工厂生产过程计算机远程视频监视及控制系统

工厂生产过程计算机远程视频监视及控制系统 南华大学电气工程学院毕业设计 摘要:随着计算机、通信和超大规模集成电路技术的迅猛发展～网络化已成为社会发展的趋势～监控系统也不例外。 本文详细的讨论了基于嵌入式操作系统UC/OS-II的网络监控系统的软、硬件设计。主要包括系统硬件平台的设计、嵌入式操作系统的设计、移植和驱动程序的开发以及应用程序的开发与调试。 本成功实现了基于嵌入式操作系统的网络监控系统开发～实现基于ARM的网络监控系统硬件平台的开发～解决了UC/OS-II在硬件平台上移植的难题改善了。UC/OS-II内核的实时性、并完成有关驱动程序的开发。本文在嵌入式系统应用研究领域～有较高的实践和研究价值～对于以太网在工业中的应用会有所启发～所设计的网络监控系统具有低成本、体积小、功耗低、功能全等特点。 关键字:监控系统 网络 嵌入式操作系统 ARM 移植 Linux云台 i 南华大学电气工程学院毕业设计 Abstract:With the rapid development of Compute～Communication and Large Scale Circuit～Internet becomes a trend in society, Especially in the area of Supervisory System. In this dissertation～the system design of Networked Supervisory System based on UC/OS-II is discussed in detail. The mainly design include the design of Hardware～Porting UC/OS-II～Implementing of real-time support of kernel～device Program coding～application coding and debugging. The Networked Supervisory System based on Embedded Operating System has been successfully developed. The research include the development of the hardware Platform based on ARM～Porting UC/OS-II on hardware platform～implementing of real-time support of kernel and the development of the device Program. The dissertation Provides with a higher practice and research value in the field of studying embedded system. Moreover, the research result will give illumination to industry Control using Ethernet. This Network Supervisory System has the characters of low cost～low Power consumption～small bulk and more function. Key Word: Supervisory System～Network～Embedded Operating System～ARM～ Porting～Linux～Cloud Platform ii 南华大学电气工程学院毕业设计 目录 1 绪论............................................................................................................................................. 1 1.1引言..................................................................................................................................... 1 1.2选题背景............................................................................................................................. 1 2 视频监控系统的发展与应用 ..................................................................................................... 3 2.1 视频监控系统概述 ............................................................................................................ 3 2.1.1 视频监控的概念 ..................................................................................................... 3 2.1.2 网络视频监控是当前发展最快的多媒体通信方式之一 ..................................... 3 2.2 视频监控应运而生 ............................................................................................................ 4 2.2.1 视频监控的发展背景 ............................................................................................. 4 2.2.2 视频监控的发展历程 ............................................................................................. 4 2.2.3 视频监控的发展现状 ............................................................................................. 5 2.3 视频监控的发展趋势 ........................................................................................................ 5 2.3.1 前端设备一体化 ..................................................................................................... 5 2.3.2 数字化 ..................................................................................................................... 6 2.3.3 网络化 ..................................................................................................................... 6 2.3.4 智能化 ..................................................................................................................... 6 2.3.5 无线网络视频监控是将来的一个重要发展方向 ................................................. 6 3 音视频编码及网络视频监控系统的关键技术 ................................................................. 8 3.1 H 26X系列标准 ................................................................................................................. 8 3.1.1 H 261标准 ............................................................................................................... 8 3.1.2 H.263标准 ............................................................................................................... 8 3.1.3 H.264标准 ............................................................................................................... 9 3.2 MPEG系列标准............................................................................................................... 10 3.2.1 MPEG简介 ............................................................................................................ 10 3.2.2 MPEG-1标准 ........................................................................................................ 11 3.2.3 MPEG-2标准 ........................................................................................................ 