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南京理工大学 硕士学位论文 校园安防系统的设计与研究 姓名：孙勤 申请学位级别：硕士 专业：计算机技术 指导教师：符意德;戴子平 20090301 工程硕上论文校园安防系统的设计与研究 摘要 近年来，危害校园安全、侵害学生权益的案件日益突出，各类针对校园的违法犯罪 现象呈上升趋势，校园安全已经成为一个社会高度关注的热点问题。在过去的几年中， 安防技术不断发展，尤其是校园安防的发展尤为迅速，越来越多的学校从原始的人防、 物防，逐渐过渡到重视技防技术，越来越多的学校开始采用安防方案。 本文在采集、编码、传输几个方面进行研究。主要内容有在嵌入式l i n u x 的平台上 实现网络视频监控；深入研究了m p e g - 4 标准的核心一视频压缩编码，适应视频监控系统 中监控背景变化不大，监控目标明确等特点，对算法进行了研究改进，提高实际应用的 视频压缩率，减少网络传输负荷和对存储介质的占用；在l i n u x 平台下，利用s o c k e t 实现局域网上基于r t p 的视频传输。 本文主要工程实例是盐城技师学院校园安全防范系统设计，根据盐城技师学院的实 际情况确定科学、实用、经济的设计方案，最大化利用校园已有的网络设计进行安防设 计，具体包括闭路电视监控系统的设计思想、传输方式设计、点位设计、系统结构、设 备选型；防盗报警系统的设计思想、传输方式设计、点位设计、系统结构。以及联动报 警的相关设计 关键词：校园安防系统，视频监控，数据采集，编码，视频传输 a b s t r a c tt 程硕i j 论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，v a r i o u st y p e so fv i o l a t i o n sc h a n g e su p w a r dt r e n d c a m p u ss e c u r i t yh a s b e c o m eas o c i a li s s u eo fg r e a tc o n c e r n m o r ea n dm o r es c h o o l sb e g a nt os a f e t yp r e c a u t i o n s j i a n g s uy a n c h e n gi n s t i t u t eo ft e c h n i c i a n sh a sd e v e l o p e dv e r yr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，f o r e x a m p l et h es c a l ei sg r o w i n g ，t h en u m b e ro fs t u d e n t sa reg r o w i n g a ne f f e c t i v es o l u t i o nt ot h e c u r r e n ti s s u eo fc a m p u ss e c u r i t yp r e s e n c eh a sb e c o m eam a j o rt a s k i nt h i sp a p e r , w er e a l i z et h ef u n c t i o no ft h en e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c eo ns e r v i c es i d e ， b a s eo nt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e m t h i sp a p e rm a k e sad e e pr e s e a r c hi n t ot h ec r u c i a l t e c h n o l o g yo fv i d e oe n c o d e ，an e wc o n c e p ti nm p e g - 4s t a n d a r d t h em a i nc o n t e n ti sc a m p u ss e c u r i t ys y s t e md e s i g no fj i a n g s uy a n c h e n gi n s t i t u t eo f t e c h n i c i a n s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no fj i a n g s uy a n c h e n gi n s t i t u t eo ft e c h n i c i a n s ，w e m a x i m i z et h eu s eo ft h ee x i s t i n gc a m p u sn e t w o r k t h em a i nc o n s