嵌入式WEB網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　摘 要 本文介紹了一個(gè)基于嵌入式WEB技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)闡述其嵌入式服務(wù)器軟硬件部分的設(shè)計(jì)思想和體系架構(gòu)，并對(duì)其中涉及的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。

　　 關(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控 LINUX WEB MPEG-4

　　1 基于嵌入式WEB技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)概述

　目前，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的主流，而隨著微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，基于嵌入式WEB的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸得到了人們的廣泛關(guān)注，其主要原理是：嵌入式視頻服務(wù)器采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，內(nèi)置嵌入式WEB服務(wù)器，攝像機(jī)傳送過來的視頻信號(hào)經(jīng)高效壓縮芯片壓縮后，通過內(nèi)部總線傳送到內(nèi)置的WEB服務(wù)器。用戶在監(jiān)控端可以直接通過瀏覽器觀看WEB服務(wù)器上的攝像機(jī)視頻圖像，授權(quán)用戶還可以控制攝像機(jī)云臺(tái)鏡頭的動(dòng)作。本文所述的監(jiān)控系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

　　本系統(tǒng)由攝像機(jī)、嵌入式WEB服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控端組成。攝像機(jī)用來采集監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的視頻。嵌入式WEB服務(wù)器是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，有硬件和軟件兩個(gè)部分，詳細(xì)結(jié)
構(gòu)將在下面分別介紹。其主要功能包括：為監(jiān)控端提供WEB訪問頁(yè)面；對(duì)監(jiān)控端的訪問進(jìn)行有效性、安全性檢查；響應(yīng)監(jiān)控端的請(qǐng)求，為監(jiān)控端提供所需要的視頻圖像；接收監(jiān)控端的控制信息，經(jīng)過軟硬件轉(zhuǎn)換后對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行控制。每個(gè)服務(wù)器有自己的IP地址，在監(jiān)控端可以通過瀏覽器界面訪問服務(wù)器。監(jiān)控端的功能則是顯示現(xiàn)場(chǎng)視頻，并根據(jù)需要向服務(wù)器發(fā)送視頻請(qǐng)求以及對(duì)攝像機(jī)的控制信號(hào)。

　2 嵌入式 WEB 服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)

　　嵌入式WEB服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要由CPU芯片、MPEG-4音視頻編碼芯片、Flash芯片、SDRAM內(nèi)存、以太網(wǎng)絡(luò)接口、大容量硬盤組成。其中CPU采用MOTOROLA公司的PowerPC系列嵌入式通信處理器MPC8250。MPEG-4音視頻編碼芯片完成對(duì)從攝像頭傳送過來的視頻數(shù)據(jù)的壓縮和編碼。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及對(duì)圖像質(zhì)量的要求，本系統(tǒng)選用基于MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的分層可擴(kuò)展性編碼方案。壓縮后的視頻數(shù)據(jù)根據(jù)需要，可以存儲(chǔ)在大容量硬盤中，或者通過以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)視頻存儲(chǔ)功能，需要采用大容量的硬盤。

圖 2 嵌入式 WEB 服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)

　 3 嵌入式 WEB 服務(wù)器的軟件系統(tǒng)

　 嵌入式WEB服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一，包括嵌入式操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件兩大部分。

　3.1 嵌入式操作系統(tǒng)

　 嵌入式操作系統(tǒng)是支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，是在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、硬件相關(guān)性、軟件固態(tài)化等方面有著突出特點(diǎn)的專用操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用嵌入式LINUX操作系統(tǒng)，它是在根據(jù)系統(tǒng)需要對(duì)LINUX操作系統(tǒng)進(jìn)行小型化裁剪與實(shí)時(shí)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。使用LINUX的優(yōu)勢(shì)在于：其操作系統(tǒng)的源代碼是開放的，可根據(jù)需要進(jìn)行定制；系統(tǒng)內(nèi)核小，因而對(duì)硬件的要求相對(duì)要低；支持多任務(wù)多進(jìn)程，能提供較好的實(shí)時(shí)性。