12 3.3 MPEG-4标准 ................................................................................................................... 15 3.3.1 MPEG-4标准的新功能 ........................................................................................ 15 3.3.2 MPEG-4系统结构 ................................................................................................ 17 3.3.3 MPEG-4的数据结构 ............................................................................................ 17 3.4 音频编码国际标准 .......................................................................................................... 18 3.4.1 G.7XX系列标准.................................................................................................... 18 3.4.2 MPEG-1音频标准 ................................................................................................ 19 3.5 网络远程视频监控系统中的关键技术 .......................................................................... 20 3.5.1 音视频编解码技术 ............................................................................................... 20 3.5.2 网络传输 ............................................................................................................... 20 4 系统总体设计 ................................................................................................................... 25 4.1 视频监控的体系结构 ...................................................................................................... 25 4.2 远程视频监视系统硬件设计 .......................................................................................... 26 4.2.1 系统构成 ............................................................................................................... 26 4.3 视频监控终端的设计实现 .............................................................................................. 28 4.3.1 终端编解码模块的作用及构造 ........................................................................... 28 iii 南华大学电气工程学院毕业设计 4.3.2 终端编解码模块的体系结构 ............................................................................. 30 5 远程视频监控系统的软件设计 ............................................................................................... 32 5.1 服务器端软件结构 .......................................................................................................... 32 5.2 软件设计.......................................................................................................................... 32 5.2.1 视频采集 ............................................................................................................... 32 5.2.2 视频压缩模块 ....................................................................................................... 33 5.2.3 网络传输模块 ....................................................................................................... 34 5.2.4 服务器端GUI模块设计与实现 .......................................................................... 34 5.3 客户端软件设计 .............................................................................................................. 34 5.3.1网络模块 ................................................................................................................ 35 5.3.2 图像解压模块 ....................................................................................................... 35 5.3.3 显示技术 ............................................................................................................... 36 结束语............................................................................................................................................. 37 参考文献......................................................................................................................................... 38 致 谢............................................................................................................................................. 40 iv 南华大学电气工程学院毕业设计 v 南华大学电气工程学院毕业设计 1 绪论 1.1引言 随着我国工业的不断发展，工业网络结构的复杂性与日俱增，但是由于一些枢纽单位所处地理位置分散和偏僻等特点，给网络的管理造成了诸多不便，采用远程视频监控来提高工业管理的自动化程度显得日益重要。 由于计算机、视频编码以及网络传输技术的飞速发展，视频监控技术实现了巨大飞跃，视频编码技术作为远程视频监控的关键技术，受到了大家的关注。目前，视频监控系统中主要采用的图像压缩标准H.261与MPEG-1，在应用中具有适应性和用户交互性差的局限性。近些年产生的MPEG-2、MPEG-4、H.263、H.264等视频编码标准提供了更高的数据压缩比，尤其是H.264以其高质量、低码流、适应性强的特点越来越广泛地被应用在视频监控系统中。 远程视频监控系统是综合计算机IP视频技术、视频解压缩处理技术、互联网应用技术相结合的系统，它是以计算机为核心、结合IP视频技术、计算机网络技术的一种监控主机系统，是近年来网络IP视频应用发展的一个新方向。远程视频控制系统能将监控信息从监控中心释放出来，通过计算机网络使其到达桌面的计算机上，从而与信息管理系统和办公自动化系统融合在一起，更好地为管理服务，提高管理水平和效率。 远程视频监控突破了传统监控系统距离的限制，随着通信技术和企业社会化的发展 ，应用也越来越广泛。另外，一些特殊的应用如无人值守变电站、重要交通路口、河道水文监测、边海防监控等，远程监控是监控系统不可缺少的最主要的功能。 1.2选题背景 随着网络的发展和压缩技术的进步，远程视频监控系统日益广泛应用于银行、宾馆、机场、城市交通部门等重要机构，为保障安全，提高工作效率起到了举足轻重的作用。远程监控系统可以将分散的信息集中起来，实时显示并储存，为管理人员提供实时、直观的视觉材料，从而优化、统一了管理，也可以在危 第 1 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 险的工作环境中实行无人作业，或者将操作人员从繁重的复杂劳动中解脱出来，把精力转向分析决策。另外，还可以对系统性能和服务的异常，进行及时、准确的报警，提醒操作人员排除故障。因而，远程视频监控系统可广泛地应用于工农业、交通、电力、医院等的实时监控。