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　　摘  要：基于WiMAX的多媒體無線列調系統主要包括SIP模塊、視頻采集模塊、視頻編碼模塊、視頻傳輸模塊、視頻解碼模塊和視頻顯示模塊等部分。通過對各個模塊的詳細設計與實現使得該系統完成了視頻通話的功能。在實際鐵路的應用場景中，可在機車臺、調度臺、車站臺等不同角色之間進行信息的傳遞，有助于監控鐵路現場，為了解現場情況做出貢獻。 
中國論文網 http://www.xzbu.com/2/view-6745174.htm
　　關鍵詞：WiMAX;RTP協議;H.264;視頻傳輸 
　　 無線列調是以鐵路運輸調度為目的，利用無線電波的傳播，完成列車與調度中心之間或列車與列車之間通信的系統。近年來，由于國家對重載鐵路的運輸量及運輸效率的要求不斷加強，導致列車數量明顯增多，易于引起通信阻塞，因此迫切需要能夠提供更多帶寬的無線列調系統。WiMAX是一項新興的寬帶無線接入技術，它基于IEEE802.16，建立在IP技術之上。WiMAX技術的不斷發展使得VolP技術應用于鐵路無線列車調度系統成為可能，同時可實現基于VolP提供的語音通信和多媒體會話。在實際鐵路現場中，需要在各角色之間進行視頻通信來傳遞信息、聯絡業務，為此本文提出了基于WiMAX的多媒體無線列調系統。 
　　 首先深入研究了SIP協議的消息流程，通過SIP注冊信令及呼叫信令實現底層視頻單呼。然后根據MPEG.4與H.264之間的比較選取H.264作為本文的視頻編碼標準，通過引入目前在多媒體通信系統中廣泛應用的實時傳輸協議RTP，設計并實現了基于RTP傳輸H.264視頻流的視頻傳輸方案并將該方案應用于多媒體無線列調系統中。系統在實現過程中引入了DirectShow技術，基于構件的思想，對視頻編碼、傳輸、解碼及顯示采用了純軟件的實現方法，而視頻采集則應用了海康威視DS.4004HC視頻采集卡來完成。 
　　1  系統開發環境及相關技術 
　　 （一）硬件設備：海康威視DS.4004HC視頻采集卡。 
　　 （二）軟件平臺：本系統在以下軟件平臺上進行開發：（1）列調服務器端操作系統：ubum;（2）調度臺、機車臺操作系統：Windows XP;（3）軟件開發平臺： VC++6.0;（4）SIP服務器：Asterisk開源軟件包。 
　　 （三）JRTPLIB庫 
　　 本文采用JRTPLIB庫來實現RTP傳輸。RTP是目前解決流媒體實時傳輸問題的最好辦法，JRTPLIB庫是一個用C++語言實現的RTP協議的開源庫。這個庫使用socket通信機制實現網絡通訊，因此可以運行在Windows、Linux、Solaris、FreeBSD、Unix、VxWorks等多種操作系統上。通過使用這套庫文件，我們可以創建端到端的RTP連接，實現數據的實時傳輸。JRTPLIB是一個面向對象的RTP庫，它完全遵循RFC 1889設計，可滿足多種應用場景需求。 
　　 DirectShow由于采用COM標準所以通過COM接口來完成很多重要的功能，常用接口如下。 
　　 （1）IGraphBuilder接口：作用是構造過濾器圖表，處理和過濾源媒體流，管理一系列的Filter。 
　　 （2）IBaseFilter接口：繼承自IMediaFilter接口，作用是定義一個具體的過濾器指針，且處理多媒體數據。 
　　 （3）IMediaControl接口：對過濾器圖表中的流進行控制，比如啟動流或停止流。 
　　 （4）IPin接口：作用是管理兩個過濾器之間的Pin，使之可以連接過濾器。 
　　 （5）IMediaEvent接口：通知應用程序在播放過程中捕獲到的發生的事件。 
　　 （6）IMeadiaSeeking接口：作用是定位流媒體、查詢媒體的接口并控制多媒體數據的播放。 
　　 （7）ISampleGrabberCB接口：作用是對通過過濾器的流媒體數據進行采樣一次獲得幀圖像，是Sample Grabber過濾器的一個接口。 
　　 （四）海康威視DS.4004HC板卡介紹 