i d e r a t i o ni si ns c i e n c e ， p r a c t i c a l ，e c o n o m i cp r o g r a m m e sa n ds oo n s p e c i f i cc o n t e n t sa l ed e s i g no fm o n i t o r i n gs y s t e m ，t r a n s m i s s i o nd e s i g n ，p o i n td e s i g n ， s y s t e m f la m e ，e q u i p m e n ts e l e c t i o n k e y w o r d s ：c a m p u ss e c u r i t y ，s e c u r i t ya n ds a f e g u a r ds y s t e m ，m p e g - 4 ，v i d e 0 4 l i n u x v i d e ot r a n s m i s s i o n 工程硕l 论文 校园安防系统的设计与研究 图表目录 图2 3 1 视频采集流程图8 图3 3 1 帧内编码总框图1 5 图3 3 2 宏块编码总框图1 6 图4 1r t p 传输应用2 1 图4 2 1 类关系图2 5 图4 3 1r t c p 包发送流程2 8 图5 2 1 拓扑结构图3 2 图5 2 2 校园视频监控专网4 3 图5 2 3 集中存储系统结构图4 8 图5 2 4 解决方案图4 9 图5 2 5 视频监控控制系统拓扑图5 1 图5 3 1 报警系统拓扑图5 5 图5 4 1 报警系统总体结构5 6 表格目录 表3 3 1v o p c o d e s h a p e t e x t i n t r a c o m 输入输出对照表1 5 表5 2 1 南校区分控中心一布点3 3 表5 2 2 西校区分控中心二布点3 5 表5 2 3 东校区分控中心三布点3 6 表5 2 4 总控中心布点3 8 表5 2 5 视频压缩方法比较“ 表5 2 6 摄像头容量分配4 9 v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：丕! ! ：纽口0 年4 月，上日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 口7 年l j l 月，毛日 工程硕卜论文校园安防系统的设计与研究 1 概述 近年来，危害校园安全、侵害学生权益的案件日益突出，各类针对校园的违法犯罪 现象呈上升趋势，校园安全已经成为一个社会高度关注的热点问题。在过去的几年中， 安防技术不断发展，尤其是校园安防的发展尤为迅速，越来越多的学校从原始的人防、 物防，逐渐过渡到重视技防技术，越来越多的学校开始采用安防方案。对于校园这一特 定的小区环境，必须利用有效的科技手段和管理方法对其进行稳定的、长期的实时监控， 保证校园的安全，积极寻求改变学校的安全防范手段和途径，使校园的安全防范模式不 断向信息化、综合化、网络化和主动化方向发展，才能适应日益发展的社会要求。如何 有效解决当前校园安全存在的问题，确保校园安全，已经成为目前安防领域研究的一个 重要命题。 1 1 校园的安防特点 1 、场地分散、面积大 学校是个特殊的场所，场地分散、区域广、校园建筑多样化。除了必要的教学设施 如教学楼、实训楼、实验室、信息中心、图书馆、实验室和学生宿舍、运动场之外， 还包括食堂、商场、住宅和其他各类具有特定服务功能的建筑物。另外，近些年，各个 学校为了适应招生规模增加的需要，纷纷开辟和建设新校区，使得校园的构成又形成了 跨区域的新特点。 2 、人员数量多、结构复杂 随着学校规模的不断扩大，一般规模的学校在校生人数都达n - - 万人以上。除此以 外，身份难以确认的流动人口较多，如学生家长、学校超市、食堂等各类服务机构的员 工者以及其他等，使得校园的人员构成日趋复杂。 3 、安全隐患多 常见安全隐患如学生由于用电常识差、或是半夜点蜡烛等原因引发火灾； 由于学生宿舍是集体宿舍，宿舍物品被盗事件( c d 、相机、电脑) 时常发生； 实验室财物被盗事件时常发生； 餐厅、运动场发生骚乱事件时常发生 1 2 校园安防研究内容 1 2 1 校园安防对象 校园安防对象是校园内所有建筑物安全和校园内所有人员的安全，要确保校园内的 i 概述t 程硕1 j 论文 教师和学生以及其他相关人员的人身安全和健康，保证校园设施、财产和环境的安全。 校园安全管理的重点在于要消除不安全因素，确保校园安全和稳定，预防事故和违 法事件的发生。从技术的层面去考虑或实施，提出具体的方法和手段，借助技术手段的 辅助，强调以人防为主、技术手段为辅助的安全管理思想，以达到确保校园安全稳定之 目的。 1 2 2 校园安防需求 针对学校存在的众多安全隐患，通过深入的分析和考察，为了有效地维护校园秩序 和安全，保障学校教学、科研工作地顺利进行，以及为学生及老师们的学习和生活营造 更好的安全环境，在进行安防系统设计的时候，按照学校对安防的基本需求，本着架构 合理、安全可靠、产品主流、低成本、低维护量的原则，设计先进、安全、可靠、高效 的全方位监控报警系统解决方案。 