还可以应用于军事领域中，为大型试验场区、武器装备管理、各部门的统一指挥调度等重要事宜提供保障。 第 2 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 2 视频监控系统的发展与应用 2.1 视频监控系统概述 2.1.1 视频监控的概念 视频监控系统是安全防范技术体系中的一个重要组成部分，是一种先进的、防范能力极强的综合系统，它可以通过遥控摄像机及其它辅助设备(云台、镜头等)直接观看被监视场所的情况一目了然;同时它可以把被监视场所的图像和声音全部或部分的内容记录下来，这样就为日后对某些事件处理提供了方便条件和重要的一些依据，同时闭路监控系统还可以与防盗报警等其它安全技术防范体系联合行动，使防范能力更加强大。 网络视频监控是指为客户在使用宽带网络基础上提供图像、声音和各种报警信号远程采集、传输、储存、处理与转播的一项全新电信增值业务。通过这种业务，用户可以不受时间、地点限制，方便的对监控目标进行实时监控、监督管理与录像存储，也可以在监控地点布置报警设备与监控终端设备连接实现报警联动。当发生一些异常情况时，系统可通过事先设置好的报警模式，通过E-MAIL、手机等方式将警告信息传送给定制用户，并对异常情况进行录像抓拍。视频监控系统一直是监控领域中的热点，它以直观、方便、信息内容丰富而在各个行业得到广泛应用，如:交通、电力、通信、石油、码头、仓库、金融、政府机关企事业单位办事窗口及要害部门、军队、公安、监狱、水利/水厂、民航等部门。 2.1.2 网络视频监控是当前发展最快的多媒体通信方式之一 远程视频监控是一种非常直观，现实，便捷的沟通方式。不论是从效率还是从安全角度考虑，远程视频监控能在很大程度上满足社会的需要。不论是战争，恐怖事件还是非典疫情都可能造成空间阻隔，使得通过传统的沟通方式实现异地“面对面”的交流变成不可能。而远程视频监控就可以实现远距离实时的声音、图像和数据信息的交流，保证在第一时间准确真实的得到现场的情况。 网络视频监控集合了语音、图像、数据的传输，让用户足不出户即可“亲临世界任何角落”，使世界越变越小。进入二十一世纪，数字化网络化的步伐正在逐步加快，安防行业是新技术革命的主力军和急先锋的地位不会发生动摇，视频监控上升到参与全行业的管理中已成为事实，领导无论在世界何处即可统览企 第 3 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 业全局，这正是数字化网络带给我们的好处。 2.2 视频监控应运而生 2.2.1 视频监控的发展背景 社会在发展，财富在积累，一方面标志着社会的富足，另一方面金融证券部门、企事业单位和家庭住宅等涉及钱、财、物的场所，面临被抢被盗的危险性也随着增加。时代在进步，技术在更新，进入信息化时代的今天，各种各样保卫公共财富和家庭安全的设备不断推陈出新，呈现出快速发展的势头。所以在早期配合安防系统的视频监控系统也就孕育而生了。 安全防范系统涉及面很广，监控系统是其中重要的一大组成部分。所谓监控系统，顾名思义就是通过图像对有关区域进行监视与控制的系统的合称。监视就是对感兴趣或需要安全保护的地点进行查看，而控制就是对某些设备进行必要的操作。监控系统从诞生之日起，就在国民经济的发展中起到了十分重要的作用。监控系统对确保人民生命财产的安全，确保生产过程自动化的安全运行等方面起到了很好的作用，且对生产管理也有重要意义。监控系统根据采用的技术大体上可分为摸拟监控系统和数字监控系统两大类。数字监控系统就是应用现代计算机技术进行图像采集、编/解码、存储、传输并通过计算机控制有关设备的监控系统。由于多媒体技术的快速发展，现代的许多监控系统已具有多媒体功能，不仅能传输图像也能传输语音、文字等信息。随着近几年网络技术的快速发展，一些监控系统已发展成为具有多媒体网络功能的系统，这种系统不仅能传输图像、语音、文字等，还能在多个监控地点之间交互信息，而且中央控制室可随时查阅各个监控端的信息。 2.2.2 视频监控的发展历程 视频监控业务发展历程又是如何呢,视频监控主要经历了以下三个阶段:模拟视频监视、基于PC的多媒体监控和基于WEB服务器的远程视频监控。 模拟视频监控技术:在九十年代初以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。图像信息采用视频电缆，以模拟方式传输，一般传输距离不能太远，主要应用于小范围内的监控，监控图像一般只能在控制中心查看。 第 4 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 多媒体监控技术:九十年代中期基于PC的多媒体监控随着数字视频压缩编码技术的发展而产生。系统在远端有若干个摄像机、各种检测和报警探头与数据设备，获取图像信息，通过各自的传输线路汇接到多媒体监控终端上，然后再通过通信网络，将这些信息传到一个或多个监控中心。这类监控系统功能较强，但稳定性不够好;结构复杂，功耗高，费用高;需要有多人值守;同时，软件的开放性也不好,传输距离明显受限。 网络视频监控技术:九十年代末基于嵌入式WEB服务器技术的远程网络视频监控随着网络技术的发展而产生。其主要原理是:视频服务器内置一个嵌入式WEB服务器，采用嵌入式实时操作系统。摄像机等传感器传送来的视频信息，由高效压缩芯片压缩，通过内部总线传送到内置的WEB服务器。网络上用户可以直接用浏览器，观看WEB服务器上的图像信息，授权用户还可以控制传感器的图像获取方式。这类系统可以直接连入以太网，省掉了各种复杂的电缆，具有方便灵活、即插即看等特点，同时，用户也无需使用专用软件，仅用浏览器即可。 2.2.3 视频监控的发展现状 目前，网络视频监控系统正处在数控模拟系统已发展非常成熟、性能稳定，在实际工程中得到广泛应用，数字系统迅速崛起但尚不完全成熟的数字和模拟混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。在国内外市场上，主要推出数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛;后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端，但仍需进一步完善和发展。 2.3 视频监控的发展趋势 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础。所以，视频监控发展的最大的特点就是一体化、数字化、网络化和智能化。 2.3.1 前端设备一体化 网络视频监控系统的设备包括编码器、解码器、网络接口设备。在系统的安装和开通涉及摄像机、云台、视频输入设备，包括远端呼叫的话筒、调音台等音 第 5 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 频输入设备。电视墙，功放、音箱等视音频输入设备，调试比较复杂。另一方面，网络视频监控系统系统的操作维护需要较多其它电信设备更多的专业知识(包括视音频，通信，网络传输等多方面)，是影响网络视频监控系统设备的销售和推广的主要瓶颈。从而要求: (1)设备设备的一体化、小型化。网络视频监控设备制造商将除外设以外的设备集成到一体，以充分简化施工要求，使视频监控制造商成为一个纯粹的产品公司，降低制造商的准入门槛，使更多的技术和资金可以投入到视频监控的制造行业。 (2)操作简单化、智能化、在人机工程的基础上设计好操作界面及操作方式，并在基本操作中尽量避免复杂的参数设置和操作。使网络监控系统使用起来相当容易，从而降低了最终用户的使用门槛，有利于网络视频监控使用群体的扩展。 2.3.2 数字化 视频监控系统的数字化是指将系统中信息流(包括视频、音频、控制等)从模拟状态转为数字状态，彻底打破了经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心的结构。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，有利于实现系统集成。 2.3.3 网络化 视频监控系统的网络化将具有微内核心技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应，组成分布式监控系统。它在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量限制，将使整个网络的系统硬件和软件资源达到共享以及负载均衡。 2.3.4 智能化 视频监控系统的智能化是指系统将采用一些智能化处理技术。如图像序列运动检测技术和报警，基于生物特征的身份识别技术等。 2.3.5 无线网络视频监控是将来的一个重要发展方向 在通常情况下，由于监控点分布在较广阔的范围内，并且与监控中心的距离较远，利用传统的有线连接方式，线路铺设成本高昂，而且施工周期长，或者因 第 6 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 为物理因素难以架设线缆，如遇到河流山脉等障碍时。 无线网络视频监控解决方案可很好地解决上述问题。用户采用无线网络视频监控解决方案，无需铺设网络电缆，可迅速方便地在各种需要的地方布署数字摄像设备，建立新的视频监控系统或对现有的视频监控系统进行扩展，具有很强的灵活性和可扩充性。 采用宽带无线接入设备，可以将多个被监测点与中央控制中心连接起来，且搭建迅速，可以在最短的时间内迅速建立起无线链路。现场监控点安装的摄像机所摄录的实时和高分辨率的视频图像通过成电先锋宽带无线接入设备进行传输, 传送到用户的安全监控中心，并可以完成对远程监控点的控制。 第 7 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 3 音视频编码标准及网络视频监控系统的关键技术 在视频监控中首先要做的就是对采集来的图像进行编码，在视频监控领域中一个重要的协议是视音频编码协议，传统的视频编码协议主要有 H.261和H.263，音频编码协议为G.7xx系列协议。在宽带监控系统中，视频编码协议一般采用MPEG-2和MPEG-4，以达到高清晰的效果，音频编码协议一般采用MPEG-l的第二层，以达到好的效果。本章将重点介绍视频编码标准中的H.26x系列标准和MPEG系列标准，以及G.7xx系列音频编码标准并对视频监控中关键技术作简单的介绍。 3.1 H 26X系列标准 3.1.1 H 261标准 1984年国际电报电话咨询委员会 (CCITT)的第巧研究组成立了一个专家组，专门研究电视电话的编码问题，所用的电话网络为综合业务数据网络(ISDN)，当时的目标是推荐一个图像编码标准，其传输速率为 m×384 kbit/s(千位/秒)，m=1，2，3，4，5。这里的 384 kbit/s在ISDNR中称为Ho通道。另有基本通道B的速率为64 kbit/s， 6×B=384 kbit/s。5×Ho= 30×B=1920kbit/s为窄带ISDN的最高速率。后来因为384 kbit/s速率作为起始点偏高，广泛性受限制，另外跨度也太大，灵活性受影响，所以改为 p×64 kbit/s，p=1，2，3，„30。 