本文討論了基于MPEG-4的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)方案，包括圖像壓縮、存儲(chǔ)方式、通信和操作系統(tǒng)。這4個(gè)系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)視頻節(jié)目的壓縮、大容量視頻存儲(chǔ)、快速的傳輸通道和節(jié)目檢索與服務(wù)等功能。由于人們對(duì)VOD不斷提出新的要求，所以提出了在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問題。
關(guān)鍵詞 視頻服務(wù)器 嵌入式 MPEG-4 存儲(chǔ)體系

1引言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是日常生產(chǎn)生活中的重要輔助設(shè)備，應(yīng)用十分廣泛。當(dāng)前視頻監(jiān)控系統(tǒng)正逐步由模擬化走向數(shù)字化。隨著視頻壓縮技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)新一 代的基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體MPEG-4壓縮算法的視頻監(jiān)控系統(tǒng)已成為整個(gè)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。視頻服務(wù)器是視頻監(jiān)控系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分,主 要負(fù)責(zé)視頻資源的存儲(chǔ)播放，其工作能力極大地影響著視頻監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)能力和服務(wù)質(zhì)量。本文提出并研究設(shè)計(jì)了一種基于MPEG-4的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù) 器。該系統(tǒng)采用目前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最為活躍的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，以高性能嵌入式處理器、DSP處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心對(duì)嵌入式視頻監(jiān)控模塊進(jìn)行 設(shè)計(jì),并采用流媒體MPEG-4技術(shù)，通過IP多播技術(shù)、RTP/RTCP協(xié)議實(shí)時(shí)傳送視頻監(jiān)控流。服務(wù)器外部有多種網(wǎng)絡(luò)接口，可方便地接入網(wǎng)絡(luò)。可實(shí)現(xiàn) 通過Internet或Intranet對(duì)任意一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)一個(gè)監(jiān)控中心，多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的控制。非常適合對(duì)那些有眾多的監(jiān)控單元，又分布比 較松散的對(duì)象進(jìn)行集中和即時(shí)監(jiān)控。在監(jiān)控端，工作人員只需一臺(tái)與視頻服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)即可觀看實(shí)時(shí)圖像。視頻服務(wù)器每秒鐘所傳輸?shù)膸瑪?shù)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況 自動(dòng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)通信網(wǎng)情況的變化。如圖1所示為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2 視頻服務(wù)器采用嵌入式Linux的優(yōu)點(diǎn)

從目前的監(jiān)控系統(tǒng)來看，監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品都是基于通用PC平臺(tái)的。與嵌入式平臺(tái)的系統(tǒng)相比，PC平臺(tái)的系統(tǒng)普遍存在著一些問題：首先，當(dāng)前PC操作系統(tǒng)的主流 Windows主要是針對(duì)個(gè)人的辦公應(yīng)用，面向通用目的的沒有專用系統(tǒng)的針對(duì)性，在資源的使用上不一定能做到物盡其用、按需配置，可能會(huì)存在資源配置的浪 費(fèi)，因此，PC系統(tǒng)價(jià)格上與嵌入式系統(tǒng)相比處于一定的劣勢；其次，在實(shí)踐中Windows存在穩(wěn)定性較差和實(shí)時(shí)性不夠強(qiáng)的問題。使用嵌入式Linux操作 系統(tǒng)是我們設(shè)計(jì)視頻服務(wù)器的最大特色。它既不同于大多數(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)使用商業(yè)化的操作系統(tǒng)存在版權(quán)、高價(jià)位、非開放性等問題，又不影響監(jiān)控系統(tǒng)使用上的可靠 性、面向用戶開發(fā)的靈活性和用戶承受能力。這使其真正適合于有高可靠性要求的監(jiān)控場合。操作系統(tǒng)由于其源代碼的完全開放和免費(fèi)，通過研究Linux其內(nèi)核 代碼，可對(duì)它的可移植性、可裁剪性、良好的穩(wěn)定性和可靠性有比較透徹的了解，內(nèi)寬的網(wǎng)絡(luò)和強(qiáng)大的Linux團(tuán)體的支持可以作為我們開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的最佳選 擇。

3 視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)