　 3.2 應(yīng)用軟件

　 服務(wù)器的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要由WEB服務(wù)器、CGI程序、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)mSQL、視頻調(diào)度與傳輸模塊、存儲(chǔ)管理與調(diào)度模塊、攝像機(jī)控制模塊等幾個(gè)重要部分組成。

　3.2.1 WEB服務(wù)器與CGI程序

　WEB服務(wù)器通過HTTP協(xié)議與監(jiān)控端瀏覽器軟件進(jìn)行信息交互，提供其他應(yīng)用程序模塊的接口以及視頻數(shù)據(jù)瀏覽界面和攝像機(jī)控制界面。此外，它還要對(duì)監(jiān)控端的訪問權(quán)限進(jìn)行控制，過濾監(jiān)控端的請(qǐng)求和控制信息，處理多個(gè)監(jiān)控端的請(qǐng)求和控制的同步和優(yōu)先級(jí)問題。 本系統(tǒng)選擇適合于嵌入式系統(tǒng)的Boa WEB服務(wù)器。Boa是一個(gè)單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，支持能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)WEB技術(shù)的CGI技術(shù)，源代碼開放、性能高。同時(shí)服務(wù)器程序本身所占空間很小，因而十分適用于嵌入式系統(tǒng)。 同時(shí)，本系統(tǒng)采用了CGI(公用網(wǎng)關(guān)接口) 來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)WEB技術(shù)，CGI規(guī)定了WEB服務(wù)器調(diào)用其他可執(zhí)行程序(CGI程序)的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。WEB服務(wù)器通過調(diào)用CGI程序?qū)崿F(xiàn)和瀏覽器的交互，也就是CGI程序接受瀏覽器發(fā)送給WEB服務(wù)器的信息，進(jìn)行處理，將響應(yīng)結(jié)果再回送給WEB服務(wù)器及瀏覽器。原則CGI程序可以用任何程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫，但是用C語(yǔ)言編寫的CGI程序具有執(zhí)行速度快、安全性高等特點(diǎn)。

圖3 嵌入式 WEB 服務(wù)器的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)

　 3.2.2嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)mSQL

　 在本系統(tǒng)中，用戶信息的存儲(chǔ)，用戶的登錄登出，視頻設(shè)備參數(shù)的存儲(chǔ)與查詢，視頻文件的存儲(chǔ)與查詢等，都需要一個(gè)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。綜合考慮，本系統(tǒng)使用mSQL(MiniSQL)作為本系統(tǒng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。mSQL是一款優(yōu)秀的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，體系結(jié)構(gòu)小巧，占用系統(tǒng)資源少，特別適合在嵌入式Linux系統(tǒng)中使用。同時(shí)，mSQL提供專門的API函數(shù)，使得用C語(yǔ)言編寫的CGI程序可以與mSQL的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎進(jìn)行通信。

　 3.2.3視頻調(diào)度與傳輸模塊

　視頻調(diào)度與傳輸模塊為監(jiān)控端提供所需的實(shí)時(shí)視頻信息，是服務(wù)器應(yīng)用軟件中最重要的模塊。該模塊根據(jù)所采取的網(wǎng)絡(luò)傳輸與控制協(xié)議與監(jiān)控端建立連接，監(jiān)聽監(jiān)控端的請(qǐng)求；同時(shí)又根據(jù)不同的服務(wù)類型采取相應(yīng)的調(diào)度策略創(chuàng)建視頻流，然后將視頻數(shù)據(jù)分組、打包，發(fā)送到監(jiān)控端，并根據(jù)路由器和監(jiān)控端反饋的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息進(jìn)行差錯(cuò)處理和擁塞控制。

視頻數(shù)據(jù)的傳輸一般采UDP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，而采用UDP的IP傳送方式有點(diǎn)播、廣播和組播三種，其中組播是服務(wù)器只向特定的用戶組發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，組中的各用戶可以共享這一數(shù)據(jù)包，而組外的用戶卻無(wú)法接收到。本系統(tǒng)采用IP組播方式，采用組播技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn):可以讓服務(wù)器承擔(dān)大量客戶端的視頻數(shù)據(jù)播送要求;由于數(shù)據(jù)包拷貝數(shù)量和發(fā)送目的地址少，大大減少了網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量，從而保證較高的服務(wù)質(zhì)量；減小了視頻數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膸捳加?，減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