11最后又把P扩展到32，因为32×64 kbit/s=2084 kbit/s，其中2084=2，基本上等于2 Mbit/s，实际上己超过了窄带ISDN的最高速率 1920 kbit/s，最高速率也称通道容量。经过5年以上的精心研究和努力，终于在1990年12月完成和批准了CCITT推荐书H.261，即“采用px64kbit/s的声像业务的图像编解码”，H.261简称px64。 H.261标准的视频压缩编码采用了运动补偿预测和离散余弦变换相结合的混合编码方案，这套编码方案获得了很好的图像压缩效果，可算是图像编码近40年研究成果的总结。从此，H.261标准的编码就成了其它图像压缩标准的基础，并在此基础上推出了H.263， H.264，MPEG-l， MPEG-2，MPEG-4等系列标准。 3.1.2 H.263标准 第 8 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 由于H.261的视频质量在低码率的情况下仍然难以令人满意，因此ITU-T在H.261的丛础上作了一些相当重要的改进，并形成了新的低码率图像编码标准——H.263。 H.263相对于H.261的主要改进有: (l)运动补偿采用了半像素精度并使用了环形滤波器。 (2)数据流一些层次结构内容是可选的，使编码器的参数配置达到最优，以取得更低的码流，少拼能进行有效的差错掩盖和恢复。 (3)采用了4种可选项以提高执行效率:?无范围限制的运动矢量?基于语义的算术编码?向前顶测?能进行前向和后向预测的PB帧。 (4)H.263支持5种分辨率，即除了支持H.261中所支持的QCIF和CIF外，还支持SQCIF、4CIF和16CXF，SQCIF相当于QCIF一半的分辨率，而4CIF和16CIF分别为CIF的4倍和16倍。 1998年IUT-T推出的H.263+是H.263建议的第2版，它提供了12个新的可协商模式和其他特征，进一步提高了压缩编码性能。如H.263只有5种视频源格式，H.263+允许使用更多的源格式，图像时钟频率也有多种选择，拓宽应用范围;另一重要的改进是可扩展性， 它允许多显示率、多速率及多分辨率，增强了视频信息在易误码、易一丢包异构网络环境下的传输。另外，H.263+对H.263中的不受限运动矢量模式进行了改进，加上12个新增的可选模式，不仅提高了编码性能，而且增强了应用的灵活性。H.263己经基本上取代了H.261。 3.1.3 H.264标准 H.264是ITU-T的视频编码专家组(VCEG)和IS0/IEC的运动图像专家组 (JVT: Joint Video Team)开发的一个新的数字视频编码标(MPEG)的联合视频组 准，它既是ITU-T的H.264，又是IS0/IEC的MPEG-4的第10部分。1998年l月份开始草案征集，1999年9月份完成第一个草案，2002年6月JVT第五次会议通过了H.264的FCD版，并在2003年上半年正式通过。 H.264和以前的标准一样，也是差分脉冲编码调制(DPCM)加变换编码的混合编码模式。但它采用“回归基本”的简洁设计，不用众多的选项，获得比H.263好得多的压缩性能，加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构语法，有利于对误码和丢包进行处理;应用日标范围较宽，以满足不同速率、不同 第 9 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 解析度以及不同传输(存储)场合的需求;它的基本系统是开放的，使用无需版权。 在技术上，H.264标准中有多个闪光之处，如统一的VLC符号，高精度、多模式的位移估计，基于4×4块的整数变换、分层的编码方法等。这些措施使得H.264算法具有很高的编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比H.263节约50%左右的码率。H.264码流结构的网络适应性强，增强了差错恢复能力，能够很好的适应IP和无线网络的应用需求。 H.264建议包括基类、主类、Profile类三种协议类型，它的技术特点可以归纳为三个方面，一是注重实用，采用成熟技术，追求更高的编码效率，简洁的 二是注重对移动和IP网络的适应，采用分层技术，从形式上将编码和表现形式; 信道隔离开来，实质上是在源编码器算法中更多的考虑到信道的特点;三是在混合编码器的基本框架下，对其主要关键部件都作了重大改进。 H.264具有广阔的应用前景，例如实时视频通信、因特网视频传输、视频流媒体服务、异构网上的多点通信、压缩视频存储、视频数据库等。 3.2 MPEG系列标准 3.2.1 MPEG简介 1.MPEG组织的基本情况 制定MPEG标准的国际组织全称为ISO/IEC/JTC1/SC29/WG11。 ISO/IEC/JTC1(国际标准化组织/国际电工委员会/第一联合技术委员会)是制定信息技术标准的专业委员会， JTC1下属17个分委员会(SC)，其中SC29分委员会负责制定多媒体技术标准，它的任务是制定“音频、视频、图像、多媒体和超媒体信息的编码表示以及用于此种信息的压缩和控制功能集的标准”。SC29分委员会下设三个工作组(WG， Working Group):制定JPEG标准的WG1、制定MHEG标准的WG12和制定MPEG标准的WG11。 从MPEG的名称上就可以看出，它的基本任务是针对视频编码制定标准，即“制定用于运动图像(视频)编码的各种标准”。然而，由于运动图像编码与音频密不可分，因此在制定MPEG-1和MPEG-2时就定位到了“视频及其伴随的音频编码”。MPEG-4是而向可视对象的编码。可视对象(Visual Object)不仅包括图像和视频，还包括与二维及三维图形、动画的混合编码;音频编码的范围也扩充到了立体声、混合伴音等。近两年来，关于数字媒体的知识产权保护和管理问题以 第 10 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 及网络环境下媒体的传输问题成为MPEG会议的热点，在MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21中均有特殊工作小组研究这些问题。由此可以看出，MPEG的任务远远不是局限于压缩，而是涉及媒体数据的采集、加工、存储、发行、传输、保护等一系列技术标准的建立。 2.技术进展 从MPEG组织成立至今，其任务和方向都发生了很多变化。MPEG-1和MPEG-2己经熟的编码标准，现在的热点主要集中在MPEG-4和MPEG-7上，MPEG-21还处在征集建议的阶段。 MPEG-4与MPEG-l和MPEG-2的不同之处在于:MPEG-l和MPEG-2是基于帧的规范，而MPEG-4是基于媒体对象的规范，它规定了媒体对象的描述、表达、组织等问题。MPEG-4将许多媒体对象标准化，能够表征自然和人造内容的类型，无论是二维还是三维都是如此。媒体对象在自身的编码形式中包含了描述元素，通过描述元素来控制视听场景中的对象。 MPEG-7是针对媒体内容检索而提出的多媒体内容描述接口 (Multimedia Content Description Interface)，它的目标是建立一套视听特征的量化标准描述器、结构以及它们相互之间的关系，这被称为描述方案(Ds，Description Schemes)。同时MPEG-7也建立了一套标准化的语言一一描述定义语言(DDL，Description Definition Language)，MPEG- 7将对各种不同类型的多媒体信息进行标准化的描述，并将该描述一与所描述的内容相联系，以实现快速有效的搜索。该标准不包括对描述特征的自动提取，它也没有规定利用描述进行搜索的工具或任何程序。 至于MPEG-21，它目前仍处于起步阶段，有6方而的工作正在开展:用户需求、与内容的交互、内容表示、内容的识别和描述、IPMP相关技术、终端和网络技术等，这些方而的技术报告目前还在细化之中。 3.2.2 MPEG-1标准 随着数字音频和数字视频技术的广泛应用，150的运动图像专家组(MPEG)在1991年11月提出了15011172标准的建议草案，通称MPEG-1标准。该标准于1992年11月通过，1993年8月公布。MPEG-1标准适用于数码率在1.5 Mbit/s左右的应用环境，也就是为CD-ROM光盘的视频存储和放像所制定的。 第 11 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 MPEG-1标准可以处理各种类型的活动图像，其基本算法对于压缩水平方向352个像索、竖直方向288个像素的空间分辨力以及侮秒24~30幅画而的运动图像有很好的效果,在MPEG-1的标准中的一帧图像的概念不同于电视中的帧的概念，前者一定是成逐行扫描的图像，如果待处理信号是隔行扫描的图像，则编码前必须将其转换成逐行扫描的格式。 MPEG-1标准提供了一些录像机的功能:正放、图像冻结、快进、快倒和慢放。此外，还提供了随机存储的功能，当然，解码器这些功能的实现在一定程度上同图像数据存储介质相关。MPEG-1标准采用了一系列技术以获得高压缩比:第一，对色差信号进行亚采样，减少数据量;第二，采用运动补偿技术减少帧间冗余度;第三，做二维DCT变换，去除空间相关性:第四，对DCT分量进行童化，舍去不主要的信息，将量化后的DCT分虽按照频率重新排序;第五，将DCT分虽进行变字长编码;第六，对每数据块的直流分量〔DC)进行预测差分编码。 MPEG-1中的图像类型共分四种:I图像，或称帧内帧 (Intra)图像，采用帧内编码，不参照其他图像;P图像，或称预测帧(Predicted)图像，它们参照前一幅I或P图像做运动补偿编码;B图像，或称双向顶测图像，他们参照前一幅和后一幅I或P图像做双向运动补偿编码;D图像，或称直流(DC)图像，这类图像中只含直流分量，是为快放功能而设计的。 3.2.3 MPEG-2标准 MPEG-2于 1992年开始制定，1997年正式定稿。该标准是针对标准数字电视和高清晰电视在各利，应用下的压缩方案和系统层的详细规定，变码率从3Mbi/s- 100Mbi/s，标准的正式规范在ISOllEC13818中。MPEG-2不是MPEG-1的简单升级，而是在系统和传送方而做了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG-2特别适于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为标准清晰度电视(SDTV)和高清晰度电视(HDTV)的编码标准。MPEG-2还专门规定了多路节目的复分接方式。此外，MPEG-2还兼顾了与ATM信元的适配问题。 MPEG- 2标准目前分为9个部分，统称为1SO/EC13818国际标准。各部分的内容描述如下: 第一部分-ISO/EC13818-1，system:系统，描述多个视频，音频和数据基本码流合成传输码流和节目码流的方式。 