梁伯虎?夏穎?張勁松

摘要：在打擊違法犯罪、維護社會公共安全、促進社會和諧穩(wěn)定方面，視頻監(jiān)控系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用。因此，設(shè)計了一種基于Linux平臺的無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用V4L2架構(gòu)對攝像頭進行圖像采集，移植x264編碼器對采集的圖像進行編碼壓縮，使用Live555框架對編碼數(shù)據(jù)進行流化處理，最后通過RTSP實時流傳輸協(xié)議將視頻流發(fā)送出去。監(jiān)控端需要安裝特定的軟件，用來接收和解碼視頻流，這樣就可以監(jiān)測攝像頭采集的圖像。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的基本功能。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控；V4L2；x264；Live555

一、前言

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人身和財產(chǎn)安全變成了大眾關(guān)注的焦點。視頻監(jiān)控系統(tǒng)也隨之出現(xiàn)在人們能接觸到的方方面面，比如出現(xiàn)在十字街口，為了確保交通安全；出現(xiàn)在學校，為了防止校園霸凌；出現(xiàn)在居民社區(qū)，為了維護社會公共安全[1]。因此，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在促進社會和諧穩(wěn)定和打擊違法犯罪等方面發(fā)揮著不可替代的保障作用，它的地位也越來越重要，人們對它的需求也越來越高。針對這個趨勢，本文設(shè)計了一種基于Linux平臺的無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用V4L2架構(gòu)對攝像頭進行圖像采集，移植x264編碼器對采集的圖像進行編碼壓縮，使用Live555框架對編碼數(shù)據(jù)進行流化處理，最后通過RTSP實時流傳輸協(xié)議將視頻流發(fā)送出去。監(jiān)控端需要安裝特定的軟件，用來接收和解碼視頻流，這樣就可以監(jiān)測攝像頭采集的圖像。基本實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的功能。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)總體設(shè)計方案包括無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計和無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計，如圖1。

對于硬件部分：主控芯片是系統(tǒng)的核心，控制著各個電路模塊的正常運轉(zhuǎn)。所以，主控芯片的選擇決定著系統(tǒng)的性能指標。本文采用北京君正公司的X1000型號芯片，它的工作主頻相對較高，功耗相對較低，同時還擁有豐富的總線接口，比較適合系統(tǒng)的使用。首先搭建以主控芯片為主，電源、時鐘、復位和調(diào)試等基本電路模塊為輔的最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)的成功建立可以確保硬件平臺運行的穩(wěn)定。然后根據(jù)系統(tǒng)的需要，添加攝像頭電路，負責圖像采集功能。

對于軟件部分：本文采用Linux系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺。它的可移植性和擴展性都相對較好，如果后續(xù)有硬件電路的更新，軟件修改的代碼量相對較小。電腦端需要安裝Linux操作系統(tǒng)，提供交叉編譯環(huán)境。硬件開發(fā)板采用u-boot-2016.09（系統(tǒng)引導加載程序）和kernel-4.4.93（系統(tǒng)內(nèi)核框架）的代碼版本。將u-boot和kernel的代碼，根據(jù)主控芯片的性能指標進行移植和裁剪。經(jīng)過充分的調(diào)試，確保硬件開發(fā)板可以穩(wěn)定的運行。圖像采集端使用V4L2架構(gòu)，負責采集攝像頭的圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)首先被送到x264編碼器進行編碼壓縮，然后被送到Live555模塊進行流化處理，最后經(jīng)過RTSP實時流傳輸協(xié)議，通過WIFI模塊將視頻流發(fā)送出去，完成系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流從采集、處理到發(fā)送的全過程。監(jiān)控端通過安裝內(nèi)置RTSP協(xié)議的軟件，就可以監(jiān)測攝像頭采集到的圖像。

三、硬件設(shè)計

（一）主控芯片

本文主控芯片采用北京君正公司的X1000型號處理器。它的工作主頻在1GHz，可以使軟件模塊將視頻數(shù)據(jù)處理得相對較快，為視頻實時傳輸提供硬件基礎(chǔ)；它內(nèi)置有低功耗內(nèi)存，避免內(nèi)存電路的設(shè)計，可以極大縮短系統(tǒng)的研發(fā)時間和成本；它的功耗小于200mW，通過電源電路的設(shè)計，可以實現(xiàn)用鋰電池供電，拓展了使用范圍；它還具有豐富的總線接口，可以擴展攝像頭電路、Wi-Fi電路和存儲等其他電路。

