一种基于嵌入式Linux的地铁车载高清视频播放系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于嵌入式Linux的地铁车载高清视频播放系统，属于嵌入式视频处理领域。本发明专利技术包括服务器、视频传输网络和客户端三个部分，其中服务器采用了优化的H.264编码标准作为视频的编码方案，网络传输模块采用基于应用层的UDP(用户数据包协议)作为传输协议，客户端使用FFMPEG解码器对视频软解码并且在LCD实时显示。与当前地铁高清视频播放系统相比，具有编码效率高、网络传输丢包率小、播放画面清晰流畅、成本低等优点，并且可以适应由于地铁车厢震动等造成网络环境的突变，能够广泛应用于地铁多媒体视频播放系统领域。

A subway vehicle HD video playback system based on embedded Linux

【技术实现步骤摘要】
一种基于嵌入式Linux的地铁车载高清视频播放系统
本专利技术涉及一种基于嵌入式Linux的地铁车载高清视频播放系统，具体涉及在地铁网络环境下服务器、视频传输网络和客户端三部分完成车载高清视频压缩编码与传输，属于嵌入式视频处理领域。
技术介绍
地铁车载视频播放系统作为一种媒体服务平台，为乘客提供高效、快捷的服务。然而随着多媒体技术的快速发展，乘客对车载视频画面的清晰度、流畅程度有了更高的需求，然而高清视频画面分辨率和帧率的进一步提高将必然给服务器与视频传输网络带来更大的运行压力。目前，国内铁车载视频播放系统，虽然可以播放高清视频，但是播放过程中经常出现卡顿和花屏的现象，尤其是当地铁网络环境较差时更容易出现黑屏的现象，所以有必要优化地铁车载视频播放系统以满足乘客对播放系统的要求；其次，地铁网络系统百兆网和千兆网的广泛使用，以及播放系统的进一步简化和显示系统的高度集成等一些技术上的革新，使得地铁视频画面的高清化成为可能。综上所述，需要设计一个高清视频的播放系统满足乘客对于地铁视频多媒体的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服当前地铁车载高清视频播放系统画面质量清晰度低、播放不流畅度等缺点，设计一种可以适应地铁网络环境突变的高清视频播放系统。一种基于嵌入式Linux的地铁车载高清视频播放系统由服务器、视频传输网络和客户端三个模块组成；服务器通过视频传输网络和客户端，其中服务器、客户端是运行在嵌入式Linux系统；服务器读取本地SD卡的视频数据，将读取的数据放入缓冲区后，以数据帧的形式对缓冲区的视频数据编码，然后将编码后的数据封装、打包发送至以太网；视频传输网络主要是通过以太网将数据由服务器发送到客户端，传输协议采用基于应用层的UDP协议；客户端主要接收由以太网传输的数据流，解封装后调用FFMPEG对视频流解码，使其还原为未经压缩处理过的数据流，最终实现数据输出到终端在LCD实时流畅的播放。视频压缩编码方案与网络传输协议方案如下。步骤1：视频压缩编码方案采用了基于SATD(绝对变换误差和)和图像本身特性结合的一种新型的亮度块判决算法，具体算法流程如下：(1)将当前宏块16×16块划分为16个4×4块，计算4种16×16块模式下的代价函数，选择代价函数最小值作为最优的模式记为Cost16；(2)比较Cost16和T0的关系(T0为设定的阈值，T0为采用不同序列测试后得到16×16块的平均SATD值为800，故设定T0＝800)，若Cost16小于T0，则选16×16为最优模式；反之，则分别计算16个4×4块在9种预测模式的最小代价函数值，选定最小值为最优模式并且计算16个最小的代价函数和记为Scost4；(3)若Scost4＜Cost16，选择4×4块为最优模式；反之，则选择16×16块预测模式。