l 、根据教学楼、宿舍、球场、不同的出入口等不同区域的实际监控需要，运用电视 监控、防盗报警探测、计算机技术、现代通讯等技术形成安全防范体系达到综合安保和 现场观察、监控的目的。 2 、系统主要包括：防盗报警、电视监控等子系统。各个子系统之间应能根据需要进 行可靠地联动，以满足不同的功能要求。 3 、系统设计与设备配置应遵循结构化、模块化、标准化的原则，保证系统的先进性、 实用性和合理的性能价格比。采用的产品应是经技术防范行业认证或检测合格的产品。 4 、系统应采用集中监控方式，应能对各子系统运行状态进行监测和控制，对现场监 测报警进行自动检测，子系统之间应能很好地实现联动。 5 、系统应具有较好的兼容性，能方便地实现系统功能扩展和系统扩容。 6 、系统采用数字记录方式实现图象、数据等信息的存储。 7 、系统能与网络实现无缝连接，可以利用网络授权设置分控，利用网络进行授权范 围的监控操作和网上浏览。 8 、系统采用中文界面，具有电子地图和联动响应提示、报警功能。 9 、系统应采用集中供电方式，信号线与电源线隔离，以防干扰。 1 0 、设置不问断电源，保证系统供电。 1l 、系统( 含机房) 必须考虑防雷接地设计及相应配置。 1 2 3 校园安防设计要求 1 、架构合理：采用先进合理的技术来架构系统，使整个系统安全平稳的运行，并具 备未来良好的扩展条件。 2 、稳定性和安全性：只有稳定运行的系统，才能确保学校网络监控系统平稳运行。 2 工程硕上论文校园安防系统的设计与研究 系统的技术先进性是系统高性能的保证和基础，同时可有效地减少使用人员和系统维护 人员的麻烦。良好的可扩展性则是为了用户的发展考虑。随着安防系统应用时问的增长， 未来对安防系统的要求会更高。可扩展性保证当用户有更多的要求时，引入的新设备可 以顺利地与本次配备的设备共同工作，进一步扩展与提高系统的性能。 3 、产品主流：系统是否采用当今主流产品，关系到系统的整体质量和未来能否得到 良好技术支持以及完整的技术文档资料。在设备选型时，主要依据学院安防的具体需求， 同时考虑产品厂家的技术先进性，产品是否为主流产品，保证得到良好技术支持。 4 、低成本低维护量：系统有良好的性能价格比，采用的产品确保简单、易操作、易 维护、高可靠度。系统是否具有优良的性能价格比是判断一个系统优劣条件的重要依据。 系统的易操作和易维护性是保证非专业人员使用好一个系统的条件。高可靠度是保障系 统运行的基本要求，也是易维护性的保障。 1 3 校园安防系统的组成 图1 3 1 校园安防系统组成图 报警子系统、监控子系统构成技防与人防相结合的校园安防系统，报警与监控子系 统可实现同一平台上的系统集成。 1 3 1 监控子系统 视频监控专用网在系统平台支持下进行远程实时视频调用、监控、管理、抓拍录像 并保存、检索回放功能。 1 3 2 报警子系统 报警系统对于各分区域报警系统的报警信息，能够以多媒体电子地图的方式直观显 示，并自动生成历史记录。能够和闭路电视监控系统有机的结合，完成相关的报警联动 3 i 概述工程硕l ：论文 功能。 1 4 本文所研究的内容 1 4 1 课题来源 本文的课题来源于江苏盐城技师学院综合安防系统的设计项目。江苏盐城技师学院 是国家级重点技师学院，随着我国职业技术教育水平的不断发展，国家对职业技术教育 越来越重视，经过近十年的发展，江苏盐城技师学院从原来的技工学校发展成为一个在 校生达两万三千多人的重点技师学院，随着学院规模的不断扩大，校园的建设规模和各 种教学基础设施也有了较大程度的改善。为了适应学校建设与发展的需要，保证学校校 园及周边地区的良好稳定的治安环境，学校于2 0 0 7 年决定实施校园综合安防系统。本文 的研究就是以此项目的实施为基础，针对校园这一特定的人群聚居环境的安全防范系统 的设计理论和方法展开研究，以期提出一套适合于校园安全管理特点的综合安防系统设 计方法，实现构建稳定、和谐校园的目的。 本文在研究过程中，主要通过江苏盐城技师学院综合安防系统项目的设计实施和对 兄弟院校校园安全管理的实际调研，以及查阅相关文献资料等途径获得本领域研究和发 展的最新状况，为课题的研究工作提供了重要的参考。 1 、作者作为江苏盐城技师学院校园综合安防系统工程的负责人，参与了该工程实施 的全过程，包括工程设计，设备选型和项目施工组织，可以了解各种技术和设备的工作 原理和运行状况，能够参与校园安全管理的决策过程。因此能够为研究的深度和实用性 提供可靠的保证。 2 、通过对国内外高校校园安全管理状况的调研，获得国内外有关安全防范体系设计 和建设的第一手资料。作者在研究的过程中先后调研了江苏省内的多家大专院校，并利 用出国访问的机会，调研了欧洲的一些大学的校园安全管理的现状，对课题的研究均提 供了很大的帮助。 3 、江苏盐城技师学院校园综合安防系统实施已近一年时间，系统实施后的各种效果 也正在显现之中，各种调查统计为本文的实证研究部分提供了大量丰富的可供参考的基 础资料。 