第 12 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 第二部分-ISO/EC13818-2，Video:视频，描述视频编码方法。 第三部分-ISO/EC13818-3，Audio:音频，描述与MPEG-1音频标准反向兼容的音频编码方法。 第四部分-ISO/ Ec13818-4，Compliance:符合测试，描述测试一个编码码流是否符合MPEG-2码流的方法。 第五部分-ISO/IEC13818-5，Software:软件，描述了MPEG-2标准的第一、二、三部分的软件实现方法。 第六部分-ISO/ EC13818-6，DSM-CC:数字存储媒体一命令与控制，描述交互式多媒体网络中服务器与用户问的会话信令集。 以上六个部分均已获得通过，成为正式的国际标准，不在数字电视等领域中得到了广泛的实际应用。此外，MPEG-2标准还有三个部分:第七部分规定不与MPEG- 1音频反向兼容的多通道音频编码;第八部分现已停止;第九部分规定了传送码流的实时接口。 1. MPEG-2的级和类 MPEG-2视频编码标准是一个分等级的系列，按编码图像的分辨率分成四个“级 (Levels)”;按所使用的编码工具的集合分成五个“类(Profiles)’’。“级”与“类”的若干组合构成MPEG-2视频编码标准在某种特定应用下的子集:对某一输入格式的图像，采用特定集合的压缩编码工具，产生规定速率范围内的编码码流。在20种可能的组合中，目前有11种是已获通过的，称为MPEG-2适用点。 在MPEG-2的五个“类’中，较高的“内”意味着采用较多的编码工具集，对编码图像进行更精细的处理，在相同比特率下将得到较好的图像质量，当然实现的代价也较大。较高类编码除使用较低类的编码工具外，还使用了一些较低类没有使用的附加工具，因此，较高类的解码器除能解码用木类方法编码的图像外，也能解码用较低类方法编码的图像，即MPEG-2的“类”之间具有后向兼容性。简单类(Simple Profile)使用最少的编码工具。主类 (Main Profile)除使用所有简单类的编码工具外，还加入了一种双向预测的方法。信噪比可分级类(SNRS callable Profile)和空间可分级类(Spatially Scalable Profile)提供了一利，多级广播的方式，将图像的编码信息分为华本信息层和一个或多个次要信息层。基木信息层包含对图像 第 13 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 解码至关爪要的信息，解码器根据基本信息即可进行解码，但图像的质虽较差。次要信息层中包含图像的细节。广播时对基木信息层加以较强的保护，使其具有较强的抗卜扰能力。这样，在距离较近，接收条件较好的情况下，可以同时收到从木信息和次要信息，恢复出高质量的图像;而在趴离较远，接收条件较差的条件下，仍能收到基本信息，恢复出图像，不至造成解码中断。高级类(High Profile)实际上应用于比特率更高，要求更高的图像质量时，此外，前四个类在处理Y，U，V时是逐行顺序处理色差信一号的，高级类中还提供同时处理色差信一号的可能性。日前的标准数字电视采用的是MP@ML主类和主级，而HDTV采用是MP@HL主类和高级。 2. MPEG-2标准的系统层结构 MPEG-2经过压缩后的视频流和音频流叫做基本流(ES)，视频流和一音频流需要组合在一起，同时加上一些时问信息和管理信息，共同组成复合信息流及系统流(SS)。系统流支持五项从本功能:解码时多压缩流的同步，将多压缩流交织成单个数据流，解码开始时缓冲区的初始化，连续的换冲区管理，时间识别等。 根据传输媒体的质量不同，MPEG-2中定义了两种复合信息流:传送流(Ts: Transport Stream)和节目流 (Ps: Program Stream)，无论对哪种码流，MPEG-2系统复接都分为两个步骤: 1、视频和音频的ES流分别按一定的格式打包，构成具有某种格式的打包的幕本信息流 (PES: Packetized Elementary Stream)，分别称为视频PES和音频PES。这一步骤在打包器内实现，PES的长度可在一定范围内变化。 2、将视频，音频的PES流以及辅助数据按不同的格式再打包，然后进行复接，即分别生成了TS流和PS流。TS流与PS流的区别在于TS流的包结构是固定长度的，而PS流的包结构是可变长度的。 节目流是对完整的视频和音频PES包进行复接形成的。由于视频、音频编码器本身的特性，PES包的长度是可变的，因此PS包的长度也是可变的。而传送流是将视频和音频的PES包作为固定长度的TS包的净荷，然后对TS包进行复接形成的。 PS包与TS包在结构上的这种差异，导致了它们对传输误码具有不同的抵抗 第 14 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 能力，因而应用的环境也有所不同。TS码流由于采用了固定长度的包结构，当传输误码破坏了某一TS包的同步信息时，接收机可在固定的位置检测它后而包中的同步信息，从而恢复同步，避免了信息丢失。而PS包由于长度是变化的，一旦某一PS包的同步信息丢失，接收机无法确定下一包的同步位置，就会造成失步，一导致严重的信息丢失。因此，在信道环境较为恶劣，传输误码较高时，一般采用TS码流;而在信道环境较好，传输误码较低时，一般采用PS码流。 3.3 MPEG-4标准 MPEG-4视频标准采集近年来图像分析，图像压缩，视频压缩，计算机视觉，信号处理等领域的最高研究成果的大成，它在推出“音视频元”概念的基础上提出基于具体内容的视觉目标编码标准。在开发低码率(5~64Kbit/s)编码标准的同时，将重点放在人们更感兴趣的图像具体目标的交互性和可操作性上，并对多媒体应用领域的编码进行兼容并包。它不仅包括运动目标的编码，还包括静止目标和计算机人工合成目标的编码。它不但是第一个让用户在接收端对画面进行操作和交互式访问的标准，而由于其低码率，高度灵活性，兼容性，可伸屈性，强抗错性和可扩展性，也将是第一个解决信息产业中电视、通信、计算机这三大网络的所谓“数字汇聚”问题的标准。因此，MPEG-4将广泛应用于以下领域:各类多媒体会议，低比特率移动多媒体通信，Internet的视、音频通信，实时场景监控，基于内容的交互多媒体数据库检索，从而内容的视频编码和视频合成。 MPEG-4视频标准在多媒体环境下提供一个推于不同日标的视频描述方法和包括自然或人工合成视觉日标的压缩、目标伸屈、时空伸屈、差错回避的算法和工具的核心技术以有效地用不同媒质存储，通过现有和将来的有线和无线通信网、Internet网和广播频进传输和操作视频数据。 3.3.1 MPEG-4标准的新功能 MPEG-4标准支持7个新的功能，它可划分为3类:基于内容的交互性，高压缩率和灵活多样的存取模式。现分别介绍如下: 1.基于内容的交互性(Content- based interactivity) (l)从于内容的操作一与比特流编辑支持无须编码就可进行从于内容的操作与比特流编辑。例如:使用者可在图像或比特流中选择一具体的对象(Object)(例如图像中的某个人，某个建筑等等)，随后改变它的某些特性。 第 15 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 (2)自然与合成数据棍合编码提供将自然视频图像同介成数据(文本、图形)有效结合的方式，同时支持交互性操作。 (3)增强的时间域随机存取MPEG-4将提供有效的随机存取方式:在有限的时间隔内，可按帧或任意形状的对象，对音、视频序列进行随机存取。例如以一序列中的某个音、视频对象为目标进行“快进”搜索。 2.高压缩率(Compression) (l)提高编码效率在与现有的或正在形成的标准的可比拟速率上，MPEG-4标准将提供更好的主观视觉质量的图像。这一功能可望在迅速发展中的移动通信网中获得应用，但值得注意的是:提高编码效率不是MPEG-4的唯一的主要目际。 (2)对多个并发数据流的编码MPEG-4将提供对一景物的有效多视角编码，加土多伴音声逆编码及有效的视听同步。在立体视频应用方面，MPEG-4将利用对同一景物的多视点观察所造成的信息冗余，MPEG-4的这一功能在足够的观察视点条件下将有效地描述三维自然景物。 3.灵活多样的存取 (Universal access) (l)错误易发环境中的抗错性(Robustness):“灵活多样”是指允许采用各种有线、线网和各种存储媒体，MPEG-4将提高抗错误能力(Error robustness capability)，尤其是在易发生严垂错误的环境下的低比特应用中(移动通信链路)。注意，MPEG-4是第一个在其音、视频表示规范中考虑信道特性的标准。目的不是取代己由通信网提供的错误控制技术，而是提供一利，对抗残留错误的坚韧性。例如:选择性前向纠错 (Selective Forward error correction)，错误遏制(Error containment)，或错误掩盖(Error concealment)。 (2)基于内容的尺度可变性(Content based scalability):内容尺度可变性意味着给图像中的各个对象分配优先级。其中，比较重要的对象用较高的空间和或时间分辨率表示。从于内容的尺度可变性是MPEG-4的核心，因为一旦图像中所含对象的目录及相应的优先级确定后，其它的华于内容的功能就比较容易实现了。对甚低比特率应用来说，尺度可变性是一个关键的因素，因为它提供了自适应可用资源的能力。例如，这个功能允许使用者规定:对具有最高优先级的对象以可接受的质量显示，第二优先级的对象则以较低的质量显示，而其余内容(对象)则不予显示，可见，这种方式可最有效地利用有限的资源。 第 16 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 3.3.2 MPEG-4系统结构 为了达到基于内容的交互性、高压缩率和灵活多样的存取模式的目标，MPEG-4标准采用了以对象为基础的编码方法，提供了对于音频对象、视频对象、场景描述以及与发送系统的接口进行编码的各种标准算法和工具。各种音频和视频对象在解码器一段进行组合，他们不限于自然的来源，也可以是人工合成的来源，其系统结构如图3.1所示。 存储 对 象 编码的/未编码多多的本地对象 路路 复复 合合解码器 器 器 编 码 器 对象 对象 对象 图3.l MPEG-4系统结构 3.3.3 MPEG-4的数据结构 在MPEG- 4中，采用发送多媒体综合框架(DMXF: Delivery Multimedia Framework)的结构和会话协议，用来管理多媒体数据流。该协议在原则上与文件传输协议FTP类似，其差别是:FTP返回的是数据，而DMIF返回的是指向到何处获取数据流的指针。DMIF覆盖了三种主要技术:广播技术、交互网络技术和光盘技术。如图3.2所示。 第 17 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 广播技术 电缆 交互网络技术 卫星 光盘技术 Internet ATM CD DVD 发送多媒体综合框架 图3-2 MPEG-4多媒体综合框架 3.4 音频编码国际标准 音频编码主要是利用音频信号在时域上的相关性进行压缩，根据音频信号的采样率、样点的精度、编码方法的不同而产生不同的标准。