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基于WLAN的移動視頻監(jiān)控系統

介紹基于WLAN的移動視頻監(jiān)控系統，描述了視頻捕獲、視頻再現、無線視頻傳輸等組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的帶寬自適應流量控制、環(huán)形緩沖區(qū)處理、守護線程等三種方法。
　　關鍵詞：移動視頻監(jiān)控系統；視頻通信；QoS?

Mobile Supervisory System Based on WLAN

CHEN 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

　　手持移動終端通過無線網絡調看遠程數字視頻圖像可廣泛用于工業(yè)控制、小區(qū)安全防范，以及新聞媒體服務等場合。文中給出符合IEEE802.11b的基于無線局域網WLAN并以Intel XScale架構的移動終端為表現形式的移動視頻監(jiān)控系統技術方案。?

1.1系統架構
　　移動視頻監(jiān)控系統框架如圖1所示，位于多處的網絡攝像機通過LAN或VPN提供IP視頻源，移動視頻終端通過WLAN，經視頻發(fā)布服務器的認證后，控制攝像機并調看實時圖像。
　　系統支持基于一點到多點IP組播協議(Multicast)。網絡中，可定義224.0.0.0到239.255.255.255范圍的多點IP組播地址。多點組播的優(yōu)點在于滿足網絡規(guī)模較大時，可同時向眾多終端用戶同時提供多路圖像。但須注意視頻源負擔的降低是以增加路由器負擔為代價的，這可由視頻發(fā)布服務器加以限定。

　　視頻監(jiān)控系統采用主從(Client/Server)模式。主機端為視頻流發(fā)布源，基于Windows操作系統，完成原始視頻圖像的采集、壓縮編碼和網絡數據發(fā)送；從機端為播放移動終端，基于嵌入式 Linux操作系統，完成網絡數據接收、反向流量控制、云臺遠程控制、上層用戶界面、視頻解碼與再現等功能。主要技術有：
　　(1)選用Osprey-100圖像采集卡，實現多路視頻捕獲。在編碼器性能允許條件下，可實現多路視頻傳輸。(2)視頻編解碼采用MPEG4編碼標準，并協同網絡對QoS進行處理。(3)視頻流經基于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反饋控制及其他數據交互通過TCP通道交互。
　　圖2系統由視頻源端、WLAN、嵌入式移動終端組成。其中視頻源端可分為：視頻捕獲、MPEG4編碼、無線網絡傳輸三模塊；嵌入式移動終端可分為：嵌入式移動終端、MPEG4解碼、視頻再現三模塊；WLAN與雙方無線網絡傳輸模塊實現信息的交互。?

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數字視頻流的功能。圖像采集卡用YUV12格式將多路監(jiān)控攝像機的模擬視頻轉換為多種格式的數字視頻信號。?

2.2IPP優(yōu)化視頻編解碼
　　IPP(Integrated Performance Primitive)是Intel個人互聯網用戶架構中的重要組成部分，它在操作系統之上向應用程序提供功能調用，同時又直接立足于硬件，穿越了操作系統。IPP的最大優(yōu)勢在于對各個函數進行了匯編級上的優(yōu)化；根據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庫函數具有多層處理功能。對功能較弱的，可選擇IPP庫的底層函數；對于較強功能，可選用一個合適的高層IPP函數；用底層“原子”函數的組合也可替代高層函數，應算法要求還能作出改動，這使得對編解碼算法優(yōu)化有著很大的靈活性。
　　該系統對編解碼的具體優(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，達到了大幅度提高編解碼效率和提升系統實時性的目的。?

　　視頻再現指移動終端LCD顯示屏對解壓視頻信號的實時播放。要求播放器盡可能快的與顯示緩存交互。幀緩沖是Linux嵌入式系統中顯存，它是一個提供顯示內存和顯示芯片寄存器從物理內存映射到進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)數據。其實現流程如圖4所示：將幀緩沖映射到進程地址空間之后，就可以直接進行讀寫操作，而寫操作可立即反應在LCD屏幕上。具體實現是，打開/dev/fb0設備，并通過mmap系統調用進行地址映射，即可通過改寫緩沖達到視頻的實時播放。采用幀緩沖技術的優(yōu)點在于高度的移植性、較低的系統資源占用率，以及穩(wěn)定性，以滿足實時播放視頻的需要。

