基于多线程编程的视频监控系统四路回放的设计

摘    要：本文结合H.263解码、多线程编程和DirectDraw的应用，介绍了视频监控系统回放的软件设计以及四路回放的实现。
关键词：视频监控；多线程；四路回放；DirectDraw 

引言
目前国内外市场上占主导地位数字视频监控系统。一般具有如下功能：监视、录像、回放、备份、报警、控制、远程连接等。目前的视频监控系统一般只能播放一路视频（简称单路回放），即同一时间只能播放一个视频文件。如果要想同时查看多个历史纪录文件，这种传统的回放方式略显不足。本文提出一种能同时播放四个任意选择的历史文件（简称四路回放）的设计方案。

关键技术
回放主要是将存储在硬盘中的压缩文件解码显示出来，所以在设计时必须根据压缩文件的格式，进行相应的解码。用于视频监控系统的编码标准主要有H.263、MPEG-4等。本视频监控系统采用的编码标准是H.263，所以回放的解码也要根据H.263标准进行解码。解码的过程大致是：首先打开编码视频文件，得到视频编码流后，先找到图像开始码，得到图像头。然后寻找帧数据宏块信息，确定帧的编码模式（帧内编码、帧间编码或是没有编码），针对不同模式的编码宏块分别进行相应的解码，解码后的数据传递给显示程序。不像编码程序，解码程序是基于宏块进行操作的，它并不需要把关键帧和非关键帧区分开来解码。
要把解码后的图像显示出来，可以使用DirectDraw。DirectDraw是微软发行的DirectX软件开发工具箱（SDK）中的一部分，是围绕OLE和COM接口来设计的。它允许程序员直接处理显示存储设备，支持硬件覆盖，支持页面翻转，使图形处理较传统的GDI图形处理有了较大的提高。
由于本设计的回放部分能够同时播放四个视频文件，若只有一个线程（线程是操作系统分配CPU时间的基本单位，一个线程可以执行应用程序的任何部分，一个应用程序至少包含一个主线程）来播放，很难实现四个文件的同时播放。如果设计成多线程（应用程序中，除主线程外，还创建有其它线程），就可以有效的利用CPU资源，同时播放多个视频文件。进行程序设计时，一般可以调用Windows API函数CreateThread。此时需要考虑线程互斥和线程同步问题，以保证应用程序的正常执行。线程互斥是指对于共享的操作系统资源，在各线程访问时的排它性。当有若干个线程都要使用某一共享资源时，任何时刻只允许一个线程去访问，其它要使用该资源的线程必须等待，直到占用该资源者释放了该资源。线程同步是指若干个线程之间具有一种制约关系，一个线程执行依赖于另一个线程的消息，当一个线程没有等到另一个线程的消息时，应该等待，直到消息到达时，才被唤醒。

系统软件设计
视频监控系统的回放部分一般具有：历史文件搜索、基本播放控制以及对搜索出来的文件进行备份（单个文件或所有文件备份光盘），保存和打印播放视频文件的当前帧等其它功能。
根据上述基本功能，采用面向对象的程序设计方法，对回放部分进行设计的程序流程图如图 1 所示。
在图 1 所示的框图中，进入回放时，首先要进行系统变量、DirectDraw的初始化以及分配一些系统资源。退出回放时，若有回放线程在运行，首先要关闭回放线程，然后关闭解码器，释放系统资源，以便下次能够进入回放。根据文件的记录位置和文件名的特点（文件的记录位置为  Drivers：file记录通道日期，文件名为时和分的组合，例如，D:file120030620512为通道1在2003年6月20日5时12分记录在D: 盘的文件），设计搜索函数。在双击文件名的响应函数里，首先打开文件，然后打开解码器，创建播放线程，对文件进行播放。同时可以设置控制变量，对播放线程实行控制，以实现播放文件的暂停、快进、单帧、慢放、循环播放、缩放等操作。