1 4 2 本文研究的内容 校园综合安防系统设计的问题研究目前在国内尚不普遍，系统性的描述和论证校园 安全防范系统的设计理论和设计方法也不多见。因此，对该问题的研究很有必要，并且 应当有所创新和突破。本文作者在研究基础薄弱和经费欠缺的情况下，力图找到校园综 合安防系统设计的基本思路和方法，并力求将其应用于实例之中。 4 t 程硕l 论文 校园安防系统的设计与研究 本文的主要研究内容包括有： l 、确定校园安防系统的特点。针对校园这一特定的人居环境提出综合安防系统的实 际方法。 2 、提出构建智能化校园的一些基本思想和以智能化校园为基础的校园综合安防系统 的主要组成和功能。 监控系统：监控系统能与报警系统联动，能自动把现场图像切换到指定的监视 器上显示，并自动录像。监控系统能对所需监控的重要部门和对象进行2 4 小时 长时间的监控和录像。监控系统能与集成管理系统联网，集成管理系统能对电 视监控集中管理和控制。前端摄像系统具有多摄像机输入、多画面显示功能； 能至少2 5 帧秒路实时记录文件，且能视、音频同步记录。系统具有多用户， 多级密码管理，操作权限设置，以提高系统的安全性；系统应有完善的工作日 志可记录用户的每一个操作信息，可设置日志保留天数。 报警系统：报警系统能按时间、区域部位任意编程或撤防。报警系统能对运行 状态和信号传输线路进行检测，能及时发出故障报警和指示故障位置。报警系 统能与监控系统可靠、快速联动。当有非法入侵时，能及时联动相应的摄象机 进行现场监视，并将图象弹出显示在主监视器上，监控中心同时还应有声光报 螫 嗣0 3 、详细地对涉及到校园综合安防系统稳定性和可靠性的的关键技术的基本原理和主 要功能进行了分析，为设备的选择提供了重要的参考基础。如：视频安防监视技术、信息 采集技术、视频编码技术、视频传输技术、存储技术等。 5 2 视频信息采集技术t 程硕l ：论文 2 视频信息采集技术 2 1 视频采集部分硬件介绍 论文采用的摄像头是w e b e y e v 2 0 0 0 ，它内部使用的芯片是美国o m n i v i s i o n 公司的 o v 7 6 2 0 i 1 1 和o v 5 1 11 2 l 芯片。其中o v 7 6 2 0 是彩色c m o s 图像采集芯片，能够以每秒3 0 帧 的速率把采集的图像整合成6 4 0 x 4 8 0 的图像阵列，并且可以通过多种格式的形式输出给 图像处理芯片o v 5 1 l ，主要是8 位1 6 位的数据输出形式：y c r c b 4 ：2 ：2 、g r b 格式和原 始r g b 格式，这些输出格式的控制可以通过编程得以实现。o v 5 1 1 主要功能是处理o v 7 6 2 0 给它的输入图像，它的数字图像输入也可以有多种格式：1 6 位的y u v 4 ：2 ：2 或原始的r g b 格式，或者8 位的原始r g b 格式，但是它并不支持所有的输入图像格式。当它的输入 格式为1 6 位的y u v 4 ：2 ：2 时，则摄像头接口的输出可以配置成y u v 4 ：2 ：0 、y u v 4 ：0 ：o 或 者w v 4 ：2 ：2 。 在此之所以选择这款摄像头主要原因有以下几点： l 、对于这款芯片的驱动支持现行的l i n u x 版本，采用这款芯片可以节省不少开发驱 动的时间。 2 、它的输出格式可以配置成y u v 4 ：2 ：0 ，这正好是m p e g 4 编码时要求的格式，而 m p e g - 4 编码是本文所研究的视频数据的编码方式。 2 2 在l i n u x l 4 i 下加载v 4 l 和o v 5 1 1 芯片驱动 在l i n u x 下加载驱动程序可以采用动态和静态两种方式。静态加载就是把驱动程序 直接编译到内核里，系统启动后可以直接调用。静态加载的缺点是调试起来比较麻烦， 每次修改一个地方都要重新编译下载内核，效率较低。动态加载利用了l i n u x 的m o d u l e 特性，可以在系统启动后用i n s m o d 命令把驱动程序( o 文件) 添加上去，在不需要的时候 用r m m o d 命令来卸载。在台式机上一般采用动态加载的方式。在嵌入式产品里可以先用 动态加载的方式来调试，调试完毕后再编译到内核里。针对动态加载的优点，本文主要 采用动态加载方式将o v 5 1 l 芯片和v i d e 0 4 l i n u x 两个模块加载进内核。( 在加载模块前， 必须在宿主机即p c 机上建立交叉开发环境，安装交叉编译器例c r o s s2 9 5 3 t a r b z 2 。) 2 2 1 动态加载步骤 在l i n u x 的k e r n e l 目录下m a k em e n u c o n f i g 。 选择m u l t i m e d i ad e v i c e 一 下的v i d e of o rl i n u x 。 在u s bs u p p o r t 一 目录下 选择s u p p o r tf o ru s b 和u s bc a m e r ao v 51ls u p p o r t 。 6 工程顾l ：论文 校园安防系统的设计与研究 保存退出。 