視頻采集、視頻壓縮

1．引言

      視頻的采集和壓縮是進行視頻傳輸、監控等視頻應用開發時必須采取的步驟。 
      關于視頻采集，本文探討了一種基于Windows平臺的簡單而實用的方法，利用微軟提供的VFW（Video For Windows）軟件包來實現，只需要有一般的USB攝像頭，就可以方便地對視頻進行采集和保存。 
    視頻壓縮方面，本文探討了如何利用現階段壓縮率最大、傳輸可靠性最高的一種編碼標準—H.264標準的開源編碼器（T264）來實現對采集到的視頻文件進行壓縮的方法，利用VFW 所采集到的視頻格式是沒有進行任何壓縮的AVI 格式，首先對AVI 格式進行轉換，再利用T264源碼對轉換后的視頻流文件進行壓縮編碼，這樣就極大地壓縮了視頻文件，方便視頻的傳輸。

2．視頻信息的采集

    由于利用VFW軟件包能夠方便地實現視頻、音頻數據流到AVI文件的存儲，在Visual C++中將VFW軟件包的函數封裝成為AVICAP窗口類函數，利用AVICAP窗口類函數，程序員能夠通過發送消息或設置屬性來捕獲、播放和編輯視頻剪輯，能靈活地實現從模擬視頻源采集數字視頻信號，并將捕捉的視頻流存儲到磁盤或者直接對視頻緩存進行處理。
    本文所述的方法是在Viusal C++ 6.0 軟件平臺上實現的，而軟件實現的具體步驟如下： 
    1）在采集視頻前必須先創建一個視頻采集的窗口，以及添加一些具體的操作按鈕，窗口利用函數capCreateCaptureWindow 來創建，如果窗口創建成功，返回窗口的句柄(程序中hwndV)，如果創建不成功，則返回NULL 值。具體的創建程序及注釋如下： 
       hwndV=capCreateCaptureWindow(
      (LPSTR) "My Capture Window",   //捕捉窗口名稱
                WS_CHILD | WS_VISIBLE,       //窗口風格樣式 
                        150, 150, 300, 280,          //窗口位置和大小 
                        (HWND) hwndMain,             //父窗口句柄 
                (int) 1);                    //窗口標識
       2）采集開始前，要將采集窗口與視頻設備相關聯，VFW接口采用capDriverConnect （hWndCap，,nIndex）這個函數，式中：hWndCap所建立的視頻捕捉窗口的句柄；nIndex為查詢得到的視頻卡驅動程序的索引號。接下來，獲取視頻采集設備的能力及狀態信息，VFW中采用函數capDriverGetCaps(hwnd,psCaps,wsize)來得到采集設備的能力，而采用capGetStatus （hwnd,s,size）函數來得到采集設備的狀態信息。
       3）啟動顯示模式并設置其模式參數，AVICAP  窗口類采用兩個函數來實現，具體程序和注釋如下：  
       capPreviewRate( hwndVideo, 66); //設置預覽播放速率 
        capreview( hwndVideo, TRUE);   //啟動預覽模式 
      4）采集視頻流并保存，并終止視頻采集并斷開與采集設備的連接，在程序的開頭定義一個結構體OPENFN，用于初始化一個對話框，而這個對話框是用來保存視頻的對話框。
  具體程序如下： 
 if (!isRecordFileOpen)
{ 
      OPENFN ofname;     //打開文件結構體
       ZeroMemory(&ofname, sizeof(OPENFN)); //初始化結構體 
      ofname.lStructSize = sizeof(OPENFN);    //結構體的大小 
      ofname.hwndOwner = hwndMain;            //主窗口句柄 
     ofname.lpstrFile = recordFile;         //保存的文件指針 
     ofname.nMaxFile = sizeof(recordFile);   //保存文件的大小 
      ofname.lpstrFilter = "Video\0*.avi";   //保存文件的后綴 
      ofname.nFilterIndex = 1;               //文件索引號 
      ofname.lpstrFileTitle = NULL;          //文件名指針 
      ofname.nMaxFileTitle = 0; 
    ofname.lpstrInitialDir = NULL; 
    ofname.Flags=OFN_PATHMUSTEXIST|OFN_FILEMUSTEXIST; 
     if(GetSaveFileName(&ofn) == TRUE)    //顯示保存文件的對話框
     {
       strcpy(recordFile, ofn.lpstrFile);
       strcat(recordFile, ".avi");
       isRecordFileOpen = true;
     }
 } 
        設置好保存文件以后，需用函數CreateThread來創建一個錄像的線程在其中采集視頻流，并利用函數capDriverDisconnect 來終止視頻采集并斷開與采集設備的連接，錄像線程的具體代碼如下：

