分散式物件網(wǎng)路中即時影像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、分散式物件網(wǎng)路中即時影像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)彭仕鈞胡竹生國立交通大學(xué)電機與控制工程學(xué)系摘要 本論文利用分散式物件技術(shù)，設(shè)計及實作即時影像傳輸系統(tǒng)於分散式物件環(huán)境中，至於影像壓縮法則是採用JPEG影像壓縮標準。由於本系統(tǒng)的應(yīng)用對於跨平臺的需求，也開發(fā)了影像解壓縮端的應(yīng)用軟體於Windows及Linux的平臺上。此外，也使用Embedded Linux為嵌入式作業(yè)系統(tǒng)，發(fā)展了影像資訊家電(Video Information Appliance)的原型機，使影像的資訊也能透過分散式物件網(wǎng)路成功的傳送到嵌入式系統(tǒng)上。簡介多媒體資訊的需求對我們?nèi)粘Ｉ顏碚f，是越來越重要的事。但是多媒體在影像、聲音.等應(yīng)

2、用中，其資料量都是相當龐大的，在過去礙於傳輸頻寬、電腦運算速度、壓縮理論等因素，根本無法獲得即時的資訊。不過，在近幾年卻有了重大的變革，像是壓縮理論逐漸成熟降低了資訊量；許多多媒體的壓縮傳輸標準相繼的制訂，統(tǒng)一了多媒體的互通性；而拜電腦運算速度越來快之賜，許多複雜的多媒體運算也都得以實現(xiàn)。另外，像是網(wǎng)際網(wǎng)路的風行、傳輸頻寬的提昇，更讓即時獲得多媒體的資訊不再是一個奢侈的想法。但是在這種使用者眾多、計算量龐大、資料量複雜的系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的網(wǎng)路架構(gòu)及較低階的程式設(shè)計已經(jīng)無法應(yīng)付， 因此，導(dǎo)入分散式物件技術(shù)，利用其具有負擔分攤、風險分散、跨平臺、跨語言、程式易於發(fā)展及維護等特性，來建構(gòu)多媒體的網(wǎng)路架構(gòu)

3、，發(fā)展即時的多媒體應(yīng)用程式，實為一個不錯的解決方案。而網(wǎng)路頻寬實在是永遠都沒有辦法滿足我們的需求，尤其是在多媒體這種需要使用大量頻寬的應(yīng)用中，因此資料的壓縮是絕對有必要的。以影像資料來講，可以利用人眼對高頻的資料不敏感性、對亮度及色彩的不同敏銳度、資料與資料之間的重覆性、影像與影像之間的相關(guān)性等特性，去除掉不必要的資訊，以達到壓縮的目的。對於建構(gòu)一個應(yīng)用場合、平臺五花八門的多媒體環(huán)境來說，是否有支援跨平臺的功能是相當重要的一件事，也唯有具備此種功能，才能稱得上是完整的應(yīng)用環(huán)境。另外，由於嵌入式系統(tǒng)在後PC時代中將會是非常具有潛力的產(chǎn)品，尤其它在對多媒體資訊的擷取應(yīng)用中也扮演著重要的角色。所以，

4、如何成功的將多媒體資訊利用分散式物件技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)結(jié)合也是相當重要的一件事。本論文的目標是利用分散式物件技術(shù)，架構(gòu)出一個多媒體的環(huán)境，並實作即時影像傳輸於分散式物件環(huán)境中，至於影像壓縮法則是採用JPEG影像壓縮標準。另外，由於多媒體對於跨平臺的需求以及Linux有著穩(wěn)定、Open source等優(yōu)點，將實作影像解壓縮端的應(yīng)用軟體於Linux平臺上，除了展示本系統(tǒng)跨平臺的功能之外，更藉由Linux支援多種硬體平臺的特性，增加了應(yīng)用程式的移植性。此外，也使用Embedded Linux為嵌入式作業(yè)系統(tǒng)，發(fā)展了影像資訊家電(Video Information Appliance)的原型機，將影像的