四路回放的实现
四路回放是整个回放部分设计的关键部分，其核心思想是创建四个播放线程，并行地在界面上不同的地方显示四个视频图像。基于界面设计的方便性和面向对象设计方法的考虑，在程序设计时，采用C++  Builder 5.0编程语言。四路回放流程图如图2所示。
首先，主要初始化解码器的缓冲区、DirectDraw表面以及各通道（四路回放会有四个通道）的句柄等；接着，根据选择的通道和文件，创建播放线程并启动。为了提高程序的可靠性，还需根据打开文件的前几个字节判断文件格式（正确的文件在编码时已经在文件头中写入了文件的信息）；根据设置的标志判断该通道是否有线程在运行。线程被创建后，就可以解码打开的视频文件流，显示图像，并可以对播放的视频流文件进行控制，以实现暂停、单帧、快进、慢放等操作；若同时要在另一通道播放文件，可以先选择另一通道，然后进行同样的操作。这样在设计时最多允许在四个通道播放文件，若四个通道同时播放文件，就实现了四路回放。
播放线程函数是该设计部分的关键，播放线程函数的实现代码如下（用C++ Builder编程语言编写）：
1    DWORD WINAPI PlayThread::VideoThread(LPVOID lParam)
2     {
3   PlayThread* pThis = (PlayThread*)lParam;
4      short nRetCode=0;
5      pThis->m_nThreadState=1;
6    while(pThis->m_nThreadState != 2)
7       {
8pThis->g_VideoTimeTick. TimeNow=timeGetTime();
9        pThis->SleepTime=pThis->g_VideoTimeTick.Tcount-
10  (pThis->g_VideoTimeTick.TimeNow-pThis->g_VideoTimeTick.TimePrev);
11     if(pThis->SleepTime<1)
12     pThis->SleepTime=1;
13     Sleep(pThis->SleepTime);
14  pThis->m_PlayBack->m_PlayThread=pThis;
15 nRetCode=pThis->m_PlayBack->DecodePictureHeader ();
16     if(nRetCode!=0)
17     {
18    pThis->m_PlayBack->DecodePicture();
19   pThis->src[0]=pThis->m_PlayBack->DecRet Value.pchPLum;
20    pThis->src[1]=pThis->m_PlayBack->DecRetValue.pchPCb;
21     pThis->src[2]=pThis->m_PlayBack->DecRetValue.pchPCr;
22     pThis->DrawImage(pThis->src,pThis);
23           }
24       }
25 }
在函数的开始，初始化局部变量nRetCode为0，线程状态变量m_nThreadState=1（m_nThreadState是自定义的线程状态变量，其意义是：m_nThreadSate=0,没有线程；m_nThreadState=1,线程在运行；m_nThreadState=2，线程中止）。程序的8—13行，实现播放时帧间的延时，以使视频文件能够流畅地播放；程序的15行通过调用自定义的函数DecodePictureHeader解码输入视频流的图像头；程序的18行解码单帧图像；程序的 22行把解码后视频流显示出来，在函数DrawImage中使用DirectDraw显示图像。
欲使播放线程结束，可以设计线程结束函数EndVideo，调用Windows API函数Terminate Thread，置m_nThread State=0，并复位与线程相关的变量。考虑到对播放的文件实现暂停、单帧、快进、慢放等操作，可以在线程播放函数中加入对应的控制变量，慢放时增加帧间的时延；快进时减少帧间的时延；暂停时，在帧间设置一个无限循环控制，直到控制变量改变，再进行下一帧的解码、显示。
由于应用多线程编程，在显示函数等中，多个线程会访问共享资源表面缓冲区。可通过在初始化过程中调用Windows API 函数CreateMutex创建互斥变量，然后在自定义的显示函数DrawImage中调用Windows API函数WaitForSingle Object (m_hMutext_Dieplay,1000)实现共享资源的互斥。访问结束时，调用Windows API函数ReleaseMutex (m_hMutext_ Dieplay)，释放共享资源。
本程序可以方便地完成界面的设计，通过单步跟踪、断点等调试方法实现了对编写程序的调试。

结语
上述通过多线程设计的四路回放，充分利用了CPU 资源，使CPU能够流畅地实现解码，在不影响视频监控系统性能的情况下，能够同时播放多个文件，增加了系统的灵活性。■

参考文献
1 沈兰荪，卓力. 视频编码与低码率传输. 北京：电子工业出版社，2001.12
2 刘富强. 数字视频监控系统开发及应用. 北京：机械工业出版社，2003.3
3 彭达，汪道智. Visual C++ 多媒体编程技术. 北京：人民邮电出版社，1999.11
4 朱正茂，彭湃. Borland C++ Builder 5 实用编程技术. 北京：中国水利水力出版社，2001.1