嵌入式网络视频应用技术的研究与实现

【摘要】嵌入式网络视频技术的应用非常广泛，本文着重介绍嵌入式技术与网络视频结合的监控应用，并设计了嵌入式网络视频监控体系的架构。

【关键词】嵌入式；网络视频；监控；多点控制单元

一、网络视频监控体系

网络视频监控体系由于所应用的场所不同可以设计出不同的系统，本文介绍的是一种典型的系统是由监视设备对远景画面及声音进行采集，经由视频线经编码器编码后，通过网络将数据包发至远程监控服务器，服务器再将收到的数据包发往解码器或PC进行解码。因而，PC可以通过登录服务器实行远程监控，并可在局域网内配置多台解码器，将解码后的数据流输出至电视墙。还可通过配置数字录像器进行录像和视频点播功能。视频监控系统由以下几个单元组成：

①编码器，能够将实时采集的模拟信号转换为数字信号，并进行编码，再通过公共网络或内部网进行传输，从而为监控设备（防盗仪、摄像机等）提供接口；

②解码器，能够从网络中收到的音频、视频数据经由编码器编码的数据包进行解码，并将其还原成模拟信号，通过显示和声音设备实时了解所控制区域发生的情况；

③服务器，是整个监控系统的核心，登陆服务器的用户需要经过认证，使用浏览器（IE）可以获得多个画面的影象，并对其他各单元（电视墙、录像、视频监控等）进行控制；

④数字录像器，能够将拍摄下的数据文件进行录入，具有点播和回放等功能；

⑤客户端，主要指PC，客户端的功能实现主要通过服务器来操作；

⑥电视墙，能够将解码后的模拟信号在屏幕上显示的设备。

二、嵌入式技术

嵌入式系统是指具有计算机功能却不是计算机的设备，它不是PC系统，是一种应用型的专用处理系统。可以说，嵌入式技术是集软硬件为一体，它的工作方式像PC的BIOS，软件代码小能够自动运行，因此，具有自动化和速度快等显著特点，适用于多任务场景。嵌入式网络视频监控系统是各种芯片的继承，采用专用的操作系统。该系统可以集成各种接口，是一体化设计的设备，这种设备具有体积小、功耗小、便于安置在各种环境等特点。由于视频信息之间的传递是采用数字信号，数据的采集与服务器之间信号的传输通过网络实现，因而，不用进行模拟线路的铺设。嵌入式网络视频监控系统有如下优点：

①可以应用于广泛的区域；②可建构环境复杂的监控网络；③性能稳定，可实现自动化管理。

三、嵌入式网络视频监控架构

（一）终端编解码

终端模块需要实现监控的各项功能，包括编解码和信号传输、警告控制、摄像头控制、字幕显示，并能进行各种参数的配置。例如，将编好的软件嵌入到编码器中，对编码器的算法进行优化，所获得的图像质量就会得到大幅度地提高，并可以适应高达2Mbps的带宽进行传输。终端模块由以下几部分组成：

①调度模块是总控部分，由它实现各功能模块的调用，采用回调形式。当调度模块实现调用功能时，调度模块先发送通知信息，然后由回调模块决定采用何种处理策略，这样可以减少耦合性的发生；