　　 海康威視DS-4004HC是面向數字監控行業推出的專用板卡，采用了高性能的視頻壓縮技術標準H.264，完全依靠硬件實現了視頻的實時編碼，實現了動態碼率、可控幀率、幀模式選擇、動態圖像質量控制，音頻預覽、視頻丟失報警、能獨立調整各通道參數，性能穩定且可靠。與之前產品相比，海康威視DS.4004HC板卡不僅保持了同等的圖像質量，還能很好地節省存儲空間并適合網絡傳輸，對于數字監控產品而言是一個很好的選擇。海康威視DS.4004HC板卡給軟件開發者提供動態連接庫形式的SDK接口庫。該SDK接口庫應用方便，專為該板卡設計接口程序，因此能更易于開發、縮短開發時間。DS.4004HC板卡在編碼的同時還可以修改碼流、幀結構、分辨率等除了碼流類型外的所有參數。比如壓縮時無須啟動、停止壓縮就可以改變分辨率、量化系數、幀結構、幀率、碼流等參數。播放器可以自動識別以上參數，按當前分辨率及壓縮幀率來正常播放聲音圖像。通過動態修改量化系數（I、B、P）可控制壓縮碼率，當碼率太高時，加大量化系數;當碼率太低時，減少量化系數。當然，在量化系數滿足的情況下，不必再降低量化系數。DS.4004HC板卡不壓縮也是可以進行運動測試的，即壓縮與運動監測是獨立的。要想節省硬盤空間，則能夠動態地改變幀率是非常有價值的，因為這樣可以在運動時按高幀率錄像，在無運動時按低幀率錄像，再記錄到同一個文件內。DS.4004HC板卡不僅支持4路實時編碼壓縮，也同樣支持2路的4CIF實時編碼壓縮。應用程序可以從DS.4004HC板卡的4個編碼通道中任選兩個通道設置為4CIF分辨率，然后對設置好的兩個通道進行錄像，這樣就可以作為2路的4CIF編碼錄像，同時，板卡剩下的兩個通道可以作為視頻預覽顯示圖像也可以不予顯示。 
　　2  SIP模塊實現 　　 （1）SIP注冊 
　　 SIP注冊的程序實現主要使用libeXosip2.3.3.0庫提供的三個函數。 
　　 （2）單呼 
　　 實現過程中先創建一個簡單的SIP請求消息，該請求消息中有一些如from，to，cseq，call.id等消息頭，若請求成功則創建SDP消息體并設置其內容，接下來發送INVITE請求至服務器端，服務器端向被呼叫方發送INVITE請求，被呼叫方收到請求后通過消息體的設置來解析消息體的內容，從而向服務器端做出應答，服務器端回應呼叫方，開始會話。 
　　 （3）掛斷 
　　 會話終止的程序處理通過libeXosip2.3.3.0庫提供的函數：eXosip_call_terminateO發送中斷信息，完成掛斷的功能實現。 
　　3  視頻采集模塊實現 
　　 （1）創建應用程序 
　　 用VC++6.0工具創建一個基于MFC的基本對話框應用程序--視頻采集，把SDK接口庫提供的4個文件拷貝到應用程序所在目錄下。在程序中引入相關文件，工程文件中加入引入的鏈接庫文件，使得編譯程序在鏈接時能夠使用。接下來添加要實現應用所需要的控件，使圖像最終可以在程序界面中顯示。 
　　 （2）實現視頻采集 
　　 首先初始化板卡并獲取視頻設備信息，然后設置視頻預覽模式并獲取通道信息，接下來利用介紹的相關函數對相關參數進行設置，注冊讀取原始圖像數據流的回調函數，啟動視頻圖像預覽，調用函數獲取原始圖像數據并保存至內存，最后若終止視頻采集則關閉視頻設備結束采集任務，若不終止則繼續采集。 
　　4  視頻編碼模塊實現 
　　 （一）編碼方案的選擇 
　　 視頻編碼的實現有硬編碼和軟編碼之分，所謂硬編碼，就是將編碼算法固化在芯片的硬件電路中，本文采集視頻所采用的海康威視DS.4004HC視頻采集卡就可以實現H.264標準的編碼。硬編碼雖然使用方便、效率高，但其具有以下不足： 
　　 （1）擴展性差。隨著H.264編碼算法的進一步發展，必將會有更高效的算法出現，當進一步改進編碼算法時，由于算法已經被固化到視頻采集卡中，就無法方便地對其進行升級或修改。 
　　 （2）兼容性差。視頻采集卡的生產商一般都會對芯片固化的算法進行改進和優化，這使得硬編碼得到的格式必須與相應的解碼器對應，所以在解碼端，就只能使用固定的解碼器，因此將導致兼容問題。因此，根據以上分析本文主要通過軟件來實現其編解碼，雖然速度上較硬編碼而言較慢，但編解碼靈活度要優于硬件編解碼，這樣可以彌補硬件編解碼上的一些不足，便于對算法本身進行研究和改進。 