国际上主要有ITU-T制订的G.7xx系列标准和MPEG制订的相应标准。 3.4.1 G.7XX系列标准 1. G.7ll 该标准于1972年由CCITT为电话质量和语音(频率为300-3400HZ)压缩制定，主要用于公共电话网中，属于窄带音频信号编码，针对50HZ到3.4KHz的一般语音信号进行对数压扩(A律或U律)PCM编码，取样频率为SKHZ，比特率为64 Kbit/s。 2. G.721 该标准通过自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)方法将64 Kbit/s的数字语音信号压缩到32 Kbit/s。 3. G.722 该标准于1988年CCITT为调幅广播质量的音频信号压缩制定。这是一种高质量语音信号的压缩标准。采样频率为16KHZ，采样频率为16KHZ，每个样值量化到14比特。它采用子带编码和ADPCM(SB-ADPCM)进行压缩编码，压缩后的比 第 18 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 特率为48 Kbit/s，56 Kbit/s，或64 Kbit/s。 4. G728 该标准利用低延时码本激励线胜预测(LD-CELP)方法将一般语音信号压缩至16 Kbit/s。CELP是一种综合了波形编码和参数编码的混合编码方法。 5. G729 该标准是一种低码率的语音压缩标准，采用共辘结构代数码本激励线性预测CS-ACELP算法，将一般语音信号压缩至5 Kbit/s。 6. G.723.l 该标准将一般语音信一号压缩至5.3 Kbit/s和6.3 Kbit/s，二者均使用ACELP算法，其中主要区别在于激励码本的不同。在6.3 Kbit/s编码器内采用了多脉冲激励，重建的音质稍高一些，可以与G.729在5 Kbit/s上的音质比拟，但编码延时较大。G.723.1在低码率的多媒体通信中占有重要的地位，特别是在公用电话网、移动网和因特网上的语音通信中得到了广泛的应用。 3.4.2 MPEG-1音频标准 根据应用需求的不同，MPEG-1音频编码分三层:层1，层2，层3。MPEG-1音频编码过程如下:输入的音频抽样被读入编码器;映射器建立经滤波的输入音频数据流的子带抽样表示，如在层1或层2是子带抽样，在层3则是经变换的子带抽样;心理声学模型建立一组控制量化和编码的数据;各子带系数经过量化和编码，再加上其他一些附加信息;最后形成己编码的数据流。 有4种不同的编码模式:单声道、双声道、立体声和联合立体声。根据应用需求，可以使用不同层次的编码系统，编码器的复杂性和性能也随之变化。 (l)层1包括将数字音频变成32个子带的基本映射。将数据格式化成固定分段的块。决定自适应位分配的心理声学模型。利用块压扩和格式化的量化器。理论上，层1编/解码最小延迟为19ms。 (2)层2提供了位分配、缩放因子和抽样的附加编码，使用了不同的帧格式。这一层的最小编/解码延迟为35ms。 (3)层3采用混合带通滤波器来提高频率分辨率。它增加了差值量化(非均匀)、自适应分段和量化值的墒编码。这一层最小的编/解码的延迟为59ms。 第 19 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 3.5 网络远程视频监控系统中的关键技术 3.5.1 音视频编解码技术 网络视频监控要处理传输的主要数据就是图像语音数据，图像和语音是网络视频监控系统的灵魂，视频监控的发展也一直伴随着图像编解码技术的发展而发展。视频监控系统更是因具有卓越的声像质量而在专业的高端用户中得到广泛的应用。一幅 640x480中等分辨彩色图像，采用24位比特量化的数据量约为7Mbit，如果按征秒30帧的速率播放，则需要传输的码率高达22lMbit/s，要在有限的带宽上传输如此之高的码流是不现实的，在这样的情况下，视频编解码技术显得尤为重要。同时随着对图像压缩技术的不断分析研究，传输如此高的码率也没有必要。 在我们的系统中采用的是MPEG-4的编码格式，因为MPEG-4在录像存储容量、图像质量、网络传输、对图像可以进行交互操作等方面都具有巨大的优势。在众多的编解码技术中MPEG-4针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。对传输速率要求较低，在4.8-64Kbit/s之间，分辨率为176×l44。MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术以及数据压缩技术，以求最少的数据获得最佳的图像质量。MPEG-4音频对象可以分为两类:自然音频对象和合成音频对象。MPEG-4自然一音频对象包括了从2kbit/s到64kbit/s的各种传输质量的编码。MPEG-4定义了三种编码器(参数编码、CELP编码和视频编码)来协调工作以在整个码率范围内得到高质量的音频。l:1然音频对象的编码支持各种分级编码功能和错误恢熨功能。合成音频对象包括结构音频 (Structured Audio，SA)和文语转换 (Text To Speech，TTS)。结构音频类似MIDI语言，它采用描述语音的方法来代替压缩语音。TTS接受文本输入并输出相应的合成语音，它在应用时通常用于脸部动画、唇语合成等技术结合起来使用。此外，音频对象还含有对象的空间化特征，不同的空间定位决定了音源的空间位置，这样可以使用人工或自然音源来营造人工声音环境。网络视频监控系统正是将MPEG-4编解码技术的这些优势得以应用，为视频监控提供了卓越的声像质量。 3.5.2 网络传输 远程视频监控系统的实现与宽带传输网络息息相关，现用在视频监控系统中 第 20 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 的承载网络平台主要是ISDN，X.25(分组交换数据、IK务)和帧中继、SDH，ATM、和分组IP网。其中ISDN推出的初衷是为语音、数据、图像等综合业务提供一个公共网络平台，但其传输速率却满足不了现在多媒体通信的要求，就远程视频监控而言，只能作为窄带监控系统的传输，不能作为大型监控系统的承载平台。X.25和帧中继、SDH、ATM和分组IP网络平台。网络带在1.5Mbit/s时，视频可达到352x288每秒25帧无马赛克的图像效果。要达到高清晰的效果，理想的传输速率要在4Mbit/s以上。对于分组网络，传输带宽可动态分配，但需要有效的QOS(服务质量)服务来保证传输数据。对于电路交换网络，因用户网络接口速率是固定的，要传输更高清晰的监控图像需要采用习信道复用技术，将多个用户网络接口复用成一条传输链路，完成远程监控系统端到端的高速据传输。 在我们的视频监控系统中采用的IP网络传输技术。因为它是通过计算机网络进行交流的最常用的协议之一。IP监控解决方案就是通过有线或者无线IP网络把视频信息以数字化的形式来进行传输。只要是网络可以到达的地方就一定可以实现视频监控和记录，并且这种监控还可以与很多其它类型的系统进行完美的结合。正是由于它系统的可扩展性，IP监控逐渐巩固了其在现有监视和远程监控行业应用的地位，也加速了在其他新兴行业的应用。 图3.3 网络监控系统传输图 如图3.3所示，系统中各个设备之间都是通过IP网络进行通信，系统是基于IP的。所有的控制流、数据流、媒体流都是IP流。中心服务器在系统中处于中心控制位置，对系统中各种设备进行集中控制和管理。 3.流媒体技术 第 21 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 在视频监控领域里面，一项重要的功能就是将对各个监控终端迸行录像。录像文件保存在数字录像服务器上，客户端如果想实时查看监控录像并将录像文件下载到木地则需要流媒体技术作为支持保障。 流媒体(Streaming Media)是一种以音视频数据流的方式在网络上传递多媒体信息的技术。与传统的多媒体下载不同，流媒体传输具有实时性和连续性的特点。边播放边一下载的流式传输方式可以使用户不必等待所有的数据下载到本地。采用不同的码率传输，可以使用户在几十Kbit/s低带宽到几十M bit/s高带宽的不同网络环境中都能在线欣赏到连续不断的较高品质的音视频节日。流媒体技术具有十分广泛的应用领域，如在线直播、网络广告、视频监控、视讯点播、远程教育等。 在我们的视频监控系统中的数字录像服务器就“扮演”着流媒体服务器的角色，它将录像文件保存在服务器上，当远端客户选看录像时它就提供边下载边放像的功能。 4.多点处理单元 多点处理单元(MCU)足视频监控系统中的一个主要组成部分，这个概念也是从视频会议中借用过来的。MCU其实就是中心服务器的另一种叫法，因为它处在整个系统的中心和其它所有设备相连，起到多点控制的作用故此得名。MCU是系统多点汇接设备，用于连接系统中的各个监控终端或级联的二级、三级MCU，实现视频切换、语音棍合、系统控制、多画而合成、用户认证、设备分配以及MCU级联等多种功能，是系统中一个多媒体交换机。远程视频监控系统裔要宽带传输，其中的多点控制单元就需要宽带的用户接口和多点的接入能力。多画面方使用户可以看到多个远端现场的图像，便于了解及时掌握各个现场的书与况。远程视频监控系统采用的是MPEG-4频编码技术，多画面就需要对这些高分辨率的视频进行处理和合成。系统的升级和扩容也是远程视频监控系统必须解决的一个技术环节，远程视频监控系统采用MCU级联的方式组成层次性的星形拓扑结构以满足多用户群体的需要。嵌入式、模块化的系统结构也是多点处理单元性能稳定、升级扩容方便的保证。 5.嵌入式技术 由于采用PC机板卡式的视频监控系统存在着诸多的不足之处，当前最新的 第 22 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 视频监控产品都采用了嵌入式的设计。嵌入式系统，一般指非PC系统，有计算机功能但又不称为计算机的设备或器材，它是以应用为中心，软硬件可裁减的，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用处理系统。简单地说，嵌入式系统集系统软件、应用软件与硬件于一体类似于PC中BIOS的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的应用。嵌入式视频监控系统主要把专用视频编解码芯片和各种接口芯片集成，采用专用的底层操作系统。此类视频监控系统的采集设备可集成各种控制接口和信号输入接口，设备采用一体化设计，体积小，工作稳定，功耗小，这种采集设备可以很方便的放置到各种环境下的监控点。由于采用了数字化的视频编解码方式，现场采集设备与监控中心之间通过数据网络互联，不需铺设功能单一的模拟线路。基于嵌入式的视频监控系统的监控中心一般采用两种方式:软件方式或嵌入式。采用软件方式的监控中心利用监控软件与工控机或服务器的配合来实现远程监控;采用嵌入式设计的监控中心则采用专用芯片与底层操作系统，设备一般是一体化或模块化的设计，可靠性好，系统容量大。 