（信号与信息处理专业论文）基于cdma+1x视频监控终端的设计.pdf

摘要 摘要 随着计算机网络和通信技术、多媒体技术的快速发展，出现了结合计算机网 络技术、多媒体技术以及无线网络技术的数字视频监控系统。数字监控系统具有 传统模拟监控系统无法达到的优点，正逐步取代模拟监控，广泛应用于各个行业。 本文对视频信号的采集、压缩、嵌入式技术和无线网络通信等方面进行了简 要介绍和系统可行性分析，将系统分为客户端( 无线终端) 和服务器端两大部分， 并对无线终端视频压缩模块和网络通信模块进行重点讨论。 在视频压缩模块中，本设计首先采用a d ib l a c k f i n 5 3 3d s p 的p p i 口来接收 解码芯片a d v 7 1 8 3 输出的y u v 视频数据，接着将视频数据进行m p e g 4 压缩，最后 将压缩后的编码数据通过s p i 口用d m a 方式发送给网络通信模块。在m p e g 4 压缩 部分文章也研究了m p e g 4s p 编码算法的原理，改进了复杂耗时的算法，再通过内 存优化，结构优化和汇编优化，最终该模块实现了实时编码。 网络通信模块则是采用p h i l i p s 公司a r m 7 系列的l p c 2 2 1 0 为核心，通过串口 外接一块c d m am o d e m 用来进行无线通信，在a r m 7 平台上移植u c l i n u x 操作系统、 设计s p i 驱动程序、实现p p p 无线拨号上网和相应的网络通信程序等。 在网络通信程序部分，制定了一套较为简单的协议，来定义通信中命令包和 数据包的意义；具体实现方法是采用t c p 协议传输命令控制信息，保证通信可靠 性要求；采用i d p 协议传输视频数据，保证传输实时性要求。 服务器端为一台接入i n t e r n e t 有固定i p 地址的计算机，其软件利用多线程机 制实现控制命令的发送，视频数据包的接收和排序等功能。 最后，列举了文中所开发方案的应用前景及不足之处，以及下一步将要完成 的工作。 关键词：视频监控，m p e g 4 压缩j ) s p , 嵌入式，c d m a a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rn e t w o r k , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d m u l t i m e d i at e c h n o l o g y , w a d i t i o n a ls u r v e i l l a n c es y s m m sh a v ed e v e l o p e dt o w a r d san e w d e v e l o p i n gd i r e c t i o nt h e s ey e a r s m u l t i m e d i av i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mt h e na p p e a r s ， w h i c hi sac o m b i n a t i o no f c o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g ym e n t i o n e da b o v e a sd i g i t a lv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e st h a tt r a d i t i o n a la n a l o g yv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e mc a n tm a t c h ，s oi tb e g i n st or e p l a c ea n a l o g yv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mg r a d u a l l y a n dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ov a r i o u sf i e l d s t h ev i d e os i g n a la c q u i s i t i o n ，v i d e oc o m p r e s s i o n ，w i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , a n do t h e ra s p e c t sa r ei n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o nb r i e f l y ，t h es y s t e mi sd i v i d e di n t o c l i e n t ( w i r e l e s st e r m i n a l ) a n ds e r v e r ，t h ev i d e oc o m p r e s s i o nm o d u l ea n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea r ee m p h a s e di nc l i e n ts e c t i o n i nv i d e oc o m p r e s s i o nm o d u l e t h ep p ii n t e r f a c eo f a d ib l a c k f m 5 3 3d s pi su s e d t or e c e i v ev i d e oo u t p u t so f vf o r m a tf x o ma d v 7 1 8 3 ，t h e nt h ev i d e od a t a sa r e c o m p r e s s e sw i t hm p e g 4a l g o r i t h m f i n a l l yt h ec o m p r e s s e dd a t a sa r es e n dt ot h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l ew i t hd m ao fs p ii n t e r f a c e i n 也i ss e c t i o nt h i s d i s s e r t a t i o na l s om a k e sr e s e r c h e so nt h ev i s u a lp a r to f m p e g 4 s t a n d a r d , p r e s e n t e sa n d m o d i f i e ds o m ec o m p l e xa l g o r i t h m s ，a n dd o e ss o m eo p t i m i z a t i o n st ot h ee n c o d e rw i t h m e m o r yo p t i m i z a t i o n ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n da s s e m b l yo p t i m i z a t i o n , e v e n t u a l l yt h e m o d u l ec a na c c o m p l i s hr e a l - t i m ec o d i n g i nn e t w o r kc o m m u n i c a 缸o nm o d u l e l p c 2 2 1 0i su s e da sac o r ec h i pw h i c h c o u n e c t e s a c d n 队m o d e m w i t h u a r t , u c l i n u x o p e r a t i o ns y s t e m i s t r a n s p l a n t e d t o l p c 2 2 1 0 。