張 奔，李大明

(中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

在值班系統(tǒng)中對重點區(qū)域的實時監(jiān)控是必不可少的，值班人員能夠掌握監(jiān)控區(qū)域的實時視頻畫面，通過視頻實時掌握區(qū)域動向[1-3]。隨著計算機性能的提升，用計算機處理視頻信息和數(shù)字視頻傳輸已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。目前，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募夹g(shù)越來越成熟，網(wǎng)絡(luò)帶寬也越來越高，但是視頻的數(shù)據(jù)量一般都非常大，如果不通過任何壓縮技術(shù)傳遞視頻，會造成數(shù)據(jù)堵塞、延遲甚至丟失現(xiàn)象，視頻畫面會嚴重卡頓。因此，在傳遞視頻時對視頻圖像壓縮成為必然的環(huán)節(jié)。在諸多視頻壓縮標(biāo)準中，MPEG-4以其高壓縮比和高性能備受人們的青睞，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的視頻傳輸。本文采用Divx編解碼器[4-6]對視頻進行編碼、壓縮。Divx編碼后形成以幀為格式的MPEG-4流，Divx解碼也是以幀的格式解碼，通過Divx編解碼器有效地解決了由于網(wǎng)絡(luò)的局部不穩(wěn)定導(dǎo)致的視頻圖像重影、抖動、花瓶，得到了良好質(zhì)量的視頻畫面。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 硬件環(huán)境

系統(tǒng)硬件設(shè)備由CCD攝像頭、采集卡、服務(wù)器、交換機和若干個客戶端席位組成，組成架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)支持5～10個客戶端席位，在服務(wù)器上安裝一個基于PCIe總線的采集卡，攝像頭通過AV線與采集卡相連，服務(wù)器采集到的視頻流經(jīng)過壓縮成為一個信息包，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到客戶端，客戶端接收到信息包進行解壓并實時顯示，從而得到清晰流暢的運動圖像。同時服務(wù)器端也可以實時顯示所采集的視頻。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.2 系統(tǒng)軟件

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵模塊

2.1 視頻采集

裝有視頻采集卡的服務(wù)端接收攝像頭拍攝的視頻圖像，服務(wù)端的軟件采用VFW技術(shù)對視頻圖像進行捕獲，VFW是微軟公司推出的一款關(guān)于數(shù)字視頻的軟件開發(fā)包，其優(yōu)勢簡單直觀，能夠快速地運用回調(diào)函數(shù)完成對視頻的實時捕獲并對視頻源進行控制。在視頻捕獲前先創(chuàng)建一個視頻捕獲窗口，通過capDriverConnect()關(guān)聯(lián)捕獲視頻窗口到視頻驅(qū)動程序上，對視頻捕獲參數(shù)和窗口顯示模式進行設(shè)計，通過capSetCallbackOnFrame()注冊回調(diào)函數(shù)，捕獲圖像到緩存并進行相應(yīng)處理，完成捕獲。

2.2 視頻幀的組成

視頻采集的數(shù)據(jù)是位圖型式的視頻幀，發(fā)送前要對視頻幀進行編碼，利用Divx編碼器壓縮以后形成以幀為格式的Mpeg4流。Divx解碼器也是以幀的格式解壓。為了在接收端能夠方便地提取出一幀，提出格式組建幀(見圖3)。

圖3 視頻幀格式

每個視頻幀由5個字段組成，各個字段的描述如下：第1個字段為占用4個字節(jié)的幀開始標(biāo)志，標(biāo)志著一幀的開始；第2個字段為占用4個字節(jié)的幀大小，表示整個幀的大小；第3個字段為占用4個字節(jié)的幀編號，表示幀的順序編號；第4個字段為占用1個字節(jié)的幀類型，標(biāo)志此幀是否是關(guān)鍵幀；第5個字段為幀數(shù)據(jù)，存放壓縮后一幀的完整數(shù)據(jù)，大小不定，壓縮比越高，幀數(shù)據(jù)的大小越小。

2.3 視頻幀的發(fā)送和接收

為了保證接收端能夠及時接收到發(fā)送過來的視頻數(shù)據(jù)，在發(fā)送端專門創(chuàng)建一個線程用來發(fā)送數(shù)據(jù)。同時主線程循環(huán)地對采集到的視頻數(shù)據(jù)進行壓縮編碼。發(fā)送線程的工作流程如圖4所示。

圖4 發(fā)送線程工作流程

線程中發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是按照上一節(jié)中的方法組建好的數(shù)據(jù)幀。該方法能夠保證正在發(fā)送的當(dāng)前幀能夠完整地到達接收端。

注意此線程中剛開始或者每當(dāng)發(fā)送完一幀以后，線程就轉(zhuǎn)到掛起狀態(tài)，等待外界喚醒。這個任務(wù)由回調(diào)函數(shù)完成，在回調(diào)函數(shù)中，判定如果發(fā)送線程準備就緒(處于掛起狀態(tài))，則進行圖像壓縮，然后喚醒線程發(fā)送壓縮完的數(shù)據(jù)，否則直接跳出，等待下一次調(diào)用回調(diào)函數(shù)。

