1 引言

對圖像監(jiān)控系統，用戶常常對使用環(huán)境提出一些特殊需求，他們希望能夠監(jiān)控距離比較遠的對象，這些對象有可能是深山的電網、荒原的油井或者其它無人值守或人無法到達場合的重要設備何地；另一方面他們希望獲取比較清晰的圖象，同時他們對圖象傳輸的實時性要求比較高，很明顯，用傳統的PC機加圖像采集卡的方式很難滿足這樣的需求[1]。

以往的視頻監(jiān)控系統很多都使用了MPEG-4標準，而新一代視頻壓縮標準H．264是面向無線網絡和因特網的視頻圖像編碼與傳輸技術，相對MPEG-4標準，除了增強網絡適應能力外，大幅度提高了壓縮編碼效率，在相同的碼率下能夠獲得更高的主客觀質量。

碼分多址無線網絡具有覆蓋面廣、高效、低成本的特點。碼分多址網絡的數據傳輸速率可達150 kb／s。這里開發(fā)的嵌入式無線視頻定位監(jiān)控系統就是充分利用了H.264視頻壓縮技術碼分多址無線網絡技術和嵌人式系統的特點而搭建的數據傳輸系統。

本文提出了一種采用海思公司的Hi3510系統的設計方案，分別對系統軟硬件的設計進行了詳細討論，完成視頻信號的采集、壓縮及傳輸功能。

2 系統架構

該系統由無線或有線互聯網監(jiān)控用戶、中心服務器、嵌入式監(jiān)控終端組成，系統架構，如圖1所示。無線終端用戶或者有線互聯網用戶向中心服務器發(fā)送用戶請求命令，先通過碼分多址網關接入Internet，然后到達中心服務器。中心服務器收到用戶命令后進行命令解析，再通過無線網絡向監(jiān)控終端發(fā)送控制命令，監(jiān)控終端收到中心端的監(jiān)控任務之后，就通過圖像采集模塊拍攝現場圖像，并將經過H.264壓縮編碼后的圖像數據按照RTP通信協議，經由碼分多址模塊發(fā)送回中心服務器。對于無線用戶，中心服務器再通過無線網絡向用戶發(fā)送監(jiān)控視頻或圖片，而對于互聯網用戶中心服務器則直接通過 Internet向網絡用戶提供視頻或圖片監(jiān)控。中心服務器首先需要處理在數據傳輸過程中出現的數據包錯序、校驗出錯、丟包、重包等現象，即在通訊協議中增加請求丟包重發(fā)機制和超時機制；其次，中心服務器還要監(jiān)控碼分多址傳輸數據質量，并進行反饋，由此來控制碼分多址在不同信號質量下發(fā)送數據的速度；最后，服務器還要為用戶提供監(jiān)控系統的Web瀏覽、視頻數據的硬盤存儲、下載等功能。系統采用雙C／S架構，具有非常好的擴容性，多個監(jiān)控終端安裝在不同的地點，就能夠實現對不同目標的實時監(jiān)控。

圖1. 監(jiān)控系統構架圖

3 監(jiān)控終端設計

監(jiān)控端系統基于華為海思公司的高性能通信媒體處理器碼分多址搭建。Hi3510是一款基于ARM9、DSP雙處理器內核以及硬件加速引擎的高集成、可編程、支持MPEG-4 AVC/H.264協議的高性能通信媒體處理器。圍繞Hi3510分別搭建相應的硬件和軟件環(huán)境，就可以很方便的實現監(jiān)控終端的設計。

3.1 監(jiān)控終端硬件設計

要能夠正確運行一個系統，硬件方面至少應該包括CPU、內存和固態(tài)存儲器、系統內部總線以及外設接口，Hi3510處理器系統很好滿足了這些條件。具體硬件系統結構見圖2。

圖2. Hi3510處理器機構圖

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Hi3510使用ARM926EJ-S內核，哈佛結構的32位RISC處理器，其內內置MMU，主頻可達到 240MHz，可以很好得運行嵌人式Linux2.6，不但保持了嵌人式系統小型化、低功耗、易攜帶的特點，又充分利用了Linux系統完整的內存、文件、線程管理功能，大大方便了程序的開發(fā)和程序中多任務功能的實現。

H.264是面向無線網絡和因特網的視頻圖像編碼與傳輸技術．與其相關的各種研究已成為當今信息科學與技術的前沿課題。 H.264具有高壓縮比，良好的網絡適應性，一定的魯棒性等優(yōu)異性能，但其計算量過高，編碼時間過長，限制了它的廣泛應用。Hi3510芯片是具有 H.264硬件編碼SOC芯片―― Hi3510采用ARM9+DSP+硬件引擎方式，方便地提供了H.264壓縮視頻流，而且可以獲得很好壓縮比。

碼分多址通訊模塊采用深圳倚天科技公司的ETPro-309 AI CDMA Modem，其內置SIM卡，其內部核心芯片是Qualcomm MSM6025。該模塊包含基于碼分多址業(yè)務標準IS95和IS2000的調制解調系統，而且?guī)戎肨CP／IP協議棧，可利用AT命令直接與其通信。碼分多址模塊與核心處理器之間使用UART進行連接。

