1．前言

當前的信息化時代，是一個構筑在網絡基礎之上的時代。基于TCP／IP協議的IP網絡，像Inter－net、Intranet與Extranet等以令人驚異的不可阻擋之勢發(fā)展著。而以網絡為基礎的數字視頻監(jiān)控系統是視頻監(jiān)控系統發(fā)展的主流，隨著微處理器技術、計算機網絡技術的進步，基于嵌入式WEB的網絡視頻監(jiān)控系統逐漸得到了人們的廣泛關注。

2. 基于嵌入式WEB技術的網絡視頻監(jiān)控系統特征及原理
本視頻服務器具有以下的一些特征。

采用嵌入式實時操作系統和專用的硬件結構，無論是軟件還是硬件都保證了嵌入式網絡視頻服務器比基于PC機的系統具有更高的實時性、穩(wěn)定性和可靠性。可以方便的聯動其他安全防范設備，如濕度、溫度、煙感等報警器。本視頻服務器使用MPEG-4視頻壓縮技術，與MJPEG和H.263等壓縮方式比，具有壓縮比高、碼流小、圖像質量好等優(yōu)點，特別適合于Internet環(huán)境下的實時監(jiān)控，并且可以節(jié)省存儲空間。

嵌入式WEB的網絡視頻監(jiān)控系統的主要原理是：嵌入式視頻服務器采用嵌入式實時操作系統，內置嵌入式WEB服務器，攝像機傳送過來的視頻信號經高效壓縮芯片壓縮后，通過內部總線傳送到內置的WEB服務器。用戶在監(jiān)控端可以直接通過瀏覽器觀看WEB服務器上的攝像機視頻圖像，授權用戶還可以控制攝像機云臺鏡頭的動作。本文所述的監(jiān)控系統的原理圖如圖1所示。

本系統由攝像機、嵌入式WEB服務器、傳輸網絡和監(jiān)控端組成。攝像機用來采集監(jiān)控現場的視頻。嵌入式WEB服務器是整個監(jiān)控系統的核心，有硬件和軟件兩個部分，詳細結構將在下面分別介紹。其主要功能包括：為監(jiān)控端提供WEB訪問頁面；對監(jiān)控端的訪問進行有效性、安全性檢查；響應監(jiān)控端的請求，為監(jiān)控端提供所需要的視頻圖像；接收監(jiān)控端的控制信息，經過軟硬件轉換后對攝像機進行控制。每個服務器有自己的IP地址，在監(jiān)控端可以通過瀏覽器界面訪問服務器。監(jiān)控端的功能則是顯示現場視頻，并根據需要向服務器發(fā)送視頻請求以及對攝像機的控制信號。



圖 1 嵌入式視頻監(jiān)控系統示意圖

3. 嵌入式 WEB 服務器的硬件結構

嵌入式WEB服務器的硬件結構如圖2所示。其主要由CPU芯片、MPEG-4音視頻編碼芯片、Flash芯片、SDRAM內存、以太網絡接口、大容量硬盤組成。其中CPU采用MOTOROLA公司的PowerPC系列嵌入式通信處理器MPC8250。MPEG-4音視頻編碼芯片完成對從攝像頭傳送過來的視頻數據的壓縮和編碼。根據網絡帶寬、拓撲結構以及對圖像質量的要求，本系統選用基于MPEG-4標準的分層可擴展性編碼方案。壓縮后的視頻數據根據需要，可以存儲在大容量硬盤中，或者通過以太網進行網絡傳輸。為了實現視頻存儲功能，需要采用大容量的硬盤。





圖 2 嵌入式 WEB 服務器的硬件結構

4. 嵌入式 WEB 服務器的軟件系統

嵌入式WEB服務器的軟件設計與實現是本系統實現的關鍵之一，包括嵌入式操作系統與應用軟件兩大部分。

4.1 嵌入式操作系統

嵌入式操作系統是支持嵌入式系統應用的操作系統軟件，是在系統實時性、硬件相關性、軟件固態(tài)化等方面有著突出特點的專用操作系統。本系統采用嵌入式LINUX操作系統，它是在根據系統需要對LINUX操作系統進行小型化裁剪與實時化的基礎上實現的。使用LINUX的優(yōu)勢在于：其操作系統的源代碼是開放的，可根據需要進行定制；系統內核小，因而對硬件的要求相對要低；支持多任務多進程，能提供較好的實時性。

[!--empirenews.page--]4.2 應用軟件

服務器的應用軟件結構如圖3所示。其主要由WEB服務器、CGI程序、嵌入式數據庫mSQL、視頻調度與傳輸模塊、存儲管理與調度模塊、攝像機控制模塊等幾個重要部分組成。

