一款基于嵌入式视频服务器的远程实时视频采集系统实现流程详解

随着通信网络威廉希尔官方网站 的迅速发展，基于网络的高质量视频传输已逐步取代传统的文字语音交互模式，成为当今数字通信的主要研究领域之一。而随着嵌入式操作系统和集成电路设计水平的不断提高，嵌入式威廉希尔官方网站 与通信网络以及多媒体威廉希尔官方网站 的融合将成为未来数字视频通信领域的主流发展趋势。

一直以来，针对网络传输实时视频对嵌入式软硬件都有较高要求。本文利用基于ARM920T内核的S3C2440嵌入式微处理器，采用压缩比更高的H．264视频压缩标准和开源嵌入式Linux系统，设计了一款基于嵌入式视频服务器的远程实时视频采集系统。

1 采集系统平台搭建

1．1 系统硬件平台

该采集系统以PC作为客户端，以广东友善之臂计算机科技有限公司研发的ARM9开发板Mini2440作为视频服务器，采用SamsungS3C2440为微处理器，用专业稳定的CPU内核电源芯片和复位芯片保证系统运行时的稳定性。三星公司推出的这款16／32位RISC微处理器S3C2440，采用ARM920T的内核，典型主频400 MHz，最高可达533 MHz，使用5级流水线威廉希尔官方网站 ，并采用丰富的控制模块为各种应用提供扩展。该采集系统的结构如图1所示。

1．2 系统软件平台搭建

PC机端使用内核版本为2．6．18的Linux 5红帽子企业版，由于后续需要在Windows平台进行FTP资料传输等工作，所以采取了虚拟机安装Linux的方式，这样方便Linux和Windows的数据网络交互。虚拟机软件版本为Vmware 6．5．1，采用的传输软件为基于SFTP协议的Flash Fxp。而交叉编译工具主要为Binutils、Gcc和Glibc。

一个嵌入式系统软件角度主要分为引导加载程序、Linux内核和文件系统3个层次，其中引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。BootLoader就是在操作系统内核运行之前运行的一段程序。在负责引导用的Hash存储器中，通常会按照图2的顺序分布。

因为后期进行摄像头驱动编写移植过程需要大量的调试，基于网络的NFS根文件系统就比较合适。基于这种考虑，选择了网络功能强大的U-boot作为BootLoader。移植U-boot主要做了以下工作：（1）修改编译条件，添加寄存器定义，修改时钟。（2）修改中断禁止部分，添加S3C24 40的中断禁止代码。（3）在board目录创建新开发板目录。（4）以smdk2410．c为模板修改PLL以及UPLL的设置。（5）修改Makefile相应配置行以支持该开发板。

修改完毕后进入工作目录进行板级配置，通过交叉编译工具链对改后代码进行编译。利用H-JTAG软件进行烧写，如图3所示为烧写成功并通过超级终端引导完成。

根文件系统挂载方式主要有ramdisk，NFS和initramfs这3种。制作自启动的嵌入式设备需要用initramfs作为根文件系统的内核进行烧写。先0地址处存放的是U-boot，约为100 kB；然后在0x0000～0x40000存放了约64 kB的环境变量。这两项均固定，所以uImage的大小必须控制在1．75 MB以下，并从0x40000开始存放。uImage包括内核和根文件系统两部分，需要针对其进行裁减，以符合项目要求。

在嵌入式系统中，BusyBox是构造文件系统常用的一个软件工具包。本文采用它来构建根文件系统。本项目使用的目标板内核为Linux 2．6．29，但根据项目自启动需要进行相应裁剪，根据最小系统标准进行裁减，串口、网口、根文件系统可用，并保留本文所要求的摄像头驱动，裁剪后的内核大小为1．3 MB，满足系统需要，如图4所示。

2 视频驱动编写以及C／S软件设计

2．1 T．264编码库优化移植

T．264为中国视频编码自由组织联合开发的开源编码器，它对H．264的特性支持单一，编码器可输出标准264码流，解码器能解T．264编码器生成的码流，它吸收了JM、X264和XVID的优点，适用于网络流媒体的传输。由于本文研究的视频采集系统应用于可视电话视频会议等应用中，对网络传输的要求较高，综合比较后，选用T．264作为本系统的软件编码器。