5、資訊也能透過分散式物件網(wǎng)路傳送到嵌入式系統(tǒng)上。Xcamba系統(tǒng)架構(gòu)Xcamba系統(tǒng):我們的系統(tǒng)要達成的目標為傳送即時影像的資料，且並沒有資料庫格式轉(zhuǎn)換的問題。另外，由於即時影像資料的擷取及壓縮必需要由Third Tier來完成，其負擔是相當重的，當用戶端的數(shù)量增加時，影像伺服器也一定要相對的增加才足夠應(yīng)付。因此Middle Tier也就必須要能夠負責將眾多影像伺服器隱藏起來、分散它們之間的負擔、及一旦有任何影像伺服器出錯時能夠迅速的處理等特性。而OMG(Object Management Group)所制定的CORBA(Common Object Request Broker Architec

6、ture)67剛好能滿足這些需求。它的ORB有著將伺服器的負擔分散的平均負荷功能、優(yōu)秀的容錯能力，又可以支援Naming Service、OAD，是我們的系統(tǒng)中Middle Tier的最佳選擇。 再來是因為CORBA跨平臺的特性，因此我們系統(tǒng)的影像用戶端程式(稱它為Xcamba Client)，除了設(shè)計在Windows上執(zhí)行的版本之外，也製作了Linux版本。Linux版的Xcamba Client除了展現(xiàn)CORBA跨平臺的威力之外，將CORBA與Linux的結(jié)合應(yīng)用在Embedded Linux上，進而完成一個嵌入式系統(tǒng)-影像資訊家電-的原型機，更是相當重要的一環(huán)。而影像伺服器端(稱為Xca

7、mba Server)，負責即時影像的壓縮、網(wǎng)路的傳輸，其所利用的擷取影像的介面為USB Camera，但是因為Linux核心到目前的版本都尚未正式的支源USB，而且有支援Linux的USB Camera也沒有幾家，受到這樣的限制，所以Xcamba Server只有完成在Windows平臺上的版本。經(jīng)由以上的分析，利用ORB搭配影像伺服器端、用戶端程式，即可建構(gòu)出Xcamba系統(tǒng)架構(gòu)。下圖為Xcamba的系統(tǒng)架構(gòu):關(guān)於跨平臺及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用:能夠跨平臺對一個分散式物件環(huán)境來說是一個最基本也是最重要的事情，因為你無法限制分散式的應(yīng)用只在某個平臺或某個硬體設(shè)備中，而是要將全部的事情都整合在一起。C

8、ORBA在某個程度的幫我們解決了跨平臺的問題，至於跨硬體平臺的目標就交給Linux來幫忙。Xcamba系統(tǒng)即是利用CORBA及Linux來達成即時影像傳輸在分散式物件環(huán)境中的實現(xiàn)。實現(xiàn)的部份還包括了在Embedded Linux平臺上，不過這一部份還需要影像壓縮法則的幫忙，因為大部份的嵌入式系統(tǒng)並沒有很好的硬體設(shè)備支援，必須要選擇嵌入式系統(tǒng)足以應(yīng)付的影像壓縮法才行。影像壓縮法則的選擇:在Intra Frame Coding中，Motion Compensation Coding要成功取決於Motion Vector是否準確。而Motion Vector的準確性則與影像的解析度有很大的關(guān)係，解析

9、度要夠高，所找出來的Motion Vector才會準確。但是在低位元率的即時影像傳輸中，影像的解析度並不允許太高，如果使用MC Coding會造成大部份的位元都在傳預(yù)測錯誤值。因此，不如把MC Coding所耗費的位元及時間用來提高影像品質(zhì)。越高的壓縮比，就需要越多的計算量，但是品質(zhì)卻會因為壓縮比的提高所造成的失真，在某些應(yīng)用中不太能接受，而Intra Frame Coding的計算量較小、影像品質(zhì)也好且嵌入式系統(tǒng)也能負擔計算量8?？偫▉碚f，JPEG9應(yīng)該是最恰當?shù)倪x擇。而利用JPEG的標準來傳送影像，其實就是所謂的Motion JPEG，可以在下圖中所示:Xcamba系統(tǒng)實作分散式網(wǎng)路程式設(shè)