　　 （二）視頻編碼流程 
　　 實現過程中先判斷采集的視頻格式是否為ⅥⅣ，若不是則進行格式轉換。接下來對編碼器的編碼參數進行設置，打開編碼器進行初始化，獲取幀率、圖像尺寸等信息，通過分配編碼空間開始對輸入的視頻圖像進行編碼，編碼過程中進行VCL層編碼和NAL層編碼，VCL可有效地表示視頻內容，NAL對VCL層的視頻內容進行格式化，并提供頭信息以適合各種媒體的傳輸和存儲。當編碼完成后，調用x264 picture clean（）函數來釋放編碼空間以及x264 encoder close（）函數關閉編碼器完成編碼。 
　　5  視頻傳輸模塊實現 
　　 （一）RTP發送/接收 
　　 經過H.264編碼，視頻流的網絡傳輸由RTP的發送和接收兩個模塊負責處理。這兩個模塊分別封裝為H.264 RTP Receiver Filter和H.264 RTP Sender Filter。系統采用RTCP/RTP協議傳輸H.264視頻流。利用類庫JRTPLIB實現該協議，系統視頻傳輸模塊的實現，重點是對數據的RTP封裝和對接收到的PTCP/RTP數據的處理。 
　　 （二）Filter實現 
　　 （1）RTP發送過濾器的實現： 
　　 ①定義RTPSenderSession類，具有自動處理反饋消息的功能。OnNewSource（RTPSourceData木dat）：得到確認則置m bReceiveOK為TRUE， 
　　 ②CRTPSender中的主要函數：用于檢查接收端是否收到了參數集，若否則為FALSE。Run（REFERENCE_TIME tStart）：該函數在連接過濾器之后，過濾器進行啟動的時候執行，重載了CBaseRenderer類中的Run函數。該函數能夠實現創建RTP會話，默認參數包括時戳增量、負載類型和標識等，并將接收端的地址加入到源列表中。 
　　 RTP發送過濾器還實現了IRTPSender自定義接口，包括兩個接口函數：SetDestination（unsigned long，unsigned short）：設置接收端的端口和IP地址。HeaderMethod（BOOL）.選擇參數集的傳輸方式。 
　　 （2）RTP接收過濾器的實現： 
　　 輸出引腳類CRTPReceiverOutPin實現了將Sample數據"推"向下一級Filter的功能，CRTPReceiver的函數沒有這項功能。除此之外，RTP接收過濾器還實現了自定義接口IRTPReceiver，接口函數包括用于設置發送源的IP地址的SetAddr（unsigned long）函數以及用于設置RTP的接收端口的SetPort（unsigned short）函數。 
　　6  視頻顯示模塊實現 
　　 （1）視頻解碼流程 
　　 利用DirectShow技術對視頻解碼進行實現，具體Filter實現過程在下一節中詳細討論。實現過程中先對解碼器進行初始化然后打開解碼器，分配解碼空間后開始解碼。解碼過程中首先檢查視頻流的序列頭，定位到圖片頭然后解碼一幀圖片，若解碼未結束則與編碼過程相逆先進行NAL層解碼再進行VCL層解碼。當解碼完成后，調用相關函數回收解碼空間及注銷解碼器來完成解碼。 
　　 （2）視頻顯示流程 
　　 首先進行初始化，建立過濾器圖表后創建過濾器圖表管理器，接下來渲染多媒體文件并構建濾波器鏈表，設置圖像顯示窗口加入一些需要的功能控件。然后將圖像加載入顯示窗口進行顯示，在媒體文件播放完畢時要進行判斷，調入阻塞函數以防止視頻還未播放完就結束，實現從頭至尾順序播放，播放多媒體文件結束后釋放對象，銷毀濾波器鏈表圖并結束播放。 
　　7  結束語 
　　 本文首先介紹了多媒體無線列調系統的開發環境及所用的相關技術。接下來分別從SIP模塊、視頻采集模塊、視頻編碼模塊、視頻傳輸模塊、視頻解碼模塊及視頻顯示模塊詳細闡述了每個模塊的具體實現過程，完成了多媒體無線列調系統的總體實現。 
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