基于嵌入式系统的数字监控具体的优点体现在以下几方面: (l)布控区域广泛。嵌入式数字监控系统的Web服务器和终端设备可直接连入网络，没有线缆长度和信号衰减的限制，同时网络是没有距离概念的，因此彻底抛弃了地域的概念，扩展了布控区域。 (2)可组成非常复杂的监控网络。如果采用基于嵌入式Web服务器为核心的监控系统，由于Web服务器输出已完成模拟到数字的转换并压缩，采用统一的协议在网络上传输，支持跨网关、跨路由器的远程视频传输，所以其在组网方式上和基于PC平台的监控方式有极大的不同，能支持更为复杂的监控网络。 (3)性能稳定可靠，无需专人管理。嵌入式数字监控系统采用嵌入式实时多任务操作系统，视频压缩功能集中到一个体积很小的设备内，直接连入局域网或广域网，即插即看，系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高，所以无需专人管理，适合于无人值守的环境。 在我们的视频监控系统中使用嵌入式设备的是前端音视频编码器(视频服务器)，和MCU，这是因为前端音视频编码器需要无人值守，需要极高的可靠性，而嵌入式网络音视频服务器建立在嵌入式处理器和嵌入式操作系统上，采用嵌入 第 23 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 式实时多任务操作系统 (RTOS)和嵌入式处理器，完全脱离PC平台，系统调度效率高，代码和所有参数保存在EPROM中，掉电不丢失，硬盘即插即用。具有极高的可靠性。而嵌入式MCU具有可靠性高，安全性好，容量大，处理能力强，接口类型丰富，扩展能力强的优点在实际应用中取得良好的效果。 第 24 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 4 系统总体方案设计 4.1 视频监控的体系结构 视频监控系统由于需求的不同，可以做出不同的产品。本设计采用一种典型远程视频监控系统，体系架构如图4.1。监视设备对远端场景画面包括声音进行实时采集，通过视频线传给编码器经压缩编码处理后，通过网络将视音频流发往近端或远程监控中心服务器，中心服务器将接入的码流发到解码器或桌面PC。各个桌面PC可以通过Web方式登陆到中心服务器上实现对远端的监控和控制。若系统需要电视墙显示，可在局域网中配置多台解码器，把中心服务器转发来的视、音频流解码后输出到电视墙。中心点还可配置数字录像服务器提供数码录像功能和视频点播服务。从这个流程上可以看出本监控系统由以下单元组成: 编码器:能够实时采集监控现场的模拟图象和声音，并转化成数字格式后进行压缩编码，通过公用或专有网络(以太网、标准EI)进行数据传输;为监控外围设备(摄像机、云台、红外防盗仪等)提供了丰富的控制接口。 解码器:能够从公用或专有网络接收视频和音频数据进行解码，再将解码后获得的媒体格式数据转化成模拟信号，通过显示设备和声响设备，实时显示远端监控场所的状况。 中心服务器:做为视频监控系统的中心设备，远端用户经过认证，使用Web客户端(比如:MicrosoftIE6.0)登陆就可以获得多画面视频监控、视频图象抓拍、电视墙管理、外设控制、录像控制、录像点播等服务。 数字录像服务器:对拍摄下来的视频数据以媒体文件的形式记录下来，并提供点播、回放分析的功能。 客户端:在PC机上通过Web登陆中心服务器，通过中心服务器来做相应的监控操作。 电视端:将解码器解码后的多路模拟信号显示在屏幕上的设备。 第 25 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 图4.1 监控系统流程图 根据网络远程监控系统的需求，设计完成终端编解码模块、中心服务器模块、录像服务器模块、用户管理模块等模块功能。这些功能模块分布到系统中的各细节，这样就可以从用户登陆开始到进入系统，用户管理模块根据用户登录的信息来验证身份的合法性，并根据用户的级别给与不同的用户不同的权限，防范了非法获取视频信息的行为。 终端编解码模块:该部分主要完成将监视设备采集的模拟信号转换成数字信号，并做压缩编码通过公网或者私网传送给中心服务器。 服务器模块:负责所有视音频信号和控制信号的网络传输。以及把客户端的控制信号传送到相应的外部设备。 用户管理模块:用户管理模块实现了用户的分级管理，记录用户的操作日志防止非法用户的登陆操作。 录像服务器模块:多路录放像，方便点播，支持分布式处理业务。 客户端模块:在客户端完成图像和声音信号的接收和解压缩，以及把用户的指令转成相应的控制信号并发送到中心服务器。 接下来的几节里面我就对这些模块作详细的介绍和说明。 4.2 远程视频监视系统硬件设计 4.2.1 系统构成 远程视频监视系统结构(如图4.2)所示. 嵌入式服务器端将摄像头采集到的画面 第 26 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 通过Internet 网发送到视频接收端(客户端) ,客户端可以随时随地连接嵌入式服务器并对被测对象进行视频监视. 控制终端是一个3 英寸的含有触摸屏的彩色LCD 显示器用于现场调试和控制操作,在系统运行时可以脱机.对于嵌入式服务器而言,应具有体积小、易安装以及低功耗等特点,而在软件上应具有易操作、处理速度快等功能. 图4.2 远程视频监视系统示意图 服务器端采用三星公司的S3C2410 微控制器,片内是ARM920T 内核,主频高达203MHz ,芯片带有MMU (内存管理单元) 、USB、LCD 和触摸屏等控制器. 服务器端采用嵌入式Linux 操作系统,具有视频处理功能和良好的网络支持,具备高度的可移植性. 当前发布的Linux 版本已经提供了对S3C2410处理器的支持。 4.2. 2 服务器端的硬件结构 服务器端的硬件结构由LJD - 2410DVK - I 主版[2 ] 、摄像头、LCD (320 ×240) 彩显及触摸屏,主板配有64MB 内存、64MB 的NAND Flash、USB 主机端接口和10MB/ s 以太网接口,其电路结构如图4.3所示. 图4.3 服务器端的硬件总体结构 第 27 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 (1) 摄像头及USB 接口 本系统选用内置OV511 USB 芯片的WEB2EYE2000 摄像头,最高帧速率为30 帧/ s ,最大分辩率为640 ×480 ,并且其输出的YUV 格式数据对MPEG-4 压缩规范有良好的支持。 (2) TFT 显示器及触摸屏 TFT 指薄膜晶体管,是目前最好平板彩色显示设备之一. 本设计采用夏普256 K 色240 ×320/ 3. 5英寸TFT 液晶屏. 触摸屏采用四线电阻式触摸屏。 (3) 网络接口 网卡CS8900A 是一款针对嵌入式应用的低成本局域以太网控制器,是Cirrus Logic 公司生产的10MB/ s 以太网控制芯片,解决了嵌入式系统与以太网控制器的硬件连接,将TCP/ IP 协议嵌入到嵌入式处理器,实现了局域网内或通过局域网在因特网上的数据传输。 (4) 客户端的选择 为了方便客户端的操作和异地上Internet 网方便,客户端采用PC 机+ Windows 操作系统的方案,这样,只需运行客户端软件,通过Internet 网络连接嵌入式服务器,就可以实现远程监视的目的。 4.3 视频监控终端的设计实现 4.3.1 终端编解码模块的作用及构造 终端(编码器和解码器)也称为视频服务器应用在视频监控点现场，完成视音频信号的编码和传输、现场告警信号的采集、现场外设的控制等功能。可以与解码器组成点对点监控系统或与中心平台11护心服务器组成分布式监控系统。在整个监控系统中扮演末端实现的角色。实现从于MPEG4、H264标准的视频编解码、荃于G7llU标准的音频编解码、提供RS2321422/485透明通道以及内部通进实现对现场的可控云台摄像头(PTZ)的控制以及现场串行数据采集传输、提供告警电平输入量的检测上报以及开关信号输出控制报弊设备。所以其功能可分为如下三个部分: 1.网络部分:支持一音视频码流UDP、TCP传输，UDP又有单播、组播两种，控制、网管、版本升级均支持UDP、TCP方式，支持IP，EI(PPP，HDLC)，V35，ADSL(PPPOE)，无线等多种接入方式，支持网管信令方而互控，支持帧重传垂组。 第 28 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 2.媒体部分:支持视频在MPEG4标准下以及音频在G711下的互编互解，支持抽帧编码技术，支持预处理，支持编解码中加字幕，支持多路视频编码、多路视频解码，支持音频回声抵消，支持图像编解码的移动侦测。 3.外设部分:支持多个视频源选路功能，支持现场告警联动。由于编码器要使用在无人值守等领域，所以要采用1汉入式专用系统设计，所谓嵌入式是指采用单主板对图像进行数字处理，不死机。嵌入式网络视频服务器建立在嵌入式处理器和嵌入式操作系统上，采用嵌入式实时多任务操作系统(RTOS)和嵌入式处理器，完全脱离PC平台，系统调度效率高，代码和所有参数保存在EPROM中，掉电不丢失，硬盘即插即用。具有极高的可靠性。如图4.4所示就是一款嵌入式编码器，运行的操作系统: Linux。采用先进的嵌入式处理技术，体积小、功耗低、使用灵活，它可应用于交通、电力、部队、公安、金融、水利、石汕、码头、仓库、小区、学校、政府机关与企事业单位的办事窗口及要害部门等。 图4.4:嵌入式编码器(视频服务器)的前后外观 其前而红色的两个接口是El接口插座，从左至右黄色的接口分别足两个一音频输入输出端日，和四个视频输入端口它支持四个视频端口的任意两路同时编码。它是摄像机云台等设备将现场捕获的场景传入编码器的接口。后而板主要是网络接口和串日接口，网络接口将压缩编好的码流通过公网或私网发送给远端中心服务器，串口是用来控制摄像机云台等设备的通进。此外还有一些灯分别显示当前的网络连接状况，告警状况和编码器运行的状况。 4个复合视频输入接口，可选择1-2路同时编码并可支持视频图像的轮询传送。它支持一路双向的音频传输，可实现接收音频广播和双向语音通信。此外，它还拥有多种串行接口，可控制摄像机、云台等外围设备。具有电平输入输出功能，可接入烟感、温感等传感装置，控制门禁、灯光等外围设备。同时支持专线或以太网的传输模式，并可互为备份。支持组播功能，多用户访问时可有效降低系统占有带宽。支持字幕功能，可在每路视频信号中加入标识字幕。支持DNMP(简单网络管理)协议。 第 29 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 4.3.2 终端编解码模块的体系结构 编码器解码器均是基于IP技术的网络远程视频监控设备。每一台编解码器都有一个固定的IP地址编码器能够实时采集监控现场的图象和声音信息，并转化成数字格式后进行压缩编码，最后通过公用或专有网络，例如以太网、标准El线路等进行数据传输。它还为监控现场的设备，如摄像机、云台、红外防盗仪等提供了丰富的控制接口。