②协议模块主要负责服务器和终端的通信，是两者相互联系的桥梁，他们之间的通信采用TCP/IP协议，码流则采用RTP/RTCP协议，由调度模块发送至服务器；

③配置模块主要负责参数的设置与生成；

④编解码管理模块负责对模拟信号进行编解码，编解好的密码再由调度模块来负责上传；

⑤串口管理提供通道，主要负责对现场的摄像头进行控制及数据采集；

⑥警告管理产生警告信息，调度模块既可以使客户端产生警告信息，还可以通过字幕模块显示警告信息；

⑦字幕模块，根据视频源端口的设备进行字幕显示，对编解码信息加字幕、显示时间及移动警告字幕。

（二）多点控制单元（MCU）

由于服务器要和各功能单元进行连接，要起到多点控制的功能。因此，服务器的软件模块就采用“多点控制单元”或MCU（Multipoint Control Unit）。例如，在大型的视频监控系统中，会出现多个中心服务器，因此需要他们之间产生级联的关系，这样就可以通过创建过个线程（上级MCU模块、下级MCU模块、监控模块、编解码模块、客户端模块等等）来处理相应模块的消息。MCU是整个监控系统的核心，它负责信息指令的收发和转发，信息处理量非常大。MCU可以同时允许多个用户登陆，当用户集中登陆系统时，如采用单播方式会使得MCU超负荷运作，导致数据的收发延迟现象非常严重，同时路由器的链路也会严重损耗带宽。为了解决这一问题，系统可以采用以组播方式建立网络，使得MCU发出的信息可以同时让多个客户端共享，此外还可以增加一个组播组，当多个用户进行相同操作时，只需要向组播组的地址发送一条指令就可以了，采用了这种方式可以有效节约大量带宽。MCU采用的嵌入式硬件和操作系统可以保证其长时间稳定、安全地工作，极少出现故障，有效避免一些因为设备故障老化所带来的安全隐患。

（三）用户管理模块（UM）

用户管理模块又称UM模块是整个系统中一个相对独立的模块，它主要是为了实现统一的用户管理功能，这样可以有效避免各模块之间的相互影响，从而具有良好的耦合度。其可以实现多个用户管理功能、设备管理功能、用户操作权限管理功能、针对一组用户（单位客户）进行管理、警告管理功能、日志管理功能等等。用户管理模块的信息存储于关系型数据库之上，架构在独立的服务器之上，通过数据访问技术（SQL Server）对数据库进行操作。当用户需要查询数据时，MCU会转发用户请求给用户管理模块，用户管理模块会调取相应的结果再通过MCU转发给用户。

（四）数字录像服务器

数字录像服务器是为了事后查询而采用的设备，其主要有两大功能：

①录像功能。摄像头将拍摄到的实时画面以模拟信号传至编码器。编码器对其按照预先设定好的帧数和分辨率将这些数据进行编码，并将数据压缩成数字信号，再切分成数据包形式通过网络发到服务器。服务器接受到数据包后，直接传送至录像服务器。录像服务器接收到数据包之后，将其转换成媒体数据，并写成ASF文件格式进行存储。

②点播功能。将ASF文件从数据库之中读取之后，将它转换成RTP数据包，以数据包的形式通过网络发送至服务器。服务器将数据包组合成多媒体数据，还是以帧数为的单位，发送到客户端进行解码，再将其进行解码转换成模拟数据在显示设备（电视墙、PC显示器等）之上显示。

（五）网络服务器与客户端

客户端界面为了方便用户的操作，采用ActiveX设计成一个OCX对话框控件，并将这个对话框控件插入到网页中，这个网页就是嵌入式网络服务器的主页面。用户可以通过PC访问这个网页，通过与MCU的连接来浏览监控画面及控制摄像头等操作。用户进行现场监控时，所使用的浏览器平台与服务器所运行的嵌入式平台相互独立，从而可以方便实现跨平台的操作。因而，当用户浏览远程监控画面时，不需借助任何其他的软件，只需观看浏览器的显示画面即可。

四、结语

建立在嵌入式编解码器和嵌入式服务器基础上的平台，通过采用上述方式的架构，可以实现网络化和数字化的远程监控效果。这种架构方式的应用面很广，如在城市交通中的应用，就是一个典型的例子。只需在各交通路段口安置一个摄像机，采用多倍自动光圈和全方位主动技术，利用嵌入式编码器以互联网的方式与监控中心的嵌入式服务器相连。在监控中心安置一台大型的可以同时支持多达2000个编解码器的嵌入式服务器，确保数据流畅的收发，同时再配置多台数字录像服务器，可以对远程监控设备监控的视频画面进行录像，以备后期的点播与取证之用。该系统可以实行24小时全天候不间断的录像。通过互联网的连接，用户可以对路况进行实时监控，并通过服务器的授权进行远程调控。

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作者简介：胡德清（1978―），男，四川信息职业技术学院讲师，工程师，研究方向：电子信息技术、嵌入式技术、物联网技术。