摘要　面對高速公路區域聯網監控的需求, 在分析了客戶機/服務器(Client/Server) 模式和瀏覽器/服務器(Brow ser/Server)模式的基礎上, 本文提出了基于B/S 模式的帶寬自適應的區域聯網視頻監控系統, 描述了系統的組成和層次結構, 進而提出關鍵設備嵌入式流媒體服務器的設計, 其采用嵌入式處理器CPU AT91RM9200、MPEG-4視頻編碼芯片G07007以及嵌入式Linux 操作系統。文中還解釋了基于RTCP的反饋機制和帶寬自適應的策略和方法, 及動態適應網絡擁塞等狀況。

　　關鍵詞　視頻監控；Browser/Server；嵌入式系統；ARM；帶寬自適應

　　1　引　　言

　　目前, 高速公路網已頗具規模, 但路面超載、超速、堵塞等現象時有發生, 嚴重影響了高速公路“快速、安全、舒適、高效”的服務質量。為了充分發揮交通監控的路徑誘導、多路徑交通流量調控的功能, 地發揮高速公路網絡的通行能力, 高速公路視頻監控系統正從線控模式向面控過渡, 由路段分管的模式向聯網監控的方向發展。與此同時, 分布式遠程多媒體視頻監控系統得到了越來越廣泛的應用。目前的視頻監控發布系統一般采用基于Client/Server 模式構建, 其通用性、易用性和擴展性受到限制, 需要專門的客戶端程序, 通常僅限于局域網或專用網內部使用。

　　針對高速公路實際需求, 本文提出了基于Browser/Server 模式的帶寬自適應的區域聯網視頻監控系統。考慮到目前省內路段監控系統大都采用了基于控制矩陣的模擬視頻監控系統, 為節省投資, 兼容現有系統, 研制了嵌入式流媒體服務器ESMS, 集嵌入式處理器、視頻壓縮編碼、Linux操作系統為一體, 并采用IP 組播、RTP/RTCP、流媒體協議, 以及自適應的擁塞控制算法等, 實時發布監控視頻流。

　　2　區域聯網監控的設計

　　區域聯網視頻監控系統構成如圖1所示。可分為三個層次: 交通信息用戶、省交通監控中心、路段監控中心(分別簡稱信息用戶、省中心、路段中心)。其中, 用戶包括公眾因特網、省交通廳相關職能機構、省公路局、區域監控分中心, 及其他機構等。信息用戶直接Web 瀏覽器訪問省中心的視頻發布服務器, 通過認證和鑒權, 控制攝像機動作。省交通監控中心負責匯集下層各路段中心上報的交通信息(圖像和數據) , 進行系統的身份認證和權限管理。路段監控中心是整個省域聯網監控系統的基礎, 負責把所轄路段的交通信息上傳至省交通監控中心。

圖1　基于B/S 模式的區域聯網視頻監控系統總體結構圖

　　在信息用戶——省中心之間, 采用基于的B/S 模式的監控視頻流發布, 遵循標準的流傳輸協議, 實現基于Web 的監控視頻流服務。由于用戶所處的公眾因特網不支持組播, 視頻發布服務器的監控視頻流將采用單播發送給每個信息用戶。其中, 省中心的視頻發布服務器包括兩類服務器功能:Web 服務器和流媒體服務器。與C/S 模擬的監控系統相比, 客戶端采用Web 瀏覽器, 簡化了客戶端的工作, 屏蔽了交通信息用戶網絡的異構性問題, 也便于管理和維護。

　　在省中心——路段中心之間, 各路段控中心一般采用點對點方式接入省中心, 因此, 模擬路段監控中心的嵌入式流媒體服務器ESMS, 或數字路段監控中心的流媒體服務器, 均采用組播方式, 不必像單播方式為每個接收端單獨發送, 避免不必要的網絡擁塞和分配過大的帶寬資源。當然, 路段中心與省中心之間的網絡設備須得支持組播。

　　系統主要包括嵌入式流媒體服務器、視頻發布服務器、網管服務器和信息用戶瀏覽器。流媒體服務器獲取路段監控系統的視頻流發送視頻流給視頻發布服務器; 視頻發布服務器一方面提供HTTP 訪問服務。向瀏覽用戶提供Web 操作, 另一方面, 獲取路段的監控視頻流后與用戶建立聯系, 進行監控視頻流的發布。網管服務器的主要功能是: 管理系統的所以設備, 對系統內所有設備的參數進行設置, 對狀態參數進行顯示, 對網絡參數進行配置, 用戶權限和級別的設置, 對監控視頻流帶寬進行管理, 對設備故障進行管理等。信息用戶客戶端通過瀏覽器登錄訪問Web 網站, 以獲取實時監控圖像瀏覽等服務。

　　在區域聯網視頻監控系統設計中, 需要考慮的重點問題主要是視頻圖像編碼傳輸和視頻聯網控制兩個方面。當前, 路段監控系統可成為數字路段監控系統和模擬路段監控系統, 對于上述問題的實現有所不同, 下面分別進行描述。

　　在模擬路段監控系統中, 以視頻控制矩陣為核心,采用點對點方式, 實現監控視頻切換和控制。此類路段監控系統的區域聯網, 必須解決模擬圖像的采集、編碼、IP 包傳輸, 以及圖像源的切換控制等問題, 這就由嵌入式流媒體服務器ESMS來實現。

　　數字比模擬系統要簡單得多, 只需在路段中心設置流媒體服務器, 其主要功能類似于原路段數字監控系統和省域聯網監控系統之間的“網關”。按照用戶的操作請求, 進行必要的協議轉換, 將路段監控以太網上所需的監控數據和監控圖像進行必要的上傳處理。