Hi3510支持ITU-R BT.656/601視頻輸入接口，攝像機接口接受ITU標準的圖像數據，不能直接接收CCD攝像機輸出的模擬視頻信號，因此我們只需要再加一片SAA7114視頻解碼芯片，就可以完成硬件系統的搭建。

3.2 監(jiān)控終端軟件設計

控制終端軟件的核心是嵌入式Linux操作系統,所有功能的實現都基于Linux操作系統來完成。主要包括三個層次，最底層是BootLoader服務程序和基本外設驅動，它主要完成系統加載和ARM核心處理器的初始化配置，第二層主要是攝像頭模塊和碼分多址模塊的驅動程序，最后一層是系統的應用程序。

由于Linux內核采用模塊化的設計。很多模塊可以獨立地加載或卸載，所以小型化就是對Linux內核重新編譯，在編譯時仔細地選擇嵌入式設備所需要的功能模塊，同時刪除不需要的功能。這里只需要串口驅動、SAA7114視頻解碼芯片驅動，還有撥號網絡應用，還要支持 PPP、TCP／IP網絡協議，其他都可以刪除掉，使系統運行所需要的內核顯著減小至l Mb以內。碼分多址撥號通過運行PPP程序進行。在Linux下的PPP包是專門為解決Modem撥號上網問題而編寫的，并且是公開源代碼的。PPP撥號腳本程序主要通過調用pppd和chat這兩個應用程序，并通過AT指令實現對Modem的操作。

應用程序主要是監(jiān)聽用戶命令，收到命令后調用攝像頭模塊采集圖像，然后再使用碼分多址模塊來發(fā)送圖像數據。終端一旦初始化后，就與中心服務器建立TCP連接，在運行過程中終端跟中心服務器保持TCP連接，中心服務器可隨時主動地請求圖像數據，因此，對于對交互性和實時性有較高要求的應用系統可實現較好的響應。監(jiān)控終端軟件流程如圖3所示。

圖3. 監(jiān)控終端軟件流程圖

4 基于RTP的H.264視頻流傳輸控制

由于H.264具有前面所指出的多種優(yōu)點，本系統設計了基于RTP的H.264視頻流傳輸控制。RTP協議對實時數據傳輸的支持包括時間戳、序列號、荷載類型標識和源標識等，時間戳反映了RTP數據幀中第一字節(jié)數據的采樣時間，采樣時間是線性單調增長的。接收方根據收到數據幀的時間戳來重建接收數據的時序關系，以便正確回放媒體流。序列號用于數據傳送的丟失檢測和幀序重構；荷載類型標識則指明RTP幀數據荷載的編碼格式；源標識用于指示接收方式所接收數據的來源。以上功能均通過RTP的幀頭來實現。

RTP 數據協議運行在面向數據報的UDP 之上，它只能提供無連接的不可靠服務，幀丟失或出錯都會降低圖像或聲音的質量。RTCP控制協議需要與RTP數據協議一起配合使用，RTP本身并不能為按序傳輸數據包提供可靠的保證，也不提供流量控制和擁塞控制，這些都由RTCP來負責完成。

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H.264視頻流分別裝上RTP報頭、UDP報頭和IP報頭，然后IP數據包通過Internet傳送到接收端。接收端收到IP數據包后按相反的順序將 RTP報頭和視頻流數據提取出來，根據RTP報頭中的序列號和將視頻流數據放人接收端緩存供解碼器解碼輸出。RTP反饋控制主要通過RTCP的接收方報告來完成，通過提取RTCP中接收方報告SR的反饋信息估計網絡的可用帶寬，再根據可用帶寬動態(tài)調整編碼的參數，使RTP發(fā)送碼率小于網絡的可用帶寬，從而保證傳輸的可靠性。[3]

圖4. RTP傳輸反饋控制模型

5 中心端設計

服務器端軟件實現的主要功能是接收、H.264軟件解碼嵌入式終端發(fā)送過來的監(jiān)控數據，并將得到的圖像保存和傳輸給終端用戶?？刂浦行闹鳈C通過寬帶上網方式登錄到Internet上，必須申請一個靜態(tài)IP地址。主機登錄Internet后，即可運行服務器端軟件。服務器端程序設計主要包括網絡通信、接收數據、H.264軟件解碼、保存圖像、即時重顯圖像。整個過程屬于軟件系統開發(fā)，本文不再詳細討論。

6 結束語

該設計是在城市或遠程移動設備所需監(jiān)控的應用背景下提出的，如城市武警車輛，本系統的應用會為預警指揮提供保證。本文作者創(chuàng)新點：設計提出了結合嵌入式技術、視頻壓縮編碼技術、無線通訊技術、網絡技術、監(jiān)控技術等多項技術無線視頻監(jiān)控系統，采用嵌入式技術和Linux實時多任務操作系統，基于碼分多址無線數據傳送、H.264視屏壓縮、RTP實時傳輸控制，使系統有極高的實用價值。

參考文獻
[1].    孫宏偉，基于S3C2440遠程圖像無線監(jiān)控系統的設計, 微計算機信息, 2006, 4-2；90-92。
[2].    華為海思半導體有限公司，Hi3510 媒體處理軟件開發(fā)指南，2006
[3].    陶桂東，基于RTP協議H.264視頻流傳輸QoS保證的研究，裝甲兵工程學院學報，2006，20卷