我們設(shè)計(jì)的視頻服務(wù)器分為4個(gè)部分：視頻壓縮系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和操作系統(tǒng)。這4個(gè)系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)視頻節(jié)目的壓縮、大容量視頻存儲(chǔ)、快速的傳輸通道和節(jié)目檢索與服務(wù)等功能。以下對(duì)所設(shè)計(jì)視頻服務(wù)器的這幾個(gè)方面分別進(jìn)行論述。
1.1視頻壓縮系統(tǒng)
視頻服務(wù)器的工作主要是編碼和解碼。圖像視頻壓縮的標(biāo)準(zhǔn)有H.120、Ｈ.261、Ｈ.263、JPEG、MPEG-1、MPEG-2等。以上標(biāo)準(zhǔn)均偏重 于某幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，交互性較差，不能提供對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)的一致性訪問，容錯(cuò)性、靈活性和可擴(kuò)展性比較差。1998年11月MPEG-4成為國際標(biāo)準(zhǔn)。與 MPEG-1和MPEG-2相比，它對(duì)于傳輸速率要求較低，在4800～64000bits/sec之間。MPEG-4利用很窄的帶寬，通過幀重建技術(shù)來 壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求利用最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量。
MPEG-4引入了基于對(duì)象表達(dá)的概念，用來表達(dá)視聽對(duì)象AVO(audio/visual objects)；它具有高效編碼、高效存儲(chǔ)與傳播及可交互性的特性。MPEG-4允許已有的AVO生成復(fù)合的AVO,由此生成AV場景，并采用SNHC 的方法來組織這些AVO。對(duì)于AVO的的數(shù)據(jù)還能靈活地多路合成與同步，以便選擇合適的網(wǎng)絡(luò)來傳輸這些AVO數(shù)據(jù)，并允許接受端的用戶在AV場景中對(duì) AVO進(jìn)行交互操作。圖2簡單描述了MPEG-4視頻編碼原理。通過對(duì)輸入視頻序列的分析，確認(rèn)n個(gè)視覺目的的對(duì)象為編碼對(duì)象，將其認(rèn)定為n個(gè)VO（n＝ 1,2…），對(duì)每一個(gè)VO編碼后形成的這個(gè)VO的VOP數(shù)據(jù)流。VOP的編碼包括對(duì)運(yùn)動(dòng)（采用運(yùn)動(dòng)預(yù)測方法）及形狀、紋理（采用變換編碼方法）的編碼。由 于VOP具有任意形狀，因此要求編碼方案可以處理形狀和透明信息。除去VO的圖像的其余部分?－背景，仍采用傳統(tǒng)的矩形DCT變形編碼。最后VO場景描述 信息的編碼、VOP流、背景一起送入MPEG-4幀復(fù)合器，形成MPEG-4流輸出。MPEG－4技術(shù)應(yīng)用在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中具有節(jié)約存儲(chǔ)空間、占用網(wǎng)絡(luò)傳 輸帶寬少、錯(cuò)誤恢復(fù)能力強(qiáng)、圖像質(zhì)量高等特點(diǎn)，所以我們選用MPEG-4進(jìn)行圖像編解碼。

