基于IOCP的MPEG-4出租車無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　引言

　　出租車行業(yè)的發(fā)展給人們的出行帶來了極大的便利，伴隨租出車數(shù)量的增多一些針對出租車的強盜案件也逐年上升，出租車公司對車輛狀態(tài)的監(jiān)測也成為緊迫的需求。針對此種情況開發(fā)了基于MPEG-4的出租車無線視頻監(jiān)控解決方案，本文主要介紹方案的軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)同已有的局域網(wǎng)監(jiān)控相比具有明顯的優(yōu)勢。不受地域、距離限制無須布線，非常適合出租車分布范圍廣，移動范圍大，終端數(shù)量多的特性。

　　MPEG-4(ISO／IEC14496)通過幀重建技術(shù)來壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以極少的數(shù)據(jù)量獲得了極佳的圖像效果，已成為目前市場上數(shù)字視頻編解碼技術(shù)的主流。

　　本文結(jié)合出租車實際情況設(shè)計了整體架構(gòu)，硬件電路，軟件框架和具體實現(xiàn)的整套解決方案。硬件設(shè)計劃分為基于TMS320DM270雙核處理器的視頻采集處理模塊、CDMA傳輸模塊和GPS接收模塊。軟件設(shè)計劃分為整體調(diào)度模塊、采用完IOCP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、采用XviD開放源碼構(gòu)造的MPE-4視頻解壓播放模塊、基于MySQL的數(shù)據(jù)庫存儲模塊。整個系統(tǒng)模型具有很高的擴展性，各部分功能方便重用和替換，經(jīng)測試是一套實用可靠的高效方案。

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個系統(tǒng)分為3部分。

　　·CDMA網(wǎng)中的出租車終端

　　每一臺出租車裝有一個嵌入式設(shè)備，包括CDMA通訊模塊、GPS采集模塊、視頻輸入輸出模塊和基于TMS320DM270的MPEG-4編碼、控制模塊，在出租車終端完成視頻信號的采集、轉(zhuǎn)換和壓縮。從CDMA內(nèi)網(wǎng)發(fā)起對服務(wù)器的連接，進行通訊。

　　·服務(wù)器

　　高性能服務(wù)器架設(shè)在公網(wǎng)，通過出租車終端的IP和ID管理各個終端，所有監(jiān)控終端與出租車終端通訊的命令和請求也都通過服務(wù)器進行轉(zhuǎn)發(fā)，可以通過服務(wù)器設(shè)置不同監(jiān)控終端的訪問權(quán)限，出租車報警后發(fā)送的視頻和圖片數(shù)據(jù)都在服務(wù)器備份，實時GPS數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫保存。

　　·客戶端

　　采用C/S模式，在普通PC機上安裝客戶端軟件，在Internet上的任意位置，使用經(jīng)過授權(quán)的用戶名及密碼可訪問有固定IP地址的服務(wù)器實現(xiàn)實時監(jiān)控。

　　·軟件體系結(jié)構(gòu)

　　軟件的體系結(jié)構(gòu)及各個部分之間的數(shù)據(jù)流和控制流的交互如圖2。

　　服務(wù)器端主要有5個模塊

　　1)服務(wù)器主控制模塊：完成整個服務(wù)器系統(tǒng)的初始化，解析網(wǎng)絡(luò)模塊接收到的數(shù)據(jù)和命令，調(diào)用其他模塊進行相應(yīng)的處理，實現(xiàn)具體功能

　　2)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊：所有的數(shù)據(jù)流和控制命令都通過調(diào)用網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的接收和發(fā)送功能來實現(xiàn)。

　　3)用戶管理模塊：對登錄到服務(wù)器的用戶進行身份和權(quán)限認證。根據(jù)設(shè)定的權(quán)限和分組規(guī)則，為用戶提供對應(yīng)的服務(wù)。可修改管理員和個人用戶密碼。保證系統(tǒng)的安全性和保密要求。

　　4)文件操作模塊：增加、刪除、修改、查詢文件。對接收到需要保存的圖片和圖像數(shù)據(jù)寫文件保存，為客戶端的請求提供文件。

　　5)數(shù)據(jù)庫模塊：增加、修改、查詢和刪除，GPS信息、錯誤記錄和日志記錄。

　　客戶端有3個模塊

　　1)視頻顯示模塊：調(diào)用sPlayer.ocx解壓顯示圖像。

　　2)地圖顯示模塊：通過對sinomaps的地圖控件二次開發(fā)生成mapspeed.ocx，實時顯示出租車的位置。

　　3)文件操作模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊與服務(wù)器端的功能基本相同。

　　系統(tǒng)主要技術(shù)

　　MPEG-4視頻壓縮技術(shù)