采用H．264中的基本档次，仅使用CAVLC熵编码方式即可满足应用要求。综合不同平均码率下的编码性能以及网络传输能力的考虑，对于QCIF格式运动平缓的视频序列，编码输出帧率为15 f·s-1时，设置平均码率为128 kb·s-1是比较合适的选择。使用T．264开源编码器，并对T．264进行代码级优化编译。在编译级添加了如下选项：（1）-fomit-frame-pointer选项忽略函数中不必要的帧指针，节省指令开销。（2）-04几乎打开了所有的优化选项，以尽可能提高程序运行效率。（3）-msoft-float：产生基于浮点运算函数库调用的软浮点目标代码。

2．2 视频驱动编写以及C／S软件设计

采用目前国内市场占有率较大的***松翰SONIX613a主控芯片的摄像头，该摄像头支持Jpeg格式和4：2：0采样的YUV原始视频数据输出，数据量小，可直接作为H．264等视频压缩编码标准的原始视频数据源，避免了对图像的重采样和色彩空间的变换等复杂的数字运算处理，适合嵌入式的实时视频采集应用。

2．2．1 驱动程序Gspca的修改移植

Gspca／Spca5xx是自由软件基金会发布的通用USB摄像头驱动程序。但由于该解决方案在Linux内核中并无驱动支持，所以必须针对其进行驱动的添加和修改，如图5所示。

2．2．2 C／S软件设计

出于对特定的应用对象以及成本的考虑，本文采用基于有线以太网络流媒体传输H．264视频的解决方案。采用开源软件VLC作为流媒体服务器与客户端播放器，进行单向点对点实时视频通信。图6为视频采集系统工作流程图。

（1）服务器端软件设计。

视频采集系统的服务器端采用后台控制程序video_server受理客户端video_client对VLC视频服务器的远程管理与设置，通过同一端口（3490）和同一套消息码进行通信。并在系统初始化脚本／etc／init．d／rcS中激活网卡后添加后台运行服务器控制程序Video Server的命令，使开发板启动后在后台自动运行video_server，它首先创建服务器端的套接口描述符，并与服务器端口地址及与client端统一的通信端口绑定，接着进入服务响应的主循环体，侦听套接口数据及连接，根据来自客户端的消息请求提供不同服务。video_server软件流程如图7所示。

（2）客户端软件设计。

客户机端程序Video Client的运行于PC机平台，用来向Server端发送远程控制命令。通过远程控制命令，可以配置服务器端的视频格式码率和传输协议、启停服务器端VLC进程、调本地VLC播放器接收并播放来自服务器端的视频图像等。

针对此程序利用跨平台界面库QT设计了GUI操作界面，有助于用户的交互。

由于服务器端对CIF格式图像采集及压缩编码速度较慢，因此程序仅支持这两个档次QCIF64 kb·s-1、QCIF-128 kb·s-1。设置完毕，点Connect按钮，Client向Server发送附带服务器设置参数的连接请求，若从Server接收到OK消息，表明server端接受了本地的连接请求并启动了Server端的VLC服务器，这时客户端将Connect按钮置为Disconnect按钮，同叫调用本地VLC播放器，接收并播放服务器发送的视频数据：若从服务器接收到NOK消息，则出错。服务器在正常接收和播放服务器发送的视频数据时，若点Disconnect按钮，则向Server发送SRV_QUIT请求，同时关闭本地的VLC播放器，Server接收到SRV_QUIT消息后，关闭Server端的VLC服务器。

整个系统PC机是客户端，基于S3C2440处理器的Mini2440开发平台是嵌入式视频服务器，Client程序通过以太网连接服务器，服务器响应请求后启动VLC进行视频采集并将视频数据传输到客户端，而后Client程序调用VLC播放器窗口对接收到的码流进行实时播放，正常工作情况如图8所示。

从视频图像帧率上看，经过优化的T．264编码器对QCIF视频平均码率在128 kbit·s-1时，编码速度能够达到16 f·s-1，但由于USB摄像头采集QCIF格式图像在约13 f·s-1，因此需要在服务器端设置压缩帧率为13 f·s-1，这样可以保证客户端以原有帧率解码视频流，从系统的整体性能考虑，这个码率能够满足远程教育和视频监控等应用。

3 结束语

研究了嵌入式Linux的开发威廉希尔官方网站 ，建立起基于Mini2440开发板的Linux开发平台，包括搭建交叉编译环境，设计裁减移植BootLoader和Linux2．6．29内核，构建基于BusyBox的根文件系统，开发针对视频采集系统的专用摄像头驱动。研究了H．264视频压缩编码标准，针对该视频采集系统对开源的T．264编码器进行编译和代码级优化，达到实时应用要求。研究了基于UDP协议的网络传输方案，修改设计服务器端的采集程序和客户端的视频解码播放程序，最终实现嵌入式视频采集系统的运行。