步骤2：网络传输协议提出了基于应用层的优化UDP(用户数据报协议)作为视频网络传输协议，在原有的UDP的基础上提出了基于应用层的优化UDP的方案，在TCP/IP协议簇的应用层加入优化的UDP控制机制，在具有发送和接收功能的基础上，还加入了重发和补发等机制，其具体实现在应用层，使用基于应用层的UDP发送数据包的基本流程如下：(1)发送端建立等待队列和重发队列，等待队列用来存放已经发送的数据，重发队列存放需要重新发送的数据包；(2)当服务器收到来自客户端发来的重发控制包时，根据重发控制报文的内容，在等待队列中找到需要重新发送的数据包放入重发队列，同时在等待队列中将客户端已经收到的数据包进行释放，若某一个数据包发送五次以上客户端都没有收到，则可以将该数据包丢掉；(3)发送重发队列中的数据包，依次循环完成数据包的发送。本专利技术在地铁多媒体播放系统有着积极的效果：(1)基于本专利技术的系统成本低、结构简单、易于开发和非专业人员操作；(2)本系统可以实现高清视频的流畅播放，可以满足乘客对于高清视频画质的要求；(3)本系统服务器编码方案采用优化的X264编码方案，不仅具有较高的压缩比而且还具有很好的网络亲和性，可以适应地铁网络环境的突变；(4)本系统考虑到高清视频数据量较大，视频传输网采用了基于应用层的UDP作为网络传输协议，大大提高了传输效率、减少了网络丢包率；(5)本系统网络传输采用以太网有线传输，减小了外界的干扰如隧道的多径效应等，系统的稳定性较强。附图说明图1是本专利技术地铁车载高清视频播放系统的实际框图。图2是本专利技术基于嵌入式Linux的地铁车载高清视频播放系统整体流程图。图3是本专利技术该系统服务器视频编码方案H.264亮度块判决算法优化具体流程图。图4是本专利技术该系统网络传输协议采用基于应用层UDP发送数据包的具体流程图。具体实施方式下面结合附图阐述本专利技术的具体实施方式。参见附图1显示了地铁车载视频播放系统的具体模式，由图1可以看出主要有三个部分，司机室的服务器、车厢的客户端、连接服务器和客户端的以太网。在实际设计时将服务器和客户端一对多的模式简化为一对一的模式，该高清视频播放系统主要三个部分：依次是服务器、视频传输网络和客户端。服务器和客户端分别采用基于全志A20的嵌入式系统，在嵌入式硬件平台的基础上搭建软件平台，为了实现客户端和服务器视频编解码的功能，分别在服务器和客户端移植优化的X264编码器和FFMPEG解码器；视频网络传输采用基于应用层的UDP，尽可能减少由于网络不稳定造成的视频丢包等现象。参见附图2显示了该高清视频播放系统具体的运行的流程图：显示了服务器、客户端和传输网络协调配合共同完成视频的播放的功能。服务器主要读取本地SD卡的视频数据，将读取的数据放入缓冲区后，以数据帧的形式对缓冲区的视频数据压缩编码，然后将数据封装以后打包发送至以太网。视频传输网络通过以太网将数据由服务器发送到客户端，客户端和服务器之间通过SOCKET网络编程实现服务器和客户端之间的连接。客户端接收以太网传输数据流，数据解封装后调用FFMPEG对视频流解码，使其还原为未经压缩处理过的数据流，然后将数据输出到终端，实现在LCD流畅、高清播放。参见附图3显示了该系统服务器视频编码方案H.264亮度块判决算法优化具体流程图。针对服务器编码方案存在的编码效率低，编码时间长的问题，提出了基于SATD(绝对变换误差和)和图像本身特性结合的一种新型的亮度块判决算法。算法的基本流程如下：将当前宏块16×16块划分为16个4×4块。首先，计算4种16×16块模式下的代价函数，选择代价函数最小值作为最优的模式记为Cost16；然后，比较Cost16和T0的关系(T0为设定的阈值，T0为采用不同序列测试后得到16×16块的平均SATD值为800，故设定T0＝800)，若Cost16小于T0，则选16×16为最优模式；反之，则分别计算16个4×4块在9种预测模式的最小代价函数值，选定最小值为最优模式并且计算16个最小的代价函数和记为Scost4。最后，若Scost4＜Cost16，选择4×4块为最优模式；反之，则选择16×16块预测模式。图1为优化后亮度块判决算法的基本流程图。采用改进的X264编码算法，可以在保证编码质量的同时，可以加快编码帧率，缩短编码时间，可以更好的适用于地铁的网络环境。