4.2.1 WEB服務器與CGI程序

WEB服務器通過HTTP協議與監(jiān)控端瀏覽器軟件進行信息交互，提供其他應用程序模塊的接口以及視頻數據瀏覽界面和攝像機控制界面。此外，它還要對監(jiān)控端的訪問權限進行控制，過濾監(jiān)控端的請求和控制信息，處理多個監(jiān)控端的請求和控制的同步和優(yōu)先級問題。 本系統選擇適合于嵌入式系統的Boa WEB服務器。Boa是一個單任務的HTTP服務器，支持能夠實現動態(tài)WEB技術的CGI技術，源代碼開放、性能高。同時服務器程序本身所占空間很小，因而十分適用于嵌入式系統。 同時，本系統采用了CGI(公用網關接口) 來實現動態(tài)WEB技術，CGI規(guī)定了WEB服務器調用其他可執(zhí)行程序(CGI程序)的接口協議標準。WEB服務器通過調用CGI程序實現和瀏覽器的交互，也就是CGI程序接受瀏覽器發(fā)送給WEB服務器的信息，進行處理，將響應結果再回送給WEB服務器及瀏覽器。原則CGI程序可以用任何程序設計語言編寫，但是用C語言編寫的CGI程序具有執(zhí)行速度快、安全性高等特點。

圖3 嵌入式 WEB 服務器的應用軟件結構

4.2.2嵌入式數據庫mSQL

在本系統中，用戶信息的存儲，用戶的登錄登出，視頻設備參數的存儲與查詢，視頻文件的存儲與查詢等，都需要一個嵌入式數據庫。綜合考慮，本系統使用mSQL(MiniSQL)作為本系統的后臺數據庫。mSQL是一款優(yōu)秀的嵌入式數據庫，體系結構小巧，占用系統資源少，特別適合在嵌入式Linux系統中使用。同時，mSQL提供專門的API函數，使得用C語言編寫的CGI程序可以與mSQL的數據庫引擎進行通信。

4.2.3視頻調度與傳輸模塊

視頻調度與傳輸模塊為監(jiān)控端提供所需的實時視頻信息，是服務器應用軟件中最重要的模塊。該模塊根據所采取的網絡傳輸與控制協議與監(jiān)控端建立連接，監(jiān)聽監(jiān)控端的請求；同時又根據不同的服務類型采取相應的調度策略創(chuàng)建視頻流，然后將視頻數據分組、打包，發(fā)送到監(jiān)控端，并根據路由器和監(jiān)控端反饋的網絡狀態(tài)信息進行差錯處理和擁塞控制。

視頻數據的傳輸一般采UDP網絡通訊協議，而采用UDP的IP傳送方式有點播、廣播和組播三種，其中組播是服務器只向特定的用戶組發(fā)送一個數據包，組中的各用戶可以共享這一數據包，而組外的用戶卻無法接收到。本系統采用IP組播方式，采用組播技術的優(yōu)點有以下幾點:可以讓服務器承擔大量客戶端的視頻數據播送要求;由于數據包拷貝數量和發(fā)送目的地址少，大大減少了網絡中傳輸的數據總量，從而保證較高的服務質量；減小了視頻數據流傳輸的帶寬占用，減輕了服務器的負擔。

本系統采用的網絡傳輸協議使用RTP/UDP/IP模型。RTP協議是一種提供端對端的實時媒體傳輸服務的協議，由實時傳輸協議RTP和實時傳輸控制協議RTCP兩個部分組成。RTP用于實時視頻數據的傳輸，而RTCP則用來監(jiān)控實時視頻數據的傳輸。RTP/UDP/IP的方式兼顧了視頻傳輸的實時性與QoS保證。同時針對傳輸網絡狀況的不確定性，還可以采取一定的擁塞控制和差錯控制策略。

4.2.4存儲管理與調度模塊

存儲管理模塊的主要功能是將壓縮和編碼后的視頻信息根據一定的策略存儲至磁盤中特定的區(qū)域，并將視頻文件信息存儲到嵌入式數據庫中，以供檢索與回放，同時響應視頻調度與傳輸模塊的請求，按照一定的磁盤調度策略和優(yōu)先級順序從磁盤中讀取視頻數據至內存緩沖區(qū)。對于存儲管理，本系統采用等長分組存儲策略，即將視頻信息按照時序關系分割成若干數據單元，這些數據單元稱為分組，將每個分組存儲于一個大小固定的存儲單元內。

4.2.5攝像機控制模塊

攝像機控制模塊主要實現對攝像機的控制。在監(jiān)控端，用戶通過瀏覽器向WEB服務器發(fā)送攝像機控制命令，該控制命令經WEB服務器接受和處理后，再通過CGI程序發(fā)送給攝像機控制模塊，然后被轉換成相應的對攝像機控制的硬件操作指令，從而實現對攝像機云臺鏡頭的遠程控制。

5 結束語

隨著VOD業(yè)務的不斷普及，人們對視頻服務器的設計不斷提出新的要求。有些問題值得密切關注。其一是，當系統突然面對大量的客戶請求時，必須解決圖像、聲音數據流播放的高速、連續(xù)、可靠和同步的問題。這就要求視頻服務器在設計時采用一定的策略來改善這方面的性能。另一方面是為了進一步提高視頻服務器的服務用戶數，節(jié)省視頻服務器的系統資源，減輕骨干網的流量負載，可采用多播的方式把那些點播同一節(jié)目且具有相同（相近）路由的用戶統一進行服務。