略實(shí)時(shí)的調(diào)整輸出流碼率，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)帶寬的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)。其具體作法：目的端根據(jù)接收的視頻流緩沖區(qū)的狀況，實(shí)時(shí)管理環(huán)形緩沖區(qū)，力圖使輸出節(jié)奏均勻，并實(shí)時(shí)反饋相應(yīng)的信息；發(fā)送端根據(jù)來自目的端的反饋信息調(diào)整發(fā)送的數(shù)據(jù)流量，調(diào)節(jié)媒體流的帶寬。
　　碼率控制是基于網(wǎng)絡(luò)可用帶寬確定視頻通信發(fā)送碼率的技術(shù)。在系統(tǒng)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，用戶端不斷檢測(cè)碼流傳輸質(zhì)量因素，已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計(jì)資料，經(jīng)其處理后將信息交決策控制器；決策控制器根據(jù)相應(yīng)策略控制相關(guān)組件，完成該發(fā)送碼流的動(dòng)態(tài)整合，并交發(fā)送端UDP發(fā)送組件，完成多媒體流的傳輸；瀏覽用戶端UDP接收多媒體數(shù)據(jù)并交后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)播放器進(jìn)行解碼播放。
　　為實(shí)現(xiàn)基于帶寬自適應(yīng)的傳輸，首先需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)帶寬的動(dòng)態(tài)探測(cè)和評(píng)估，然后采用合適的調(diào)整策略來整合碼流。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的評(píng)估中，質(zhì)量因素可以是丟包率、包延遲、緩沖區(qū)空間等參數(shù)。該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)包丟失率指標(biāo)。接收用戶終端不斷測(cè)量丟包率，并通過TCP傳回發(fā)送端，決策控制器通過丟包率與規(guī)定的閾值進(jìn)行比較，來確定是增加還是減少碼率。當(dāng)丟包率大于上限閾值時(shí)，則減少碼流速率；當(dāng)丟包率小于閾值下限時(shí)，則增加碼流速率。? 　　基于環(huán)形緩沖區(qū)的多線程技術(shù)如圖2所示，較好的達(dá)到了視頻連續(xù)、平滑碼流、節(jié)約內(nèi)存空間的目的。此外，借助這里的環(huán)形緩沖區(qū)和互斥鎖，可以完全解決線程的同步問題。
　　在內(nèi)存區(qū)采用地址線性映射，開辟連續(xù)的內(nèi)存塊，保證了線程的訪問速度，有效提高了解碼效率。?
　　在移動(dòng)終端程序中，特地引入守護(hù)線程負(fù)責(zé)流量管理，它不屬視頻程序的核心部分，而是獨(dú)立地、周期性地在后臺(tái)為視頻各個(gè)線程執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)。守護(hù)線程的原理類似于單片機(jī)的看門狗，定時(shí)檢測(cè)運(yùn)行情況，并作出分析，判斷各個(gè)緩沖和線程運(yùn)行狀態(tài)；發(fā)現(xiàn)異常情況即時(shí)處理，避免線程崩潰，畫面停滯。具體作法是，以輪詢間隔(Poll Interval，PI)來確定輪詢時(shí)需要等待的時(shí)間，這里PI設(shè)定值為1秒，負(fù)責(zé)監(jiān)視環(huán)形緩沖的容量及各個(gè)線程的運(yùn)行情況。當(dāng)偵測(cè)緩沖量超過閾值或某一線程崩潰時(shí)，將根據(jù)各個(gè)線程的運(yùn)行情況維持或重啟線程。