　　MPEG-4標準稱為甚低比特率視音頻編碼標準(Very low bit rate audio visual coding) ，正式編號是ISO／IEC14496。MPEG一4標準是一個基于對象內(nèi)容的視音頻編碼壓縮標準．其目標是利用最少的數(shù)據(jù)獲得最佳自勺圖像質(zhì)量和聲音質(zhì)量，它是一種多媒體數(shù)據(jù)框架和格式的定義，而不只是具體算法．它將眾多的多媒體應(yīng)用集成于一個完整的標準框架內(nèi)。為視音頻多媒體數(shù)據(jù)提供通用、靈活、高效、開放的編碼算法工具皮編碼方案。建立起能夠被多媒體傳輸、存取、檢索等不同應(yīng)用普遍采用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。

　　測試表明，MPEG-4視音頻全同步時數(shù)據(jù)流量為36Kb~336Kb，僅為MJPG或MPEG1的1/10，畫面質(zhì)量可以達到近似DVD的效果。

　　XviD編解碼技術(shù)

　　·多種編碼模式

　　除了最原始單重估定碼流壓縮(1一passCBR)之外，XviD提供了包括：單重質(zhì)量模式動態(tài)碼流壓縮、單重量化(Quantization)模式動態(tài)碼流壓縮、和包括外部控制和內(nèi)部控制的兩種雙重(2一pass)動態(tài)碼流壓縮模式。XviD顯然是目前PC上的MPEG4編碼內(nèi)核中，可選模式最多的視頻編碼。

　　·量化方式和范圍控制

　　XviD不僅提供了標準的MPEG量化方式，還特地提供了更適合低碼流壓縮的H.263量化方式。并且XviD還可以在雙重(2-pass)運算時，根據(jù)對畫面信息的綜合分析，動態(tài)的決定某段場景的畫面量化方式。除了量化方式選擇，XviD還提供了強大的對壓縮過程中的量化幅度的范圍控制。

　　運動偵測和曲線平衡分配

　　XviD提供了多極運動偵測精度。包括半像素插值(half pixel interpolation)的技術(shù)以l6x16像素的微區(qū)塊為單元標示上運動矢量；以及4分運動矢量(inter4v motion vectors)的方式，以8x8的像素區(qū)塊為單元更細致的紀錄運動向量以供二重分析。

　　·動態(tài)關(guān)鍵幀距

　　在視頻壓縮中，I幀記錄全部的畫面信息，而后續(xù)插入的P幀(P—Frame)僅記錄下與之前一幀的差值。因此根據(jù)畫面鏡頭切換和運動幅度變換關(guān)鍵幀I幀的位置，對于視頻壓縮下的畫面質(zhì)量提高，有明顯效果。

　　·人類視覺系統(tǒng)HVS(Human Visual System)

　　人類視覺系統(tǒng)，根據(jù)人類視覺的特性，建立模型，量化的時候根據(jù)這些特性，將人眼較不敏感的區(qū)域壓得差一點，將人眼較容易注意到的區(qū)域壓得好一點，可以提升肉眼看起來的品質(zhì)。

　　完成端口(IOCP)機制

　　IOCP(I/O Completion Port，輸入/輸出完成端口)是一種能夠合理利用與管理多線程的機制。該機制使用完成端口，用一定數(shù)量的線程處理重疊I/O(Overlapped I/O)技術(shù)，幫助處理大量客戶端請求，并使系統(tǒng)的性能達到較佳狀態(tài) 。從性能上考慮，與采用Select模型和Overlapped模型相比，采用完成端口模型在請求響應(yīng)的并行性上更勝一籌，I/O完成端口提供的多線程特性是一般異步模型所無法達到的。而且IOCP尤其適合為大量I/O請求提供服務(wù)，對于提高服務(wù)器效率大有裨益。
　　
　　系統(tǒng)分析與實現(xiàn)

　　本解決方案的開發(fā)基礎(chǔ)為Windows Server2003，開發(fā)工具為VC.NET2003。

　　數(shù)據(jù)包裝和解析的實現(xiàn)

　　網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包通過自加包頭進行解析，通過不同通道傳送視頻數(shù)據(jù)/控制命令。加載過程如圖3。


 
　　服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)傳輸部分的實現(xiàn)

　　服務(wù)器通過UI線程和Worker線程池(Threads Poo1)來確保服務(wù)器對多個客戶端的并發(fā)控制和通訊。服務(wù)器通訊功能主要實現(xiàn)簡述如下：

　　1.啟動監(jiān)聽線程并初始化完成端口(IOCP)核心對象，進入對CDMA終端喝監(jiān)控終端的監(jiān)聽狀態(tài)，主要通過CreateIoCompletionPort函數(shù)實現(xiàn)，此函數(shù)主要實現(xiàn)兩個功能1)建立IOCP對象，2)將接受到的套接字(SOCKET)同IOCP關(guān)聯(lián)。