（二）攝像頭電路

本文攝像頭采用Omni Vision公司的OV9712模組，如圖2。它是1/4英寸CMOS圖像傳感器，分辨率是1280×800，每秒鐘可以采集30幀圖像，有曝光控制、白平衡和缺陷像素消除等功能[2]。它的性能指標比較適合在無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)中使用。

按圖2電路圖連接好。根據(jù)上電時序，依次將VDD_IO（I/O電源），VDD_A（模擬電源），VDD_D（數(shù)字電源）和PWDN（電源開關(guān)）給電，軟件通過SIOC和SIOD（i2c總線接口）設(shè)置采集圖像的分辨率，對比度和白平衡等相關(guān)參數(shù)，同時給輸入時鐘MCLK合適的工作頻率，測量輸出時鐘PCLK，行時鐘同步信號HREF和幀時鐘同步信號VSYNC波形是否正確。最后，用V4L2模塊將D0-D7的8位圖像數(shù)據(jù)讀取，并且保存成文件，通過專門顯示原始圖像的軟件打開，驗證是否是攝像頭拍攝的圖像，同時作為系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)。

（三）WIFI電路

本文Wi-Fi采用正點原子公司的ATK-MW8266D模塊，如圖3。它的傳輸速率是54Mbps，為視頻實時傳輸提供硬件基礎(chǔ)。

按圖3電路圖，將電源VDD，地GND，重啟RST，數(shù)據(jù)接收RXD和數(shù)據(jù)發(fā)送TXD與主控芯片連接好。通過電源電路給VDD提供3.3V電壓，WIFI模塊就可以正常工作。產(chǎn)商將WIFI相關(guān)操作封裝成AT命令，方便使用。只需要根據(jù)AT文檔提供的相關(guān)指令，就可以實現(xiàn)WIFI模塊的基本功能，比如配置網(wǎng)絡參數(shù)，收發(fā)數(shù)據(jù)等。配置成功后，可以在監(jiān)控端安裝網(wǎng)絡封包分析軟件Wireshark，驗證來自圖像采集端發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性。為視頻數(shù)據(jù)的正確傳輸，提供硬件基礎(chǔ)。

（四）存儲電路

本文存儲芯片采用Giga Device公司的GD25LQ128C型號芯片，它是SPI串行總線接口的閃存芯片，如圖4。它的引腳數(shù)相對較少，僅有8個，簡化了電路的設(shè)計；芯片尺寸相對較小，減少了存儲電路的面積，在一定程度上，節(jié)約了研發(fā)成本。芯片支持四線的QPI收發(fā)模式，傳輸速率在240Mbit/s，為視頻實時傳輸提供硬件基礎(chǔ)。

將存儲芯片與主控芯片按圖4電路圖連接好。通過電源電路給VDD提供1.8V電壓，時鐘電路給CLK提供合適的工作時鐘，以及CS片選信號配置好，存儲芯片就可以正常工作。通過使用標準的數(shù)據(jù)讀寫和擦除指令，就可以在輸入和輸出接口引腳，進行數(shù)據(jù)的傳輸。利用存儲芯片的燒寫器將芯片里的數(shù)據(jù)讀取出來，和軟件編程寫入的數(shù)據(jù)進行對比，驗證軟件對存儲芯片數(shù)據(jù)讀寫的正確性。為視頻數(shù)據(jù)的正確存儲，提供硬件基礎(chǔ)。

四、軟件設(shè)計

（一）V4L2模塊

V4L2（Video for linux2）作為無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻采集驅(qū)動程序框架。根據(jù)攝像頭的工作原理，實現(xiàn)V4L2提供的底層結(jié)構(gòu)體接口v4l2_subdev， videobuf2和video_device等[3]。讀取攝像頭圖像數(shù)據(jù)時，可以使用V4L2應用層接口，簡要操作流程如下：

1.通過系統(tǒng)I/O函數(shù)open，打開攝像頭設(shè)備節(jié)點。

2.通過結(jié)構(gòu)體v4l2_pix_format，設(shè)置采集圖像數(shù)據(jù)存儲類型和采集圖像分辨率等參數(shù)。

3.通過ioctl函數(shù)中VIDIOC_STREAMON參數(shù)，開啟攝像頭的圖像采集。

4.通過結(jié)構(gòu)體v4l2_requestbuffers，來對采集圖像數(shù)據(jù)進行讀取。ioctl函數(shù)中VIDIOC_QBUF參數(shù)可以從采集圖像數(shù)據(jù)的隊列中取出buf，進行圖像的后續(xù)操作；ioctl函數(shù)中VIDIOC_DQBUF參數(shù)可以將讀取后的buf，重新放回采集圖像數(shù)據(jù)的隊列中。循環(huán)往復，可以得到攝像頭連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)，供后續(xù)模塊使用。