解码器能够从公用或专有网络，例如以太网、标准El线路等接收媒体数据，并进行解码然后再将解码后获得的数字格式数据转化成模拟信号，通过显示设备和声响设备，例如模拟监视器(或者标准CRT彩色显示器)、扩音设备，实时显示远端监控场所的状况。 监控业务模块实现监控各种功能，包括码流编解码及传输部分，实时告警控制、字幕提示、摄像头控制(即串口管理部分)，并正确配置各种参数。其总体设计如图4.5所示: 图4.5 终端编码模块框架图 :调度模块是业务总控部分，由它来实现各功能模块的接口调用，各1.调度模块 功能模块作为其成员，实现功能时，调度模块调用功能接口，当功能模块有消息通知调度模块时，采用回调形式，由回调模块决定处理策略，这样减少了各功能模块之间的耦合，也减少了功能模块与调度模块之间的耦合性。 2.终端协议接口模块:负责中心服务器和终端的通信，是二者的“桥梁”。他们之间的信令通信是TCP/IP协议，码流的传输则使用RTP/RTCP协议，山调度模块转发给中心服务器。 3.配置模块:配置终端参数获取与设置、自动生成配置文件。 第 30 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 4.编解码竹理模块:负责对现场采样的模拟信号用MPEG-4标准进行编解码，将编解好的码流传给调度模块，由它来负责码流的分发上传。 5.串口管理:提供RS232/422/485透明通道以及内部通道实现对现场的可控云台摄像头 (PTZ)的控制以及现场串行数据的采集传输。 6.告警管理:告警扫描通过打开一个线程定时扫描各并口端口(在指定时间内和指定策略下)，产生告警或恢复后回调给调度模块，调度模块一方面调用接口模块通知客户端告警产生或恢复，另一方面调用字幕管理模块显示告警字幕。 7.字幕模块:根据设备ID号管理视频源端口字幕显示，实现编码中加字幕、解码中加字幕、告警走读与显示时间、移动侦测告警字幕显示。 第 31 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 5 远程视频监控系统的软件设计 远程视频监视系统的软件设计是基于C/ S (Client/ Server) 构架模式来实现的。服务器端是基于嵌入式Linux 操作系统的,主要功能模块有视频采集、视频压缩、网络传输以及GUI 用户交互界面。客户端的主要功能模块有网络接收、视频解压以及GUI 用户交互界面。 5.1 服务器端软件结构 服务器端软件的功能结构,如图5.1所示。 GUI(QT/E) 用户交互界面 视频处理 应用程序 网络传输 根文件系统 嵌入式Linux操作系统 摄像头驱动LCD驱动 触摸屏驱动 网卡驱动 动 图5.1 服务器端软件功能结构 5.2 软件设计 5.2.1 视频采集 服务器端的视频采集设备为WEBEYE2000USB 摄像头,选择该摄像头的主要原因是其内置的USB 芯片是OV511 , 而Linux 内核已经提供了 (Video4Linux ) 对OV511 芯片的驱动支持, Video4Linux 是Linux内核提供的对视频、音频数据进行采集的统一接口,客户端的Windows 操作系统也提供了类似的接口. 视频图像获取流程,如图5.2所示.在设计中采用了Linux 中的ioct1系统调用,用于除读写之外的其他I/ O 操作. 服务器端对视频数据的采集在软件上采用了双缓冲技术. 第 32 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 首先对摄像头的数据进行采集分为内存映射方式和直接读方式,因此,无需对数据进行拷贝提高了数据获取的效率。 图5.2 视频图像获取流程 5.2.2 视频压缩模块 在运用xv Id core - 0. 9. 1 压缩算法时,为了提高系统的并行性,也采用了双缓冲技术,在compress线程内设有两个本地高速缓存cache [ 2 ] ,当视频获取线程向cache [ 0 ] 内装入获取的原始YUV 数据时,视频压缩线程对cache[1 ] 第 33 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 中的数据进行压缩,如此反复,以提供程序执行的效率. 压缩YUV 数据装载程序流程及视频数据压缩程序流程因篇幅所限不再累赘。 5.2.3 网络传输模块 服务器与客户端通过TCP 建立稳定的连接后,使用基于UDP 的RTP 实时流媒体传输协议进行视频流数据的传输. 当服务器接收客户端的请求并建立了稳定的连接以后,应用程序便开启视频压缩以及RTP 传输线程,对采集得到的视频数据进行实时的传输. 对采集得到的视频进行压缩时,如果采集的图像静止不动,压缩后的数据量在3KB 左右,如果图像为连续运动的,那么压缩后的数据量会增加至5KB以上。 5.2.4 服务器端GUI模块设计与实现 服务器端的功能是采集视频、压缩数据及RTP网络传送,这三个主要功能的实现分别被封装到三类中: Get Image ,Compress ,Send。 这三个功能类均继承自QT/ E 的Q Thread 类, Q Thread 提供了与系统无关的线程,Q Thread 代表在程序中一个单独的线程控制,在多任务操作系统中,它和同一进程中的其他线程共享数据,但运行起来就像一个单独的程序一样。 这样做之后,图形用户界面在它自己的线程中运行,并且处理会发生在其他的线程中,即使处在比较激烈的处理中,应用程序也会响应图像用户界面。 在QT/ E 的应用程序中,只需子类化Q Thread并且重新实现它的run ( ) 函数,就可以使得自己的线程完成相应的功能了。在服务器端的系统中, Get— Image ,Compress 和Send 三个功能类分别重新实现了run () 函数。 5.3 客户端软件设计 客户端软件的功能结构,如图5.3 所示. 第 34 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 GUI界面 视频解压 应用程序 网络接收 WINDOWS操作系统 图5.3 客户端软件的功能结构 5.3.1网络模块 客户端和服务器开始连接时是面向连接的网络服务,在开始交换数据以前,需要在请求服务的进程套接字和提供服务进程的套接字之间建立一个连接,客户端通过connect 函数向服务器发送TCP 连接请求,在connect 函数的address参数中,已经设置好了服务器的IP ( 如192. 168. 0. 10) 以及端口号7070。 在确立了稳定连接后,客户端开始接收由服务器端发送来的视频数据,此任务由RTP Receive 线程执行,RTP 接收数据流的过程如下: (1) Receive Session. Begin Data Access ( ) 开始数据访问; (2) 通过函数Go to First Source With Data ( ) 设置当前的数据源为待获取数据,如果函数返回true ,表明当前存在数据源,则对数据进行接收、解压及显示的工作; (3) Get Next Packet ( ) 函数返回指向RTP 数据包的指针,如果指针不为空,对指针所指数据进行操作; (4) 将解压后的数据写在显存里. Microsoft 针对与设备无关位图(DIB 位图) ,在其WIN32 SDK的Multimedia 中提供了一组绘制DIB 位图的高性能函数组———Draw Dib 函数组. Draw Dib 函数组是一组不依赖于图形设备接口( GDI) 函数,是直接操作显存的函数组. 它们支持8 位、16 位、24 位和32位图像深度的DIB. 客户端运用该函数组的Draw Dib Draw() 函数将转换得到的RGB 位图写在窗口的相应位置。 5.3.2 图像解压模块 客户端图像解压算法同样是由xv Id core -0. 9. 1 MPEG-4 视频编码库来 第 35 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 完成的,运用其解压缩API 函数实现对图像的解压. 如在Dec - main 函数中,XVID– de core 函数的第二个参数XVID - DEC -DECODE 表示对数据进行解压缩. 特别需要注意的是在XVID的在彩色空间存在两种YUV420 类型,分别是I420 和YV12. 服务器端的彩色空间是XVID- CSP - I420 ,所以在客户端解码实现采用的彩色空间也需要是XVID - CSP - I420 ,否则会出现图像颜色偏蓝的现象。 5.3.3 显示技术 客户端使用的Windows 系统带有VideoFor2Windows 函数库对图像进行显示处理,它需要在应用程序的头文件中加入“v f w. h”,并将库vfw32. lib连接到应用程序中,即在VC + + 6. 0 工具栏中选择project 选项,在下拉链中选择settings ,弹出Project Settings 对话框,在对话框内选择Link ,并在Object/library modules 中加入v f w. lib. 这样,便可以利用Windows 提供的VFW API 函数访问视频设备及进行图像处理了。 系统安装调试后,通过Internet 网在异地客户端即可监视图像效果良好。 第 36 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 结束语 在前人研究成果的基础上，本人设计了一种基于Internet的嵌入式远程视频监控系统。该视频监控系统是数字化、网络化的监控系统，系统中各个设备之间都是通过IP网络进行通信，系统是基于IP的。此外该系统采用MPEG一4高效率图像编解码技术和嵌入式设计。可提供高清晰监控图像、软件视音频切换、录放像、远程控制、远程信号采集、全程集中控制等功能。系统既可以采用点对点编解码方式传输监控图像，也可以采用集中监控方式。系统可提供基于PCI服务器的软件架构中心服务平台，也可提供基于嵌入式、模块化的硬件架构中心服务平台，以灵活适应不同的组网和应用需求。所有软件模块均可配置、可裁减，可任意分布在不同的操作系统和不同硬件之上。系统具有集中管理、分级分层管理、营业厅直接受理等多种运营级用户管理模式。系统基于开放式设计体系，具有广泛的兼容性与后期可扩展性。系统可从多方面保证全网的安全性。平台本身的安全性可通过采用嵌入式硬件平台来避免基于Windows、Linux等通用操作系统的安全隐患。该系统己在全国公安、消防、电力、城市交通、GIS地理信息系统、图像识别等各领域中广泛使用取得了良好的效果和巨大的使用价值。 通过以上工作，我对Linux和嵌入式UC Linux操作系统有了比较深入的了解，提高了自己运用C语言进行编程的能力，还了解了Linux网络编程、网页设计、串口通信、图像采集的相关知识。由于时间和本人知识有限，一些系统拓展工作还一待于进一步研究。 第 37 页 共 40页 南华大学电气工程学院毕业设计 参考文献 刘芳,周兴社,任春香. 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