接收端最重要的是從接收的數(shù)據(jù)流中提取出完整的一幀。該方法的思想是：首先從數(shù)據(jù)流中尋找?guī)_始標(biāo)志，再從緊挨后面的數(shù)據(jù)中提取出幀的大小，然后從接收緩沖區(qū)中讀入該幀剩余的數(shù)據(jù)，最后尋找下一幀的開始標(biāo)志，如此往復(fù)。接收端的工作流程如圖5所示。

圖5 接收端的工作流程

3 JNI技術(shù)[10]

3.1 JNI介紹

Java Native Interface(JNI)是Java語言的本地編程接口，是J2SDK的一部分，已經(jīng)被集成到標(biāo)準Java平臺之中。在Java程序中，可以通過JNI實現(xiàn)一些用Java語言不便實現(xiàn)的功能。使用JNI提供的方法，Java代碼能夠直接與特定操作系統(tǒng)和硬件平臺中的本地共享二進制庫進行交互。這個交互過程發(fā)生在相同的Java虛擬機進程之中。

將Java類中聲明的類型為“Native”的Java方法映像到共享二進制庫中的相應(yīng)函數(shù)上，并且將這兩者加載到相同的進程空間。JNI框架使得本地方法使用Java對象的方式和Java代碼使用這些對象相同。一個本地方法能夠創(chuàng)建Java對象，然后檢查并使用這些對象，也可以檢查并使用由Java應(yīng)用程序代碼創(chuàng)建的對象，甚至能夠修改它創(chuàng)建的或傳遞給它的Java對象。因此，本地語言和Java應(yīng)用程序都能創(chuàng)建、修改、訪問Java對象，并在它們之間共享這些對象。本地方法也能夠很容易地調(diào)用Java方法、傳遞方法所需的參數(shù)并得到返回的結(jié)果。

3.2 JNI使用步驟

1)步驟1：在MyEclipse里建立一個包含Compressor類的Java工程，該類中包含了需要調(diào)用的本地化方法的描述。其中，本地化方法應(yīng)當(dāng)用native關(guān)鍵詞聲明。使用System.LoadLibrary()方法加載需要的動態(tài)鏈接庫。代碼如下：

Package com.chnic.jni

Public class Compressor{

Static{

System.LoadLibrary(“DeCompressorEnd”)；

}

Public Compressor (){}

Public native void InitCompressor();

Public native void FillBitmapstruct();

Public native void UnInitCompressor();

Public native void UnCompress(byte[] in,int width,int heigh,byte[] out);

}

2)步驟2：將步驟1生成的源文件用Java類編譯器編譯成二進制字節(jié)碼文件，接下來要用javah方法來生成一個相對應(yīng)的.h頭文件。Javah是一個專門為JNI生成頭文件的命令。CMD打開控制臺之后輸入javah回車就能看到j(luò)avah的一些參數(shù)，在控制臺進入到工程的根目錄之后，然后輸入命令：Javah-jni com.chnic.jni.Compressor。

命令執(zhí)行完之后，在工程的根目錄下就會發(fā)現(xiàn)com_chnic_jni_Compressor.h這個頭文件。

ifdef__cplusplus

extern "C" {

endif

/*

* Class: com_chnic_jni_Compressor

* Method: InitCompressor

* Signature: ()V

*/

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_chnic_jni_Compressor_InitCompressor

(JNIEnv *, jobject);

/*

* Class: com_chnic_jni_Compressor

* Method: FillBitmapStruct

* Signature: ()V

*/

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_chnic_jni_Compressor_FillBitmapStruct

(JNIEnv *, jobject);

/*

* Class: com_chnic_jni_Compressor

* Method: UnInitCompressor

* Signature: ()V

*/

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_chnic_jni_Compressor_UnInitCompressor

(JNIEnv *, jobject);

/*

* Class: com_chnic_jni_Compressor

* Method: Compress

* Signature: ([BI[B)V

*/

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_chnic_jni_Compressor_UnCompress

(JNIEnv *, jobject, jbyteArray, jint, jint,jintArray);

ifdef __cplusplus

}

endif

endif

3.3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)在Windows 7平臺下服務(wù)器采集到的視頻數(shù)據(jù)壓縮之后以廣播方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，圖像大小為640*512的位圖，每秒采集25幀，壓縮比最大時為100，且延遲較小，用戶只需在客戶端登錄Web網(wǎng)頁即可查看到解壓后的視頻流。經(jīng)過比較，服務(wù)器上顯示的視頻和客戶端顯示的視頻基本相同，并且客戶端的視頻和服務(wù)器上的視頻基本同步，流暢性也較好。服務(wù)端和客戶端的視頻截圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 服務(wù)器顯示的視頻

圖7 客戶端顯示的視頻

4 結(jié)語

本文對實時視頻傳輸系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計做了較為詳細的描述，重點介紹了基于Divx的視頻編解碼技術(shù)、JNI技術(shù)以及基于B/S結(jié)構(gòu)的實時視頻數(shù)據(jù)傳輸顯示。試驗表明，通過上述方法實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸能達到良好質(zhì)量的視頻畫面，滿足了視頻實時傳輸?shù)囊螅_到了預(yù)期的效果。