5.通過ioctl函數(shù)中VIDIOC_STREAMOFF參數(shù)，停止攝像頭的圖像采集。

6.通過系統(tǒng)I/O函數(shù)close，關(guān)閉攝像頭設(shè)備節(jié)點。

（二）x264模塊

如果直接將攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)進行傳輸，圖片相對較大，對傳輸帶寬要求很苛刻。但是，如果提前將圖像數(shù)據(jù)進行編碼壓縮，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就會相對較小。所以，引入x264，它是一個開源的H.264/MPEG-4 AVC視頻編碼函數(shù)庫，編碼速度相對較快，視頻數(shù)據(jù)的壓縮比也相對較高[4]。即使在網(wǎng)絡帶寬很差的情況下，依然可以正常傳輸圖像數(shù)據(jù)。簡要操作流程如下。

1.通過x264_param_default函數(shù)，給編碼器的參數(shù)設(shè)置初值。

2.通過x264_param_parse（）函數(shù)，解析自定義配置的命令行編碼器的相關(guān)參數(shù)。

3.通過x264_encoder_open函數(shù)，開啟編碼器，將編碼器的初值，寫入編碼器。

4.通過x264_encoder_encode函數(shù)，將V4L2采集的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)存儲類型轉(zhuǎn)換，送到編碼器處理。編碼器可以輸出每幀編碼后的數(shù)據(jù)，供后續(xù)模塊繼續(xù)處理。

5.通過x264_encoder_close函數(shù)，關(guān)閉編碼器，并且打印相關(guān)統(tǒng)計信息。

（三）Live555模塊

Live555的源代碼架構(gòu)設(shè)計簡潔，支持多種視頻編碼格式的流化、接收和處理[5]。簡要操作流程如下：

初始時，首先創(chuàng)建socket，綁定本地IP地址，將網(wǎng)絡端口設(shè)置為8554，監(jiān)聽連接請求事件。一旦播放端有socket連接請求時，第一時間響應并且創(chuàng)建RTSP連接，并且將實例化的句柄加入哈希表中，供后續(xù)操作繼續(xù)使用。Live555流媒體服務器將x264編碼后的視頻數(shù)據(jù)進行流化處理，根據(jù)RTP協(xié)議把視頻編碼數(shù)據(jù)打包成RTP包，自適應調(diào)節(jié)模塊來完成對視頻數(shù)據(jù)發(fā)送速率的動態(tài)調(diào)節(jié)。當收到播放端發(fā)送的DESCRIBE請求時，就會獲取到對應的流媒體信息描述發(fā)送給播放端；當收到播放端發(fā)送的SETUP請求時，就會建立新的數(shù)據(jù)Sink；當收到播放端發(fā)送的PLAY請求時，使用Sink獲得RTP包。Sink不斷地向Source請求視頻數(shù)據(jù)，Source取得視頻數(shù)據(jù)后就調(diào)用回調(diào)函數(shù)，把視頻數(shù)據(jù)給Sink處理，Sink就將視頻數(shù)據(jù)源源不斷的發(fā)送給播放端。

五、結(jié)語

本文闡述了一種基于Linux平臺的無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方法。詳細地介紹了系統(tǒng)的設(shè)計：首先是硬件設(shè)計部分，分別從各個芯片的選型，到硬件電路的搭建和調(diào)試，確保硬件平臺可以穩(wěn)定的運行；然后是軟件設(shè)計部分，視頻數(shù)據(jù)是V4L2架構(gòu)采集攝像頭的圖像數(shù)據(jù)，先被送到x264編碼器進行編碼壓縮，接著被送到Live555框架進行流化處理，最后通過RTSP實時流傳輸協(xié)議發(fā)送出去。監(jiān)控端需要安裝VLC視頻播放軟件，就可以監(jiān)測攝像頭采集的圖像。本系統(tǒng)采用Linux開發(fā)平臺，它的可移植性和擴展性都相對較好。

參考文獻

[1]王英吉，周鳳新.基于社區(qū)警務的公安視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)研究[J].遼寧警察學院學報，2022，24（02）：68-71.

[2]張寶龍，李丹，王靖云，等.基于OV9712的串行器解串器視頻編碼方案[J].液晶與顯示，2015，30（06）：965-971.

[3]陳二微.基于Linux V4L2子系統(tǒng)的ISP及Camera驅(qū)動接口標準化方法及應用[J].計算機與網(wǎng)絡，2021，47（12）：26-27.

[4]王哲誠，葛萬成，吳曄.x264視頻編碼器中參數(shù)設(shè)置對編碼效率影響的研究[J].信息通信，2018（02）：40-42.