4.1無線網絡搭建
　　該模塊借助CF無線網卡，通過基于IEEE802.11b標準的無線局域網(WLAN)，與固定的無線AP(Access Point接入點)，架構多點到多點的模式，完成實時視頻的數據傳輸。該標準采用ISM(Industrial Scientific Medical)無線廣播2.45GHz頻段，最大速率為11Mbps，采用直接序列擴頻(DSSS)傳輸技術，AP的覆蓋半徑為100～500m的微蜂窩區(qū)域。
4.2CF無線網卡驅動
　　該工作重點在無線網卡驅動的改寫與移植上，可選用基于Intersil Prism芯片組(Version3.0)的ET?CWB1000無線CF網卡，采用Linux Spectum24 PCMCIA驅動。如圖5，Linux網絡驅動程序結構可劃分為四層：設備驅動/網絡設備層、網絡協議層、用戶應用層。CF卡與PCMCIA兼容，PCMCIA控制器將卡連接到系統總線，將卡內存映射到主I/O和內存窗口，并將卡產生的中斷路由到自由處理器中斷線。

1帶寬自適應的流量控制
　　寬帶視頻的實時傳輸需要一定的網絡帶寬。尤其當有多個用戶同時訪問同一視頻發(fā)布服務器的時候，容易產生并發(fā)擁塞瓶頸。這時輸出碼流需動態(tài)調整，以適應網絡狀況的變化。圖1所示為基于帶寬自適應的傳輸網絡結構，在流發(fā)布服務端和瀏覽用戶端之間構造閉環(huán)的負反饋系統，發(fā)布服務端通過實時的探測網絡傳輸狀況，根據相關的控制策略實時的調整輸出流碼率，從而實現系統對帶寬的動態(tài)自適應。其具體作法：目的端根據接收的視頻流緩沖區(qū)的狀況，實時管理環(huán)形緩沖區(qū)，力圖使輸出節(jié)奏均勻，并實時反饋相應的信息；發(fā)送端根據來自目的端的反饋信息調整發(fā)送的數據流量，調節(jié)媒體流的帶寬。
　　碼率控制是基于網絡可用帶寬確定視頻通信發(fā)送碼率的技術。在系統自適應網絡傳輸過程中，用戶端不斷檢測碼流傳輸質量因素，已發(fā)送的數據包的數量、丟失的數據包的數量等統計資料，經其處理后將信息交決策控制器；決策控制器根據相應策略控制相關組件，完成該發(fā)送碼流的動態(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接收多媒體數據并交后續(xù)的網絡播放器進行解碼播放。
　　為實現基于帶寬自適應的傳輸，首先需要進行網絡帶寬的動態(tài)探測和評估，然后采用合適的調整策略來整合碼流。網絡狀態(tài)的評估中，質量因素可以是丟包率、包延遲、緩沖區(qū)空間等參數。該系統采用數據包丟失率指標。接收用戶終端不斷測量丟包率，并通過TCP傳回發(fā)送端，決策控制器通過丟包率與規(guī)定的閾值進行比較，來確定是增加還是減少碼率。當丟包率大于上限閾值時，則減少碼流速率；當丟包率小于閾值下限時，則增加碼流速率。?

　　基于環(huán)形緩沖區(qū)的多線程技術如圖2所示，較好的達到了視頻連續(xù)、平滑碼流、節(jié)約內存空間的目的。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。
　　在內存區(qū)采用地址線性映射，開辟連續(xù)的內存塊，保證了線程的訪問速度，有效提高了解碼效率。?

　　在移動終端程序中，特地引入守護線程負責流量管理，它不屬視頻程序的核心部分，而是獨立地、周期性地在后臺為視頻各個線程執(zhí)行監(jiān)視任務。守護線程的原理類似于單片機的看門狗，定時檢測運行情況，并作出分析，判斷各個緩沖和線程運行狀態(tài)；發(fā)現異常情況即時處理，避免線程崩潰，畫面停滯。具體作法是，以輪詢間隔(Poll Interval，PI)來確定輪詢時需要等待的時間，這里PI設定值為1秒，負責監(jiān)視環(huán)形緩沖的容量及各個線程的運行情況。當偵測緩沖量超過閾值或某一線程崩潰時，將根據各個線程的運行情況維持或重啟線程。