圖2 視頻編碼簡化原理

視頻服務(wù)器另一個(gè)很重要的功能就是節(jié)目播出，這需要在解碼通道設(shè)計(jì)中提供兩種基本功能：多個(gè)文件的連續(xù)無縫解碼輸出和任意并準(zhǔn)確地定位解碼文件的入點(diǎn)和出點(diǎn)。只有實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)功能才能達(dá)到視頻服務(wù)器的播出功能。
2.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)
視頻服務(wù)器所使用的硬盤不同于普通計(jì)算機(jī)硬盤，由于視頻信號(hào)數(shù)據(jù)量大、傳輸速率高，因此對(duì)硬盤的速度要求高。所以為了服務(wù)器的效率，視頻文件的存放過程必須進(jìn)行優(yōu)化。我們采用的優(yōu)化方法主要是采用高性能的存儲(chǔ)設(shè)備——磁盤陣列RAID，以及將視頻文件分段儲(chǔ)存。
磁盤陣列RAID是指一組具有可靠性和可得性的相對(duì)獨(dú)立的硬盤存貯序列。RAID分為6個(gè)級(jí)別：RAID0到RAID5。其中RAID3和RAID5被廣 泛使用。兩者都采用N+1的數(shù)據(jù)冗余體系，通過奇偶校驗(yàn)運(yùn)算記錄校驗(yàn)數(shù)據(jù)。RAID3的校驗(yàn)位固定記錄在指定的物理硬盤。RAID5則將校驗(yàn)位分布在陣列 的各個(gè)硬盤中。另一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別是RAID5主要是針對(duì)小數(shù)據(jù)多文件的讀寫設(shè)計(jì)（如數(shù)據(jù)庫），其一次讀寫的數(shù)據(jù)塊比RAID3少。由于視音頻文件較大，寫 數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)連續(xù)占用陣列的多個(gè)數(shù)據(jù)塊。正是因?yàn)橐曨l數(shù)據(jù)記錄的這一特點(diǎn)，決定了用何種RAID方式能更滿足數(shù)據(jù)讀寫高速度、低延時(shí)的要求。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)絕大多數(shù) 是多進(jìn)程并發(fā)的過程，因此數(shù)據(jù)讀寫性能需要在多進(jìn)程條件下判斷。根據(jù)RAID3和RAID5的特性，我們發(fā)現(xiàn)在寫文件時(shí)RAID3表現(xiàn)出來的不僅是數(shù)據(jù)寫 速度快，而且延時(shí)小。同樣的，由于RAID3和RAID5的校驗(yàn)位不一樣，RAID3的讀速度和低延時(shí)性能都比RAID5優(yōu)越。從以上的分析我們可以看出 RAID3更適合視音頻數(shù)據(jù)大文件、低延時(shí)要求的文件讀寫。因?yàn)橐曨l文件分段儲(chǔ)存策略與存儲(chǔ)I/O密切相關(guān)，所以考慮到充分利用I/O帶寬的理由，我們把 節(jié)目數(shù)據(jù)分成小數(shù)據(jù)塊放置到不同的硬盤或者服務(wù)器上。未分塊的節(jié)目數(shù)據(jù)容易造成負(fù)載不平衡現(xiàn)象，可以采用每20秒為一段來存放數(shù)據(jù)。
另外我們設(shè)計(jì)的視頻服務(wù)器采用獨(dú)立的RAID控制器，而不是依賴系統(tǒng)平臺(tái)的RAID卡方式。因?yàn)楹笳呷绻龅较到y(tǒng)崩潰，數(shù)據(jù)將很難恢復(fù)；前者只要重建系統(tǒng)連接即可找回原數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性。RAID控制器還具有故障自動(dòng)報(bào)警和數(shù)據(jù)自動(dòng)恢復(fù)功能。
2.3 操作系統(tǒng)
該部分主要負(fù)責(zé)CPU的調(diào)度、定時(shí)器的操作、線程的管理和進(jìn)程間通信等問題。
由于VOD業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，視頻服務(wù)器每接收到一個(gè)客戶的請求，都會(huì)開辟一個(gè)新的線程，這個(gè)線程負(fù)責(zé)用戶的各種操作，包括：播放、控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向、各種計(jì) 劃任務(wù)的制定等操作。這個(gè)線程是由兩個(gè)線程組成的生產(chǎn)者—消費(fèi)者模型。其中生產(chǎn)者從磁盤中讀取媒體數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)存中。消費(fèi)者負(fù)責(zé)從內(nèi)存中讀取這 些數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到點(diǎn)播用戶。
為實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、快退功能，有兩種可供選擇的方法。其一是，當(dāng)用戶發(fā)出快進(jìn)指令后，視頻服務(wù)器以高于正常播放兩到三倍的速率讀取數(shù)據(jù)，并發(fā)往用戶。同時(shí)，用戶 的回放速率也提高到對(duì)應(yīng)的水平。這與錄像機(jī)中的快進(jìn)操作過程很相似，優(yōu)點(diǎn)是服務(wù)器只需存儲(chǔ)一份正常速率的視頻文件，從而節(jié)省了存儲(chǔ)空間。缺點(diǎn)是視頻服務(wù)器 和用戶終端的工作負(fù)載會(huì)成倍增加，傳輸網(wǎng)絡(luò)也會(huì)因流量的增大而易于出現(xiàn)擁塞。這一方法還有一個(gè)缺點(diǎn)，就是很難實(shí)現(xiàn)快退操作。另一種方法是分別存儲(chǔ)正常、快 進(jìn)、快退三個(gè)文件。首先從正常速率的文件中，抽取部分I幀圖像，以順序的方式形成快進(jìn)文件，以逆序的方式形成快退文件。三種播放文件之間存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān) 系，當(dāng)從一種播放狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一種播放狀態(tài)時(shí)，生產(chǎn)者線程便從對(duì)應(yīng)的文件位置開始讀取數(shù)據(jù)，以保持用戶視覺上的連續(xù)。這種方法的不足之處就是需要較大的存 儲(chǔ)空間，但因具有易操作的優(yōu)點(diǎn),所以我們采用這種方法。
為了響應(yīng)用戶在正常播放中的交互操作，還須解決進(jìn)程間的通信問題。我們采用利用信號(hào)量的方法，即在生產(chǎn)者、消費(fèi)者兩個(gè)工作進(jìn)程之外，創(chuàng)立第三個(gè)控制進(jìn)程，通過信號(hào)量獲取從監(jiān)聽進(jìn)程發(fā)來的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換命令，去調(diào)整兩個(gè)工作線程的工作方式。
2.4通信系統(tǒng)
該子系統(tǒng)主要解決兩方面的問題，一是服務(wù)器對(duì)用戶點(diǎn)播的接納，另一個(gè)是視頻數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送。我們采用的是服務(wù)器推動(dòng)(server push)模型。讓服務(wù)器以一定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)到客戶，客戶接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解碼和回放。一旦視頻對(duì)話開始,視頻服務(wù)器就連續(xù)傳送數(shù)據(jù)。在視頻服務(wù)中，服 務(wù)器推動(dòng)的傳輸模式與客戶拉動(dòng)模式相比，能夠支持更多的并發(fā)用戶且傳輸效率更高。
在網(wǎng)絡(luò)上傳輸視頻信號(hào)非常消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬，為了滿足服務(wù)器的控制功能，必須設(shè)計(jì)一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，為控制通信留出帶寬，以保證控制命令的完成時(shí)間可以 預(yù)測。目前因特網(wǎng)上數(shù)據(jù)的傳輸主要采用TCP和UDP協(xié)議。TCP協(xié)議能提供有序、可靠的服務(wù)，但是一旦數(shù)據(jù)丟失會(huì)帶來嚴(yán)重的延遲，無法保證實(shí)時(shí)性； UDP是小的、節(jié)約資源的傳輸層協(xié)議，其操作執(zhí)行比TCP快得多。它適合于不斷出現(xiàn)的、和時(shí)間相關(guān)的應(yīng)用。
由于UDP的不可靠性，基于UDP的應(yīng)用程序在不可靠子網(wǎng)使用時(shí)必須自己解決可靠性，諸如報(bào)文丟失、重復(fù)、失序和流量控制等問題。在實(shí)現(xiàn)連續(xù)媒體數(shù)據(jù)傳輸 時(shí)，發(fā)送方和接受方應(yīng)該能處理圖像傳輸中發(fā)生的數(shù)據(jù)丟失、延遲等一些問題。因此，在UDP協(xié)議之上，采用RTP（實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）和RTCP（實(shí)時(shí)傳輸控制 協(xié)議）來完成視頻數(shù)據(jù)的傳輸。
以RTP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)封裝，再由IP網(wǎng)絡(luò)層封裝為IP包傳輸。RTP協(xié)議通過報(bào)頭中的序號(hào)字段排序RTP報(bào)文分組，以消除重復(fù)分組，保證視頻和音頻流內(nèi) 同步和連續(xù)的播放；時(shí)戳字段可作為流間同步標(biāo)識(shí)，以保證視頻和音頻流間同步和連續(xù)的播放。另外，需要周期性的發(fā)送RTCP報(bào)文，并根據(jù)傳輸質(zhì)量的反饋來控 制RTP包的傳輸。
由于音、視頻數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，而控制數(shù)據(jù)則對(duì)可靠性要求較高，因此，本系統(tǒng)采用兩種通信協(xié)議；TCP/IP協(xié)議傳輸通信控制數(shù)據(jù)，UDP/IP協(xié)議傳輸視頻數(shù)據(jù)。其RTP的數(shù)據(jù)封裝如圖3。