　　HANDLE CreateIoCompletionPort(
        HANDLE FileHandle，//功能1時為INVALID_HANDLE_VALUE，功能2時為接受的SOCKET
　　HANDLE ExistingCompletionPort,，//功能1時賦值NULL，功能2時輸入已建立的IOCP對象
　　ULONG_PTR CompletionKey，//完成鍵自設(shè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，功能1時為NULL，功能2時完成鍵
　　DWORD  NumberOfConcurrentThreads ) //同時可操作IOCP對象的線程數(shù)，設(shè)為CPU數(shù)×2＋2

　　2.調(diào)用異步接收函數(shù)WSARecv()發(fā)起接收      SAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE  lpCompletionRoutine);

　　3.查看完成端口的通訊隊列，異步接收出租車終端發(fā)送的數(shù)據(jù)和通訊命令，通過調(diào)用GetQueuedCompletionStatus( )函數(shù)實現(xiàn)，
　　BOOL GetQueuedCompletionStatus(
　　HANDLE CompletionPort，//查看的完成端口對象
　　LPDWORD lpNumberOfBytes,，// 期望讀入的字節(jié)數(shù)
　　PULONG_PTR lpCompletionKey，// 完成鍵，自設(shè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
　　LPOVERLAPPED* lpOverlapped，// 重疊IO標志，每次查詢時需事先清零復(fù)位
　　DWORD dwMilliseconds) // 設(shè)置查詢超時時間

　　4.自設(shè)完成鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下，包含

　　struct CMD_CDMA_LINK_INFO
　　{   SOCKET m_hSocket;             // 通訊套接字SOCKET
 UINT m_uiCDMAId;             //無符號整型變量保存出租車終端ID
 CString m_strCDMAIP;         //字符串變量保存出租車終端IP地址
 bool  m_bCmdCDMALinkState;   //布爾型變量保存連接狀態(tài)
 int   m_nNumberOfPendlingIO; //整型變量保存掛起I/O數(shù)
 bool  m_bAlarm;    //布爾型變量保存報警標志   
　　　　CCriticalSection m_cmdCDMALinkInfoLock; };//臨界區(qū)變量，作線程同步

　　客戶端的解壓實現(xiàn)

　　客戶端也采用多個線程并行處理的模式，分別負責數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理、解壓顯示和地圖刷新，MPEG-4的解碼主要采用XviD解壓庫。MPEG-4協(xié)議有非對稱性的特點，即壓縮運算量大，復(fù)雜性高，為保證視頻信息的實時性，視頻采集壓縮由硬件完成；而解壓運算量較小，可以借鑒XviD編解碼技術(shù)來實現(xiàn)。如前所述，XviD編解碼技術(shù)有很多突出的優(yōu)點。在解碼過程中解壓主函數(shù)實現(xiàn)如下
　　　　int CDecThread::dec_main(BYTE* istream, BYTE* ostream,int istream_size,
　　　　xvid_dec_stats_t * xvid_dec_stats)
　　　　{int ret=XviD_ERR_FAIL; //默認值－1
　　　　/* Reset all structures */
　　　　memset(&xvid_dec_frame, 0, sizeof(xvid_dec_frame_t));  
 　　　　memset(xvid_dec_stats, 0, sizeof(xvid_dec_stats_t));         //初始化所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
 　　　　/* Set version設(shè)置解壓版本*/
 　　　　xvid_dec_frame.version = XviD_VERSION;  
 　　　　xvid_dec_stats->version = XviD_VERSION;
 　　　　/* No general flags to set //設(shè)置主標志位*/
　　　　 xvid_dec_frame.general          = 0; 
 　　　　/* Input stream輸入解壓數(shù)據(jù)流*/
 　　　　xvid_dec_frame.bitstream        = istream;  
 　　　　xvid_dec_frame.length           = istream_size; 
 　　　　/* Output frame structure輸出幀結(jié)構(gòu) */
 　　　　xvid_dec_frame.output.plane[0]  = ostream; 
 　　　　xvid_dec_frame.output.stride[0] = m_nXDIM*m_nBPP;
 　　　　xvid_dec_frame.output.csp = m_nCSP;
 　　　　ret = xvid_decore(dec_handle, XviD_DEC_DECODE, &xvid_dec_frame, xvid_dec_stats);
 　　　　return(ret);
　　　　}

　　結(jié)語

　　本文從MPEG-4數(shù)字視頻監(jiān)控的定制系統(tǒng)出發(fā)，通過研究，提出了一般的實現(xiàn)方法。通過模塊化設(shè)計并使用COM封裝，使系統(tǒng)主體做到與前端硬件的低耦合度，易于維護 使用完成端口技術(shù)傳輸視頻，同時，客戶端軟件使用Xvid實現(xiàn)了解壓。本文所淪述的方法已經(jīng)在實際工程中得到應(yīng)用，取得了良好的效果。

　　參考文獻：

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　　3.  張益貞，劉 滔，Visual c++6．0實現(xiàn)MPEG／JPEG編解碼技術(shù)，北京：人民郵電出版社，2002．
　　4. 劉諱瑋．Visual c++視頻／音頻開發(fā)實用工程案例精選．北京：人民郵電出版杜，2004．