       DWORD id;                          //創建一個錄像線程
          SECURITY_ATTRIBUTES ma;
       ma.nLength = sizeof(SECURITY_ATTRIBUTES);
       ma.lpSecurityDescriptor = NULL;
       ma.bInheritHandle = TRUE;
       hVideoThread = (&ma, (ULONG)0,
       videoThreadProc, (LPVOID)(ULONG)0, (ULONG)0, &id);

3．視頻格式的轉換

     本文所采用的是基于H.264編碼標準的視頻壓縮方法，所利用的源碼是由中國視頻編碼自由組織聯合開發的t264編×××，在使用本源碼前，編碼器要求進行壓縮的文件格式應為YUV 格式視頻文件，而VFW采集到的視頻文件是最原始的AVI 格式，因而要進行格式的轉換 。 
       從AVI格式到YUV 格式的轉換，并沒有直接的公式，而AVI視頻文件流的每一幀對應一個BMP(RGB)文件，則可以利用公式轉換成YUV 文件，轉換的公式如下：
     Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
     Cb = 0.564(B - Y )
     Cr = 0.713(R -Y )
      其中，Cb 對應U，Cr 對應V，分別表示構成彩色的兩個分量，而在程序中，則通過以下的程序來實現(按4:2:0 采樣格式)：
      void RGB2YUV ( uint8 R, uint8 G, uint8 B, uint8 *y, uint8 *u, uint8 *v )
   {
     *y = Clip ( ( ( 66 * int(R) + 129 * int(G) + 25 * int(B) + 128) >> 8) + 16 );
     *u = Clip ( ( ( -38 * int(R) - 74 * int(G) + 112 * int(B) + 128) >> 8) + 128 );
     *v = Clip ( ( ( 112 * int(R) - 94 * int(G) - 18 * int(B) + 128) >> 8) + 128 );
   }

4．利用編碼器進行壓縮編碼

     由中國視頻編碼自由組織聯合開發的編碼器在基于VisualC++平臺上創建了一個console程序，而前述的視頻采集程序因為有窗口、按鈕等視圖窗口，故是一個windows程序，在Visual C++平臺中，要將console 程序和windows 程序很好地結合在一起使用，是個很復雜的過程，因此，可以在前面視頻采集程序里面運用一個C++函數ShellExecute 來調用編碼器函數。
    具體實現的步驟如下：
    1）首先針對采集后經格式轉換生成的YUV文件，得到它的幀數目，在配置文件enconfig.txt修改編碼幀的數目，例如如果幀數目為100，將enconfig.txt 文件中的第6、7、8 行： 
     300 # total frame number
    300 # i intervals
    300 # idr intervals 
     改為 :
    100 # total frame number 
    100 # i intervals
    100 # idr intervals
     幀數目修改以后，文件生成的路徑也應該改為最終exe 文件生成的路徑，在enconfig.txt的最后三行進行修改。
    1）編譯編碼器，是采用的CONSOLE 程序，一般是在命令行中來執行exe 程序，而本文中的方法是利用入口函數main(int argc, char* argv[])的特征，其中，argc 表示參數的個數，而argv[]數組用于保存參數的指針，在程序中就對參數進行賦值，省去了進入命令行進行執行的繁瑣過程，從而生成一個可以直接拿來運用的exe 程序。具體賦值語句如下：
     argv[0]="T264.exe";
   argv[1]="-e";
   argv[2]="enconfig.txt";
   2）設置t264.exe 文件路徑，上述的過程中已經生成一個可執行的t264.exe 文件，如果將YUV文件放在與之相同的目錄下，在調試運行這個程序的時候就可以生成264碼流文件，達到編碼的目的。但本文是需要將采集、壓縮編碼在同一個程序中完成，因而把生成的t264.exe文件復制到采集程序的調試目錄下面。
3）上述的工作都做好以后，可以在采集程序里面調用編碼器程序了，這時用一個函數來實現，具體代碼是：  
           ShellExecute(NULL,"open","t264.exe",
       "T264.exe –e enconfig.txt",NULL,SW_SHOWNORMAL);
      其中，SW_SHOWNORMAL 指的是一種程序運行風格，此時代表正常運行，在調用時可以看到程序運行的全部過程（DOS命令窗口顯示），如果需要程序透明執行，不可見，則可以用SW_HIDE 來代替它。 
      至此，整個視頻采集、格式轉換與編碼壓縮的過程就全部完成了，本文中所采集的AVI文件大小為4.075M，經格式轉換后的YUV 文件大小為5.458M，而最終生成的264 碼流大小只有27k，壓縮率達到了150.9倍。

5．總結 

   本文所探討的從視頻采集、格式轉換到壓縮編碼的整個過程，可以簡單方便地完成，可以直接應用在視頻監控或者視頻的網絡傳輸等的前期開發。佰銳科技已為視頻監控音視頻即時通訊提供了解決方案。http://www.bairuitech.com

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