10、計:我們使用INPRISE公司的VisiBroker10來發(fā)展網(wǎng)路程式，它是目前支源平臺最多的CORBA發(fā)展工具。在CORBA的環(huán)境中，應(yīng)用系統(tǒng)主要是分為兩個部份。第一個部份是影像壓縮伺服器CORBA物件，也就是我們的Xcamba Server，負責影像的擷取、壓縮、並提供即時影像資料給用戶端。第二個部份就是使用者使用的用戶端應(yīng)用程式，也就是我們的Xcamba Client，負責跟Xcamba Server要影像資料、解壓縮影像、並顯示在用戶端的面前。CORBA物件是一個提供特定服務(wù)的元件，它藉由定義一組輸出的介面來宣告這個CORBA物件可以提供的服務(wù)。輸出介面中定義了用戶端應(yīng)用程式可以呼叫的

11、方法以及存取的特性。因此用戶端應(yīng)用程式只需要指明提供服務(wù)的CORBA物件名稱以及要呼叫的方法或是要存取的特性，就可以藉由ORB得到CORBA物件提供的服務(wù)。介面的定義方法語言就稱為Interface Description Language，利用它來撰寫CORBA物件的介面，而我們Xcamba的IDL 定義如下:/* RemoteVideo.idl */typedef sequence <unsigned short> rBinaryResult;typedef unsigned short rCmd10;interface RemoteVideo long GetData(in

12、long pipeindex,out rBinaryResult aResult,out rCmd aCmd);下圖為我們整個CORBA網(wǎng)路程式的發(fā)展流程:我們利用pipe來達成影像資料庫的功能，pipe的大小是可以改變的，而為了要有即時的效果，也就是不管眾多用戶端的速度不一，永遠都是把最新的資料傳送給用戶端，所以我們的pipe大小都設(shè)為2。也就是只要用戶端來要求影像資料，影像伺服器都會把正在壓縮的影像之外的另一張回傳。而因為即時影像的需求，也就是新的影像資料會一直把舊的影像資料覆蓋過去，並不需要有傳統(tǒng)pipe的保護動作，也就是不需要考慮pipe的資料放滿時的問題，程式使用pipe的架構(gòu)如圖6

13、-9所示。另外，關(guān)於互斥的設(shè)計仍然是需要的，也就是使用WaitForSingleObject( )來防止同時有兩個Thread對Pipe做存取的動作所造成資料污染的狀況。下圖為pipe的架構(gòu):整體程式架構(gòu)如下:Xcamba Server實作:Windows版的Xcamba Server是使用Borland C+ Builder來發(fā)展，抓取影像的方法則是遵循Microsoft Multimedia Programmer's Reference中的Video Capture部份。下圖為Xcamba Server Windows版的執(zhí)行畫面:Xcamba Client on MS Windo

14、ws 98:Windows版的Xcamba Client也是使用Borland C+ Builder來發(fā)展，Xcamba Client啟動後必須先Connect Server，之後按下Show Video後會啟動一個Thread，此Thread則會不斷的去跟Xcamba Server抓取影像資料回來，呼叫並傳資料給影像解壓縮程式，最後再將解壓縮後的結(jié)果顯示在用戶端的螢?zāi)簧?。下圖為Xcamba Client Windows版的執(zhí)行畫面:Xcamba Client on Slackware Linux:我們在Slackware Linux 7.0上開發(fā)Xcamba Client程式，發(fā)展的工具則是

15、使用K Develop Kit，並使用QT library做為X window上面的視窗程式設(shè)計123。在Xcamba Clinet的Linux版與Windows版不同點除了是GUI 的程式設(shè)計之外，在Linux版中則是使用了Timer的機制去跟Xcamba Server要影像資料。下圖為Xcamba Client Linux版的執(zhí)行畫面:Xcamba Client on Embedded Rose Linux:在嵌入式作業(yè)系統(tǒng)上是採用Digirose公司所發(fā)展的RoseLinux 1.04，至於嵌入式系統(tǒng)硬體部份是使用研華電腦(Advantech)公司所出產(chǎn)的CPC-2245 Mini Bi

