基于FFmpeg的远程视频监控系统编解码

摘要：在远程视频监控系统中视频数据的编码传输以及解码显示是一个重要组成部分，通过对FFmpeg的研究学习，考虑采用FFmpeg来实现编解码的方法。远程监控系统由采集发送端和接收处理端组成，采集发送端使用S3C2440作为嵌入式硬件平台，并通过USB摄像头OV9650采集视频数据，经过FFmpeg编码后传输给接收处理端。接收处理端接收到数据后通过FFmpeg实时解码，采用OpenCV显示，实现远程监控。
关键词：FFmpeg；编解码；嵌入式

0 引言
    随着视频编解码技术、计算机网络技术、数字信号处理技术和嵌入式系统的发展，以嵌入式网络视频服务器为核心的远程视频监控系统开始在市场上崭露头角。该系统把摄像机输出的模拟视频信号通过内置的嵌入式视频编码器直接转换成视频流，通过计算机网络传输出去。嵌入式网络视频服务器具备视频编码处理、网络通信、系统控制等强大功能，直接支持网络视频传输和网络管理，使得监控范围达到前所未有的广度。在远程视频监控系统中，摄像头获取的原始视频流在传输之前需要压缩，而FFmpeg可以将原始视频压缩为H264格式视频流，H264是一种被广泛使用的高精度视频的录制、压缩和发布格式，因此采用FFmpeg来实现。

1 系统方案
    系统是在S3C2440平台上运行嵌入式Linux系统，使用CMOS摄像头OV9650获取实时视频图像数据，采用H264标准通过FFmpeg原始视频进行压缩编码成视频流，通过网络传输，用户在接收处理端经过FFmpeg解码之后，使用OpenCV显示播放即可实时查看远程视频图像。
    系统由两部分组成：采集发送端和接收处理端，采用Client／Server设计模式来实现两者之间的相互通信，由接收处理端向采集发送端发送控制信号，采集发送端开启摄像头进行视频数据采集，采集的原始视频数据是yuv422格式，经过FFmpcg编码压缩成H．264格式视频流，经通信网络传输到接收处理端；接收处理端接收到视频流数据后，经FFmpeg解码，通过OpenCV进行显示。采集发送端视频数据采集和发送采用三星公司的具有ARM920T内核的S3C2440作为嵌入式微控制器，接收处理端采用普通电脑。系统方案如图1所示。

2 采集发送端
    采集发送端主要包括嵌入式Linux平台和摄像头两部分，嵌入式Linux平台需要搭建交叉编译环境，而摄像头需要驱动程序才能正常工作。
    嵌入式Linux平台采用三星公司的S3C2440A处理器为硬件平台，S3C2440A处理器是一款基于ARM920T内核的16／32bit嵌入式处理器，主频
400MHz，最高可达533MHz,支持30／130／200万像素CMOS摄像头，支持linux2.4和Wince4.2双操作系统，适合应用于对功率和成本都较敏感的嵌入式系统场合。

    摄像头采用Omni Visio公司生产的CMOS摄像头OV9650，具有高敏感度、低功耗，高分辨率(最高1300X1028 pixels)，支持大量常用的图像格式、支持自动图像控制等优点。在接口上能够保持与S3C2440的一致性。输出图像最大为130万像素，输出图像格式包括SXGA，VGA，QVG A，CIF，QCIF等，并可以输出不同尺寸的图像。对于不同的输出图像格式，最高帧率可以不同，最高可达120f／s，输出的8位数据格式包括YUV／YCbCr(4：2：2)、GRB(4：2：2)、原始RGB数据3种。