　本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議使用RTP/UDP/IP模型。RTP協(xié)議是一種提供端對(duì)端的實(shí)時(shí)媒體傳輸服務(wù)的協(xié)議，由實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP和實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP兩個(gè)部分組成。RTP用于實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)的傳輸，而RTCP則用來監(jiān)控實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)的傳輸。RTP/UDP/IP的方式兼顧了視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與QoS保證。同時(shí)針對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)狀況的不確定性，還可以采取一定的擁塞控制和差錯(cuò)控制策略。

　 3.2.4存儲(chǔ)管理與調(diào)度模塊

　 存儲(chǔ)管理模塊的主要功能是將壓縮和編碼后的視頻信息根據(jù)一定的策略存儲(chǔ)至磁盤中特定的區(qū)域，并將視頻文件信息存儲(chǔ)到嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供檢索與回放，同時(shí)響應(yīng)視頻調(diào)度與傳輸模塊的請(qǐng)求，按照一定的磁盤調(diào)度策略和優(yōu)先級(jí)順序從磁盤中讀取視頻數(shù)據(jù)至內(nèi)存緩沖區(qū)。對(duì)于存儲(chǔ)管理，本系統(tǒng)采用等長(zhǎng)分組存儲(chǔ)策略，即將視頻信息按照時(shí)序關(guān)系分割成若干數(shù)據(jù)單元，這些數(shù)據(jù)單元稱為分組，將每個(gè)分組存儲(chǔ)于一個(gè)大小固定的存儲(chǔ)單元內(nèi)。

　 3.2.5攝像機(jī)控制模塊

　 攝像機(jī)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的控制。在監(jiān)控端，用戶通過瀏覽器向WEB服務(wù)器發(fā)送攝像機(jī)控制命令，該控制命令經(jīng)WEB服務(wù)器接受和處理后，再通過CGI程序發(fā)送給攝像機(jī)控制模塊，然后被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的對(duì)攝像機(jī)控制的硬件操作指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)云臺(tái)鏡頭的遠(yuǎn)程控制。

　4 監(jiān)控端瀏覽

　本系統(tǒng)在監(jiān)控端使用瀏覽器對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控，瀏覽器所運(yùn)行的平臺(tái)與嵌入式WEB服務(wù)器所運(yùn)行的平臺(tái)獨(dú)立，瀏覽遠(yuǎn)程視頻時(shí)不需要任何第三方軟件，從而實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)。使用本系統(tǒng)在監(jiān)控端瀏覽視頻的界面如圖4所示。

圖 4 監(jiān)控端瀏覽視頻界面

　 5 結(jié)束語(yǔ)

　 本文介紹了一個(gè)基于嵌入式WEB技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于：服務(wù)器的設(shè)計(jì)基于嵌入式WEB技術(shù)；支持動(dòng)態(tài)IP，可以直接連入以太網(wǎng)，能夠即插即看；用戶無(wú)需使用專用軟件，僅用瀏覽器即可觀看；同時(shí)系統(tǒng)采用先進(jìn)了的MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)，在提高了視頻質(zhì)量的同時(shí)大大減少了數(shù)據(jù)量。相信隨著網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的流行，基于嵌入式WEB的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)必將有良好的發(fā)展前景。

　參考文獻(xiàn)

[1] 鐘玉琢，向哲，沈洪．流媒體和視頻服務(wù)器．北京：清華大學(xué)出版社．2003．6

[2] 涂杰等．MPEG-4在數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用．計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件．2004．2

[3] 李善平．LINUX與嵌入式系統(tǒng)．清華大學(xué)出版社．2003

[4] 姜敏，施?。谇度胧絎EB服務(wù)器的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)．計(jì)算機(jī)時(shí)代．2003．7