16、scuit PC 5下圖為Xcamba Client Linux版在Panel PC上的執(zhí)行畫面:結(jié)果分析:壓縮的法則是採用JPEG，而因為是用在自行設(shè)計的系統(tǒng)中，所以並沒有將影像壓縮成標準的JPEG格式，也就是標頭檔並沒有與JPEG相容，不過，這樣是不會影響到壓縮的效率的。而壓縮的比例也可以由Quantization Table不同來選擇，當然，壓縮比越高，影像的品質(zhì)當然會比較差。在選擇一個影像品質(zhì)較好的壓縮下，320*240的影像大小，壓縮比大約為20到25倍左右，也就是說一張壓縮後的影像大約80k bit，應(yīng)用在10M bit的Ethernet中頻寬是足夠的，因此影像的frame rat

17、e也就限制在壓縮的計算量大小上面。對於即時影像的應(yīng)用，現(xiàn)在的PC已經(jīng)足以應(yīng)付這樣的計算量，不過，對於有些運算速度較慢的嵌入式系統(tǒng)來說，這部份可以藉由硬體、數(shù)位訊號處理器或是撰寫組合語言的幫忙來解決。結(jié)論與未來展望本論文完成了即時影像在分散式物件環(huán)境上的應(yīng)用，並利用CORBA這個分散式物件技術(shù)，架構(gòu)了具有彈性、維護容易、具有物件導(dǎo)向優(yōu)點的多媒體環(huán)境，也成功的開發(fā)了多種平臺上的影像應(yīng)用軟體。至於影像壓縮方法是採用JPEG標準，它可以在一定的網(wǎng)路頻寬中得到令人滿意的影像品質(zhì)。我們實作了影像解壓縮端的應(yīng)用軟體於Linux平臺上，除了成功的展示了跨平臺的功能外，也在Linux平臺上的多媒體應(yīng)用增加了一個

18、例子。此外，也利用Embedded Linux為嵌入式作業(yè)系統(tǒng)，在Advantech的Panel PC上發(fā)展了影像資訊家電的原型機，並將影像的資訊成功的傳送到嵌入式系統(tǒng)上。未來可以將動態(tài)影像壓縮標準(H.263/MPEG)實作在本系統(tǒng)上，以增加影像的壓縮率。而影像壓縮不只是可以用軟體來實現(xiàn)，未來也可交給DSP數(shù)位訊號處理器或是專為影像壓縮設(shè)計的晶片來實行。另外，在目前為止Linux Kernel尚未完全的支援USB，不過在下一個版本的Linux Kernel 必定會對USB有一個穩(wěn)定的支援。此外，Linux最令人擔心的Driver問題，也有許多的廠商都承諾會發(fā)展USB Camera的Drive

19、r，其它像是對於Video for Linux這部份也有越來越多人在開發(fā)中。屆時，Xcamba Server也就可以移植到Linux的平臺上，當然，只要是CORBA有支援的平臺也都是可以發(fā)展的方向。另外，因為Xcamba系統(tǒng)只有實作出即時影像的部份，未來也可以將聲音部份納入。CORBA是一個很高階的分散式網(wǎng)路架構(gòu)，下層不一定是只能跑在以TCP/IP為主的Ethernet上，其它像是無線網(wǎng)路都可以是應(yīng)用的範圍，利用CORBA來發(fā)展整個系統(tǒng)，未來的擴充性、移植性都是很棒的。未來有需要的話，也可以像下圖一樣實作出中介層，處理資料庫存取、格式轉(zhuǎn)換的問題。未來也可以使用Java來發(fā)展影像解壓縮端軟體，這

20、樣一來用戶端則可以直接使用瀏覽器來觀看，輕易的解決版本的控制問題及省去使用者安裝的不便性，不過，Java的執(zhí)行速度可能是要考量的一個問題。下圖為結(jié)合WWW的架構(gòu):在嵌入式系統(tǒng)方面，可以發(fā)展的地方還有很多，像是改進Xcamba Client程式、移植Xcamba Client到不同的嵌入式系統(tǒng)、利用特殊硬體架構(gòu)來提昇速度都是不錯的方向。參考文獻1 Mattbias Kalle Dalbeimer, "Programming with Qt," O'REILLY, 1999.2 Michael K. Johnson and Erik W. Troan, "Linux Application Development," Addison-Wesley, 1999.3 Mike Loukides and Andy Oram, "Programming with GNU Software," O'Reilly, 1998.4 "RoseLinux User's Guide,&