　　3　ESMS流媒體服務器的設計
 
　　對于路段的模擬視頻監控系統, 嵌入式流媒體服務器ESMS是模擬路段監控系統實現區域聯網的關鍵。流媒體服務器需要完成模擬視頻的編碼傳輸和聯網控制功能。其硬件設計采用了Atmel公司的ARM920T內核的嵌入式處理器AT91RM9200 和WIS公司的G07007實時MPEG/MJPEG硬件編碼器的方案。ESMS 的硬件系統結構如圖2 所示。

圖2　ESMS 硬件系統結構圖

　　攝像機的模擬視頻信號經視頻A/D 轉芯片SAA7113進行視頻采樣量化, 與此同時, 音頻A/D/A編解碼芯片UDA1344將輸入的模擬聲音信號采用量化一起送入音視頻編碼芯片G07007進行MPEG-4 格式的圖像壓縮。實時產生D1分辨率的PAL制每秒25幀的MPEG-4視頻流, G07007通過16位的HPI接口與AT91RM9200 交互。AT91RM9200將采集的視頻數據流, 按RTP/UDP/IP協議打包，通過以太網接口實現視頻流的實時傳輸。

　　網絡處理器自帶兩個RS-232 串口。一個主要功能是根據用戶需要設置IP編碼器的各種工作參數, 例如網絡的IP地址, 碼的幀率、編碼效率、圖像質量等。另一個串口用來擴展RS-422/485 等多種接口, 進而實現遠程控制目的, 例如攝像機的鏡頭焦距控制、光圈控制、云臺控制、報警輸入/輸出等。ESMS采用遵循GPL協議的嵌入式Linux 操作系統。Linux 操作系統具有任務調度、存儲管理、消息隊列、中斷處理等功能; 這里進行了裁減, 保留了進程管理、視頻設備驅動、TCP/IP 協議棧以及TTY 字符設備驅動等模塊, ESMS軟件系統結構如圖3所示。硬件驅動程序位于嵌入式Linux 操作系統之中, 是上層應用軟件和下層嵌入式硬件之間的橋梁。G07007的驅動程序按照Video for Linux (V 4L )視頻驅動標準規范實現, 用于驅動視頻采集/壓縮硬件。該驅動提供了一組API函數, 使得A T91RM 9200 服務能夠以比較一般的方式獲取壓縮視頻數據, 設置硬件參數。當G07007 的FIFO 緩存達到門限值時, 會產生G07007 硬件中斷。G07007的V4L驅動會響應該中斷請求并維護視頻緩存, 同時發消息給網絡處理芯片服務進程, 通知其打包視頻數據并傳輸出去。

圖3　ESMS軟件系統結構圖

　　4　視頻流帶寬的自適應處理

　　區域聯網視頻監控中, 各路段接入骨干網的方式不一, 網絡結構復雜, 網絡的擁塞、延遲、丟幀等勢必會影響圖像的質量。而監控視頻流往往具有嚴格的時延和抖動要求。重傳機制不利于視頻傳輸的實時性, 因此, 系統應能及時的評估網絡的狀況, 結合MPEG-4 視頻編碼的容錯特性, 通過增加或減少傳輸碼率來保證數據的實時傳送, 實現跨地域的帶寬自適應的視頻網絡傳輸。

　　監控視頻流首先以RTP協議進行封裝, 再用UDP協議對RTP數據包進行封裝, 由IP網絡層封裝為IP數據包, 經網絡進行傳輸。RTP本身也不提供可靠的傳送機制以及流量控制或擁塞控制, 它依靠RTCP提供這些服務。在RTP會話期間, 各接收端周期性地傳送RTCP。RTCP中含有已發送的數據包的數量、丟失的數據包的數量等統計資料。基于RTCP 的反饋機制, 發送端可以評估網絡狀態和接收端情況, 及時調整傳送方式, 盡可能地解決網絡實時數據傳輸中出現的不可預測的延遲、抖動等問題。基于發送端的碼率控制主要有改變編碼器的量化參數、丟幀和幀率控制三種方法。增大量化參數, 則發送端的視頻流碼率下降, 反之亦然。丟幀處理利用視頻編碼的特點, 例如在MPEG-4編碼幀分為: I 幀(幀內編碼)、P幀(前向預測編碼)和B幀(雙向時間預測) , I幀具有空間相關性, P 幀和B 幀同時具有空間和時間相關性。只有I幀和P幀可以作為參考幀, 因此在需要降低視頻數據發送碼率時, 可以根據幀的重要程度, 先拋棄一定數目的B幀, 再拋棄P幀來降低視頻流碼率。結果是圖像分辨率降低, 但整體幀連續, 無停頓感。幀率控制方式則是通過拋棄某些視頻圖像幀, 改變圖像幀發送速率, 如將原先30 幀/秒降為15 幀/秒來降低視頻流碼率, 結果是監控圖像細節清晰, 但因圖像幀的缺少造成幀間抖動和畫面停頓。在區域聯網視頻監控應用中, 需根據實際需要選用相應方法。碼率調整過程中采取加法提高、乘法降低策略, 即緩升快降方法。

　　5　結束語

　　該設計方案深入探討了基于B/S 模式的區域聯網視頻監控系統的架構和技術實現, 充分考慮了高速公路管理的體制和現狀, 以及網絡的安全性和異構性。其中Web方式操作簡單、維護方便, 便于擴展; 基于帶寬自適應的流碼率控制在相當程度上改善了網絡擁塞、時延等對監控視頻流質量的影響; 設計的基于ARM和專用視頻編碼芯片的嵌入式流媒體服務器, 具有很高的可靠性和性價比, 作為視頻監控的一個發展方向,具有廣闊的應用前景。