m a k ed e p ：m a k ez l m a g e ；m a k em o d u l e s 然后就在d r i v e r u s b 下生成o v 511 o ，同时 生成的z l m a g e 自动放在t f t p b o o t 下。 用新内核启动板子后i n s m o do v 5 1 1 o 就可以成功加载。 动态方式与静态方式相比，测试时要简单的多。不需要下载整个内核，只需通过n f s ， 加载驱动即可测试。在测试成功后就可以编译进内核。 加载完必需的驱动后，就能利用l i n u x 提供给上层应用程序的接口函数v i d e 0 4 l i n u x 实现摄像头的视频采集功能了。 2 2 2v i d e 0 4 l i n u x 的介绍 v i d e 0 4 l i n u x ( v 4 l ) 是l i n u x 的影像流系统【1 0 1 与嵌入式影像系统f 1 0 1 的基础。l i n u x 在多 媒体的应用中v i d e 0 4 l i n u x 起着重要的作用。v i d e 0 4 l i n u x 是l i n u x 内核里支持影像设备 的一组a p l ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) ，配合适当的视频采集卡及其驱动程序， v i d e 0 4 l i n u x 就可以实现影像采集、a m f m 无线广播、影像c o d e c 、频道切换等功能， 其应用相当广泛。 v i d e 0 4 l i n u x 分2 层式构架，最上层为v i d e 0 4 l i n u x 驱动程序本身，最下层为影像设 备的驱动程序，在这就是摄像头内o v 5 1 1 芯片的驱动程序。在图像采集设备的驱动安装 后，只需编写对视频采集的应用程序就可以采集视频图像了。在l i n u x 中，视频设备是 设备文件，可以像访问普通文件一样对其进行读写，摄像头设备对应的是d e v v i d e 0 0 。 通过v i d e 0 4 l i n u x 提供的a p i 程序就能实现对视频设备d e v v i d e 0 0 的各种操作。具体的 a p i 程序可以参考u s r i n c l u d e l i n u x 目录下的v i d e o d e v h 和v i d e o d e v c 文件。现在虽然出 现了v i d e 0 4 l i n u x 的改进版本v i d e 0 4 l i n u x2 ( v 4 l 2 ) ，但主流的还是v i d e 0 4 l i n u x 。在这 我们也主要介绍v i d e 0 4 l i n u x 的a p i 功能函数，并实现视频采集的功能。 2 3 基于v i d e 0 4 l i n u x 的视频采集模块设计 2 3 1 视频采集的流程 7 2 视频信息采集技术 t 程硕i ：论文 图2 3 1 视频采集流程图 视频采集的软件实现f s l 1 1 1 如图，设备驱动安装后，对摄像头设备的操作跟l i n u x 下对 文件的操作一样。首先是打开视频设备，打开设备后对设备初始化，包括采集图像的大 小，帧缓冲区的个数，以及灰度、亮度等信息。然后为采集的图像分配内存，为图像的 处理做准备。接着进行实时采集，对采集的一帧进行编码处理，根据系统进程的信号量 判断是否继续采集。在这用内存映射方式采集视频，采集的具体过程如下： m m a p o 系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被 映射到进程地址空间后，进程可以向访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用 r e a d ( ) ，w r i t e ( ) 等操作。采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高，因为进程可 以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。其中所用到的主要函数有： ( 1 ) 打开设备 i n tv 4 l ，o p e n ( c h a r d e vv 4 1d e v i c e * v d ) 8 9 t 程硕上论文校园安防系统的设计与研究 i f ( ! d e v ) d e v = d e v v e d i 0 0 ”； i f ( ( v d - f d = o p e n ( d e v ，o _ r d w r ) ) f d ，v i d i o c g c a p ，& ( v d - c a p a b i l i t y ) ) c a p a b i l i t y 各分量。 ( 3 ) 读v i d e o _ p i c t u r e 中信息 h a tv 4 l _ _ g e tp i c t u r e ( v 4 1 _ d e v i c e v d ) i f ( i o c t l ( v d - f d ，v i d i o c g p i c t ，& ( v d p i c t u r e ) ) c a p a b i l i t y 中的信息) i n tv 4 1 _ g e t _ c h a n n e l ( ( v 4 l d e v i c e 幸v d ) i n ti ； f o r ( i = 0 ；i c a p a b i l i t y c h a n n e l s ；i + + ) v d - c h a n n e l 【i 】c h a n n e l = i ： i f ( i o c t l ( v d - f d ，v i d i o c g c h a n ，& ( v d - c h a l m e l i ) ) f d ) ； r e t u r no ； ) 此外程序通过调用i o c t l 函数对设备控制，完成视频采集的任务。i o c t l 函数中主要的 设备控制命令有： v i d i o c g c a p ：获得v i d e o - c a p t u r e 中有关摄像头的信息； v i d i o c g p i c t = 读取v i d e o - p i c t u r e 中的关于图像的信息，包括图像的亮度、色 度、对比度等： v i d i o c s p i c t ：在用户空间中改变图像信息； v i d i o c g m b u f ：获得摄像头存储缓冲区的帧信息： i 0 工程硕上论文 校园安防系统的设计j 研究 v i d i o c a m c a p t u r e ：获取视频图像； v i d i o s y n c ：判断视频图像是否截取成功。 2 3 2v i d e 0 4 l i n u x 重要的数据结构 在图像采集设备驱动安装后，只需要编写一个对视频采集的应用程序就可以采集视 频图像了。v i d e 0 4 l i n u x 应用程序中常用的数据结构主要有： 1 ) s t r u c tv i d e o _ c a p a b i l i t y 包含设备的基本信息，如设备名称、支持的最大最小分辨率、 信号源信息、信道数等。 c h a rn a m e 3 2 ：产设备名称奎 i n tt y p e ：户是否能捕捉，彩色还是黑白，是否能裁剪等宰 i n tc h a n n e l s ；信号源个数幸 i n ta u d i o s ：严声音设备个数木 i n tm a x w i d t h ；严最大分辨率的宽度 i n tm a x h e i g h t ；产最大分辨率的高度木 ) ： 2 ) s t r u c tv i d e o _ p i c t u r e 设备采集图像的各种属性 _ u 16b r i g h t n e s s ；尸亮度0 - 6 5 5 3 5 幸 u 1 6h u e ；严灰度 _ u 16c o l o u r ； u 1 6c o n t r a s t ；宰对比度宰 u 1 6w h i t e n e s s ；产只支持黑白颜色j i _ u 16d e p t h ；户捕获的深度幸 u 16p a l e t t e ： ) ； 3 ) s t r u c tv i d e oc h a n n e l 关于各个信号源的属性 i n tc h a n n e l ：产信号源的编号宰 c h a rn a m e 3 2 ； i n tt u n e r s ； 3 2f l a g s ： 3 2n o r m ； 2 视频信息采集技术 工程硕l ：论文 1 2 ) ； 4 ) s t r u c tv i d e o _ w i n d o w 表示采集窗口参数 一u 3 2x ，y ；奎窗口的位置，- 一u 3 2w i d t h ，h e i g h t ；严信号源的大小+ u 3 2c h r o m a k e y ； u 3 2f l a g s ； s t r u c tv i d e o _ c l i p _ u s e r c l i p s | 噎s e to n l y | i n tc l i p c o u n t ； ) ； 5 ) s t r u c tv i d e o _ m b u f 利用m m a p 映射获取数据时的帧的信息 i n ts i z e ；产帧的大小毒 i n tf r a m e s ；户帧数目 i n to f f s e t s v i d e q m a x _ f r a m e ； ) ； 6 ) s t r u c tv i d e o b u f f e r 最底层对缓冲器的描述 v o i d * b a s e ； i n th e i g h t ，w i d t h ； i n t d e p t h ： i n tb y t e s p e r l i n e ； ； 7 ) s t r u c tv i d e o _ m m a p 用于内存映射 u n s i g n e di n tf la m e ； i n th e i g h t ，w i d t h ； u n s i g n e di n tf o r m a t ；应该为v i d e q p a l e t t e * 格式牛 ) ； t 程硕上论文校冈安防系统的设计。