参见附图4本专利技术该系统网络传输协议采用基于应用层UDP发送数据包的具体流程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于嵌入式Linux的地铁车载高清视频播放系统，其特征在于该系统由服务器、视频传输网络和客户端三个模块组成；服务器通过视频传输网络和客户端，其中服务器、客户端是运行在嵌入式Linux系统；服务器读取本地SD卡的视频数据，将读取的数据放入缓冲区后，以数据帧的形式对缓冲区的视频数据编码，然后将编码后的数据封装、打包发送至以太网；视频传输网络主要是通过以太网将数据由服务器发送到客户端，传输协议采用基于应用层的UDP协议；客户端主要接收由以太网传输的数据流，解封装后调用FFMPEG对视频流解码，使其还原为未经压缩处理过的数据流，最终实现数据输出到终端在LCD实时流畅的播放；视频压缩编码方案与网络传输协议方案如下：步骤1：视频压缩编码方案采用了基于SATD(绝对变换误差和)和图像本身特性结合的一种新型的亮度块判决算法，具体算法流程如下：(1)将当前宏块16×16块划分为16个4×4块，计算4种16×16块模式下的代价函数，选择代价函数最小值作为最优的模式记为Cost16；(2)比较Cost16和TO的关系(TO为设定的阈值，TO为采用不同序列测试后得到16×16块的平均SATD值为800，故设定TO＝800)，若Cost16小于TO，则选16×16为最优模式；反之，则分别计算16个4×4块在9种预测模式的最小代价函数值，选定最小值为最优模式并且计算16个最小的代价函数和记为Scost4；(3)若Scost4＜Cost16，选择4×4块为最优模式；反之，则选择16×16块预测模式；步骤2：网络传输协议提出了基于应用层的优化UDP(用户数据报协议)作为视频网络传输协议，在原有的UDP的基础上提出了基于应用层的优化UDP的方案，在TCP/IP协议簇的应用层加入优化的UDP控制机制，在具有发送和接收功能的基础上，还加入了重发和补发等机制，其具体实现在应用层，使用基于应用层的UDP发送数据包的基本流程如下：(1)发送端建立等待队列和重发队列，等待队列用来存放已经发送的数据，重发队列存放需要重新发送的数据包；(2)当服务器收到来自客户端发来的重发控制包时，根据重发控制报文的内容，在等待队列中找到需要重新发送的数据包放入重发队列，同时在等待队列中将客户端已经收到的数据包进行释放，若某一个数据包发送五次以上客户端都没有收到，则可以将该数据包丢掉；(3)发送重发队列中的数据包，依次循环完成数据包的发送。...

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌入式Linux的地铁车载高清视频播放系统，其特征在于该系统由服务器、视频传输网络和客户端三个模块组成；服务器通过视频传输网络和客户端，其中服务器、客户端是运行在嵌入式Linux系统；服务器读取本地SD卡的视频数据，将读取的数据放入缓冲区后，以数据帧的形式对缓冲区的视频数据编码，然后将编码后的数据封装、打包发送至以太网；视频传输网络主要是通过以太网将数据由服务器发送到客户端，传输协议采用基于应用层的UDP协议；客户端主要接收由以太网传输的数据流，解封装后调用FFMPEG对视频流解码，使其还原为未经压缩处理过的数据流，最终实现数据输出到终端在LCD实时流畅的播放；视频压缩编码方案与网络传输协议方案如下：步骤1：视频压缩编码方案采用了基于SATD(绝对变换误差和)和图像本身特性结合的一种新型的亮度块判决算法，具体算法流程如下：(1)将当前宏块16×16块划分为16个4×4块，计算4种16×16块模式下的代价函数，选择代价函数最小值作为最优的模式记为Cost16；(2)比较Cost16和TO的关系(TO为设定的阈值，TO为采用不同序列测试后得到16×16块的平均SATD值为800，故设定...

【专利技术属性】
技术研发人员：白华，赵旭峰，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12