2．1 建立嵌入式Linux平台
    建立嵌入式Linux系统的基本流程：首先在宿主机上建立交叉编译环境，然后移植Linux的引导程序到目标板，最后构建嵌入式Linux系统并移植到目标板。构建嵌入式Linux系统主要包括对内核进行裁剪和配置，根据实际的硬件系统进行内核和外设驱动程序的移植开发，以及构建Linux的根文件系统。
2．2 摄像头驱动配置
    CMOS摄像头驱动以MODULES的形式编写，因为MODULES形式的驱动可动态加载到Linux内核。
    加载驱动程序后，就可以像操作普通文件一样对摄像头进行操作。如：定义intm_filev412，通过m_filev412=open(“／dev／camera” O_RDWR)打开摄像头，通过read(fd,&inyuv422,D SIZE)读取摄像头的视频数据到数组inyuv422中，通过closc(m_filev412)关闭摄像头。有了视频数据后，就可以通FFmpeg进行编码。
2. 3 FFmpeg编码
2．3．1 FFmpeg简介
    FFmpeg是一个开源免费跨平台的视频和音频流方案，属于自由软件，采用LGPL或GPL许可证(依据所你选择的组件)，是一个集录制、转换、音／视频编解码功能为一体的、完整的开源解决方案。FFmpeg的开发基于Linux操作系统，也可在大多数操作系统中编译和使用。FFmpeg支持MPEG、DivX、MPEG4、AC3、DV、FLV等40多种编码，AVI、MPEG、OGG、Matroska、ASF等90多种解码；TCPMP、VLC、MPlayer等开源播放器都用到了FFmpeg。
    FFmpeg中FF是指Fast Forward。
2．3．2 编码
    OV9650摄像头输出的数据为yuv422格式，而FFmpeg编码需要输入yuv420格式数据，因此在编码之前需要先将yuv422格式数据转化为yuv 420格式。FFmpeg中的函数sws_scale()可以实现这个过程。
    在使用FFmpeg编码之前，首先需要对FFmpeg库进行初始化，注册所有的编解码器以及文件格式，设置编码器码率、帧速率、编码像素格式等参数，然后寻找编码器并打开，打开编码器之后才可以进行编码。通过设置结构体AVCodecContext中的各个成员参数来完成参数的设置过程，例如通过设置AVCodecContext->bit_rate，AVCodecContext->width，AVCodecContcxt->height等可以设置码率，宽度和高度等，通过设置AVCodecContext->pix_fmt=PIX_FMT_YUV420P设置YUV420像素格式。编码核心函数是avcodec_encode_video()。系统每采集一帧数据，就送给avcodec_encode_video()函数编码成H.264视频流。其编码流程如图2所示。

    下面对编码流程的各个步骤中主要函数的作用进行详细介绍：
    1)av_register_all()：注册库中含有所有文件格式和编解码器，没有这一步将无法打开编解码器。
    2)av_open_imput_file()：打开摄像头视频文件。
    3)av_find_stream_info()：寻找视频流。
    4)av_find_encoder()：寻找编码器，编码器参数需在pCodec中初始化，参数的初始化很重要，对编码的图像质量有很大影响。
    pCodec=avcodec_find_encoder (CODEC_ID_H264)；／／寻找H．264格式编码器
    5)avcodec_alloc_frame()：为编码帧分配内存。
    pFrame=avcodec_alloc_frame()；／／pFrame为AVFrame格式
    6)avcodec_open()：打开编码器。
    7)av_read_frame()：从视频流中读取一帧视频数据。
    8)avcodec_encode_video()：编码一帧视频数据。
    9)avcodec_close()：关闭编码器。
    10)avformat_close_mput file()：关闭视频摄像头文件。

3 接收处理端
     接收处理端可以与任意一个采集发送端进行连接通信。连接后可以接收采集发送端发送的视频数据，经过FFmpeg解码后显示。
3．1 FFmpeg解码
     用FFmpeg解码的流程与编码的流程大致相同，只是解码的核心函数为avcodec_decode_video()。接收处理端接收到一帧数据后，通过avpicture_fill()存储到AVFrame格式的内存空间中，然后再使用avcodec_decode_video()函数进行解码。其解码流程如图3所示：

3．2．视频显示
    FFmpeg对H.264解码出来格式是YUV(．i420)格式，需要转换成RGB(．rgb24)格式显示，使用FFMPEG中的sws_scalc()函数可以实现格式转换。
    显示视频采用的是OpenCV。显示的核心函数是cVShowImage(char* name，lpllmage* dst)，将得到的RGB(.rgb24)格式数据转换为OpenCV格式的lpllmage数据，然后显示在监控窗口上，如图4所示：

4 结束语
    随着视频压缩技术的发展成熟，嵌入式视频监控逐渐在监控领域占有重要地位。以S3C2440为嵌入式硬件平台，通过摄像头采集数据，在嵌入式Linux与Windows操作系统相结合的跨平台上，实现FFmpeg的编解码，为实际嵌入式视频监控系统的视频压缩传输设计，提供了一种可行的方法。