圖3 UDP/IP封裝的RTP數(shù)據(jù)

4 視頻服務(wù)器的特征

本視頻服務(wù)器具有以下的一些特征。
采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和專用的硬件結(jié)構(gòu)，無論是軟件還是硬件都保證了嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器比基于PC機(jī)的系統(tǒng)具有更高的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性?？梢苑?便的聯(lián)動(dòng)其他安全防范設(shè)備，如濕度、溫度、煙感等報(bào)警器。本視頻服務(wù)器使用MPEG-4視頻壓縮技術(shù)，與MJPEG和H.263等壓縮方式比，具有壓縮比 高、碼流小、圖像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于Internet環(huán)境下的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且可以節(jié)省存儲(chǔ)空間。

5 結(jié)束語

隨著VOD業(yè)務(wù)的不斷普及，人們對(duì)視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)不斷提出新的要求。有些問題值得密切關(guān)注。其一是，當(dāng)系統(tǒng)突然面對(duì)大量的客戶請求時(shí)，必須解決圖像、聲 音數(shù)據(jù)流播放的高速、連續(xù)、可靠和同步的問題。這就要求視頻服務(wù)器在設(shè)計(jì)時(shí)采用一定的策略來改善這方面的性能。另一方面是為了進(jìn)一步提高視頻服務(wù)器的服務(wù) 用戶數(shù)，節(jié)省視頻服務(wù)器的系統(tǒng)資源，減輕骨干網(wǎng)的流量負(fù)載，可采用多播的方式把那些點(diǎn)播同一節(jié)目且具有相同（相近）路由的用戶統(tǒng)一進(jìn)行服務(wù)。

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基于MPEG-4的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)方案