j 研究 3 视频编码技术 3 1 视频压缩的必要性和可行性 3 1 1 视频压缩的必要性i 圮i 图像信号的数字化在图像处理中有一系列的优点，然而数字化后的图像数据却相当 庞大，如果不经过压缩处理，对视频图像进行存储或者传输都是不现实的。例如：多媒体 中的一幅6 4 0 4 8 0 的2 5 6 色彩图像所占的数据量为3 0 0 k b ；动态视频要求每秒播放2 5 3 0 帧图像，因而以6 4 0 x 4 8 0 的窗口播放2 5 6 色彩色视频图像，就要求每秒处理9 m b 左右的 数据，即使采用一片容量为7 2 0 m b 的c d r o m 盘也仅能存储约8 1 9 秒的动态视频。同 时，普通p c 机i s a 总线的数据传输率最大只能达到5 m b 秒。因此，不进行图像压缩编 码给存储器存储容量传输信道的传输率及计算机的处理速度等方面增加极大的压力。而 为进行多媒体数据的实时处理，必须采用某些技术例如视频数据压缩技术n 叨来降低多媒 体数据的数据量。 3 1 2 视频压缩的可行性 一般说来，在帧内以及帧与帧之间，众多的视频序列均包含很大的统计冗余度和主 观冗余度。码率压缩系统的工作是根据视频信号的特点去除传输之前编码器输入信号中 的冗余信息，并在解码器中的恢复这些冗余信息。视频信号有以下几个特点： l 、视频信号的空间冗余度 空间冗余是在图像数据中经常存在一种冗余。在任何一幅图像中，均有许多灰度或 颜色都相同的邻近像素组层的局部区域，它们形成了一个性质相同的集合块，即它们之 间具有空间的强相关性，在图像中表现为空间冗余。空间冗余在空间域表现为相邻像素 之间像素值的相同或相识，可以采用帧内预测编码消除空间冗余：在频域中表现相同的频 率上，可以采用傅立叶变换等一些变换编码消除空间冗余。 2 、视频信号的时间冗余度 时间冗余是活动图像和语音中经常包含的冗余。活动图像中两幅相邻的图像有较大 相关性，这反映为时间冗余。这种时间冗余可采用帧间预测编码来对它进行消除。 3 、心理视觉冗余 视觉冗余度是相对于人眼的视觉特性而言的。人眼对亮度信号比对色度信号敏感， 对低频信号比对高频信号敏感，对静止图像比对运动图像敏感，以及对图像水平线条和 垂直线条比对斜线敏感等。因此，包含在色度信号、图像高频信号和图像中的一些数据 并不能对增加图像相对于人眼的清晰度做出贡献，而被认为是多余的，这就是视觉冗余 1 3 3 视频编码技术工程硕i ：论文 度。压缩视觉冗余度的核心思想就是去掉那些相对于人眼而言看不到或者可有可无的图 像数据。 4 、知识冗余 人们通过认识世界而得到某些图像所具有的先验知识和背景知识，由此带来的冗余 称为知识冗余。例如，人脸的图像有固定的结构，嘴的上方有鼻子，鼻子的上方有眼睛， 鼻子位于正脸图像的中线上等等。这些规律的结构可以由先验知识和背景知识得到，因 此这类信息对一般人来说是冗余信息。要消除这种知识性冗余，需要识别和理解图像的 含义，可采用智能编码的方式消除冗余。 5 、结构冗余 有些图像从大域上看存着非常强的纹理结构，我们称它们在结构上存在有冗余。可 以采用轮廓编码的方式来消除结构冗余。正因为视频信号存在大量的冗余信号，所以对 它们进行编码以消除其冗余的信号是可行的而如何尽最大可能去消除这些冗余信号也是 视频编码的主要研究对象 3 2m p e g - 4 标准 m p e g - 4 n 钉是基于对象的交互式多媒体数据处理的国际标准。m p e g - 4 的初衷主要是针 对视频会议、可视电话超低比特率压缩编码的需求，在制定过程中，人们对多媒体信息， 特别是视频信息的应用需求由播放型转向基于内容的访问、操作。同时基于内容的编码 方法有了新进展，m p e g 一4 修改了计划，引入了视听对象及其描述、场景描述、传输多媒 体集成框架( d m i f ：d e l i v e r ym u l t i m e d i ai n t e g r a t i o nf r a m e w o r k ) 以及上载码流等概念 来支持基于内容的交换型多媒体应用。同时m p e g - 4 支持将自然信息与合成信息进行组 合，包括图像与自然景物、合成声音与自然声音的组合。m p e g - 4 是i s o 继m p e g - 2 之后 的又一个非常成功的数字视频标准，它着眼于三个方面，一是数字电视，二是交互式图 形应用，三是交互式多媒体应用。m p e g - 4 标准有很多新的功能，可粗略划分为3 类：基 于内容的交互性、高压缩率、灵活多样的存取模式。和前面的几个协议相比，m p e g - 4 最 突出的特点是它第一次提出了基于内容的编码思想，利用这一思想，可以实现前所未有 的交互功能。 3 3m p e g - 4 编码器帧内编码 帧内编码的功能是实现v o p 帧内纹理编码，它包括了组合形状编码模式和纹理编 码模式，它不借助于其他的参考帧，而是单独进行编码。编码针对一个v o p 中的每一个 宏块( m a r c ob l o c k ，m b ) 进行。 帧内编码的函数为v o p c o d e s h a p e t e x t i n t r a c o m ，函数的输入输出如表5 2 所示，它的 1 4 t 程硕上论义校园安防系统的设计与研究 主要部分是一个二重循环，对每一个宏块( m b ) 进行编码。每一次循环，即每一次对m b 的编码主要分为三个步骤：宏块的变换、量化及重构；各种编码系数的编码；变换及量 化的结果编码。以上三个步骤由c o d e m b 、b i t s c o u n t m b c o m b i n e d 、m b c ：o d e c o e f f 三个函数来完成。 表3 3 1v o p c o d e s h a p e t e x t i n t r a c o m 输入输出对照表 v o p c o d e s h a p e t e x t i n t r a c o m 输入输出对照表 变量描述 当前将要进行编码的视频 函数输入 v o p c u l t 对象平面 是否不允许帧内d c 频段 i n ti n t r a _ d c p r e d _ d i s a b l e 预测控制 视频对象平面转换为视频 i m a g e 幸a b _ s i z e c o n v e r s i o n d e c i s i o n s 宏块过程中的块大小 i m a g e a b _ f i r s t _ m m r _ _ v a l u e s 最大宏块阂值 v o l c o n f i g 木v o l _ e o n f i g 设置信息 i n tr e _ t y p e比特率控制类型 函数输出 v o p r e c _ e u r r 当前重建的视频对象平面 i m a g e 宰t e x t u r e _ b i t s t r e a m 输出比特流 b i t s * b i t s数据统计信息 宏块编码的总体实现过程如图3 3 1 所示。 一 执行d 。d c a c p r e d 函数 上 执行b i t s 。a n t m b c o m b i n e d 函数i 图3 3 1 帧内编码总框图 1 5 3 视频编码技术t 程硕 ：论文 c o d e m b 函数编码、解码重建的视频宏块，将原始数据进行d c t 变换和量化，保存 变换和量化后的结果，并逆量化和逆d c t 变换得到重构的视频宏块。在c o d e m b 里针 对每个块进行变换和量化，变换和量化的具体实现方法在下面继续详细讨论。该步骤地 总体实现过程如图3 3 2 所示。 d c t 变换 上 量化 1 l 逆量化 上 i 逆。c t 变换 1 l 重构 图3 3 2 宏块编码总框图 b i t sc o u n t m bc o m b i n e d ：实现对编码器参数如c o d i n g m o d e ，q p 等进行v l c 编码 ( 可变长编码) 。 m bc o d e c o e f f ：实现对第一步变换和量化的结果的编码，如果进行了a c d c 预测， 则先对d c 系数进行d p c m ( 线性脉冲编码调制) 编码和v l c 编码，再对a c 系数进行r l c 编码和v l c 编码。如果没有a c d c 预测，则统一的对变换系数进行r l c 编码和v l c 编码。下面介绍d c t 变换、量化和量化系数编码的实现。 l 、d c t 变换 d c t 变换以8 8 的块的单位进行处理，即n = 8 。 d c t 变换是视频编码中的关键算法，因为它的运行次数多，运算量大，其变换的快 慢直接影响编码的速度，在这里采用将二维d c t 分解为行向的一维d c t 计算和列向的 维d c t 计算的组合运算的方法来实现d c t 变换，以减少运算的复杂度，提高变换的 速度。当n = 8 时，一维d c t 变换的变换公式为： 1 6 t 程硕上论文 校同安防系统的设计0 研究 c ( o ) - 据妻m ) u = o ； c ( t ，) = = 圭，( ，r ) c c ，s3 半 u ：l ，2 ，3 ，7 实际实现时，首先对变换系数进行初始化，c 【8 】【8 】为变换系数。初始化代码示例如下： f o r ( i = 0 ；i 0 & & q p 4 & & q p 8 & & q p 0 & & q p 4 & & q p = 0 ) ? l e v e l ：一l e v e l ； q c o e f f i l = m i n ( 2 0 4 7 ，m a x ( 一2 0 4 8 ，r e s u l t ) ) ； ) * a c 系数的量化 e l s e * i n t e r 类型块宰 s t e p = 2 q p ； o f f s e t = q p 2 ； f o r (