a l s op p pp r o g r a mw h i c hc a nd i a l - u pt oi n t e r a c tw i r e l e s s l y ，s p id r i v e ra n d o t h e rc o r r e s p o n d i n gp r o g r a m sa r ed e s i g n e d t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h ew i r e l e s st e r m i n a la n dt h es e r v e ri s g i v e ni nt h i sm o d u l e ，c o m m a n dp a c k e t sa r et r a n s m i t e d w i t ht c pp r o t o c o lt oe i l s l l r e r e l i a b i l i t y , a n dv i d e o d a t a sa r et r a n s m i t e dw i t hu d pp r o t o c o lt om e e tr e a l - t i m e r e q u i r e m e n t s t h es g l n e ri sac o m p u t e rw h i c hh a saf i x e di pa d d r e s so nt h ei n t e r a c t , i t ss o f t w a r e a b s t r a c t i sd e s i g n e dt os e n du s e rc o m m a n d s ，r e c e i v ea n dr e o r g a n i z ev i d e od a t ap a c k e t sb ya i l a p p l i c a t i o no f m u l t i t h r e a dm e c h a n i s m i nt h ee n d , i tp r e s e n t e si m p r o v e m e n tm e t h o d so f t h es y s t e mt or e a l i z ea n de x t e n d s i t sf u n c t i o n si nt h ef u t u r e k e y w a r d s ：s u r v e i l l a n c es y s t e m s ，m p e g 4c o m p r e s s i o n ，d s p , e m b e d d e d ，c d m a n i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：圣! ：奎圈日期：抄骨夕月铲日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 塑：垄塑 导师签名： 醐。节 6 月严日 第一章绪论 i i 课题背景和意义 第一章绪论 视觉是人类最重要的感觉器官，视频图象信息上是人们从客观世界获得信息 的主要来源。同时，由于客观条件的限制，尤其在一些危险性较大，人不可直接 观察或者不易观察的特殊场合，利用视频监控系统成为了一种有效的观测手段。 所以视频监控技术一直是人们关注的应用技术热点之一，它以其直观、方便、信 息丰富而被广泛应用于邮电、电力、通讯、银行等系统及设施。对于许多监控现 场，由于需要监控的区域广、监控的对象种类繁多，因而需要花费大量的人力、 物力和财力进行设备的维护。而且还存在着某些容易发生突发性事件的领域，如 容易发生火灾和洪灾的场所，由于这些事件发生的概率相对较小，且具有随机性 和不确定性，如果在现场实施人员值守是不现实的。同时，在许多条件恶劣、人 们不易到达或不能时刻停留的地方偶尔采集一些现场数据，这时如果进行大量的 布线工作则是不经济、不合理的。 进入二十一世纪以后，世界正处在前所未有的信息和网络时代，而数字化是 信息时代的一个重要特点。数字图像监控系统是电子技术、计算机技术、通信技 术和自动化技术快速发展并相互结合的高新技术产物。另一方面，无线通讯近几 年来得到了极大的发展，它改变了有线通信的局限性，使随时随地地交流信息成 为可能。这些新的无线通信技术的应用已经深入到人们生活的各个方面，改变了 人们的生活和工作模式，同时i n t e r n e t 也给我们提供了一种全新的生活和工作模 式，它使得海量的信息的沟通和交流达到了前所未有的实时和高效，引起了全世 界的广泛关注。正是由于通信技术和网络技术的迅猛发展，基于i n t e r n e t 和 g s m c d m a 网的远程监控系统的应用引起人们的广泛关注 嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指嵌入宿主设备中的微处理机系 统。典型机种如微控制器、微处理器和d s p 等。嵌入式处理器使宿主设备功能智 能化，设计灵活和操作简单，具有功能丰富，实时性强，结构紧凑，可靠性高和 面向对象等特点。当前，嵌入式系统接入无线网络的应用在我国才刚起步，它实 现了基于现有无线网络的测量，控制和信息传递、具有全分布式控制、系统开放 性强、互操作性强等优点 电子科技大学硕士学位论文 i 2 国内外发展动态 1 传统视频监控系统 图像监控技术的发展经历了三个主要阶段：模拟图像监控技术，基于p c 的数 字图像监控技术和基于嵌入式系统的数字图像监控技术。目前国内还较多地使用 本地模拟图像监控系统，即采用由摄像机、视频矩阵、监视器和录像机组成的 监控系统，使用视频线、控制线等电缆连接。虽然本地模拟图像监控系统能够保 证采集得到的图像清晰、不失帧，但在许多方面都存在着明显的局限： 1 ) 输距离小，只能实现本地监控，而且图像质量随传输距离的增加而明显下降。 2 ) 系统的可扩展性差，由于电视或计算机与摄像头的接口数目是有限的，因此扩 展性差，无法形成复杂的监控网络。 3 ) 后期处理能力不强，无法利用先进的数字图像处理技术，而且由于存储介质限 制，无法实现图像数据的大容量存储。 4 ) 无法利用现有的网络，必须重新铺设专用线路，存在重复投资等问题。 2 网络数字视频监控系统 伴随着计算机技术、图像处理技术和网络技术的发展，出现了新型的基于嵌 入式技术的网络数字视频监控系统；目前主流的嵌入式网络视频视频监控系统一 般拥有以下功能： 1 ) 系统提供友好的用户接口，操作界面简单易用，用户在世界的任何地方都可以 通过网络来监控前端现场，通过网络来遥控现场的嵌入式系统前端机来达到图像 控制、云台旋转、镜头变换、报警控制等目的。 2 ) 采用多级权限控制，定制用户组，权限严格控制，提供用户密码控制存取登入 系统及w e b 远程登入浏览，授权用户只能进行相应操作。 3 ) 选择嵌入式操作系统( 如l i n u x ) ，集成了网络传输功能，支持多种网络协议， 具备e m b e d d e dw 船s e r v e r 功能，可以通过浏览器访问，并可通过浏览器设置参 数、实时监控音视频信号、查看视频设备状态。 4 ) 每个安装有监控软件的p c 用户可以进行远程图像的实时监控，并可以根据实 际需要对视频素材进行高效精确的查询和存储管理。 5 ) 对原始视频图像进行压缩处理后，以i p 组播的方式将监控现场的视频图像发 送出去，网络中的监控点只要加入该组播组，即可接收嵌入式前端发送的视频图 像数据，展开实时监控。因此基于嵌入式技术的网络视频监控系统将有良好的应 用与发展前景，它代替当前普遍应用的基于p c 的网络视频监控系统将成为必然趋 2 第一章绪论 势。 总的来说，一个嵌入式视频监视控系统从技术方面来看由三个部分组成，如 图1 - 1 所示：嵌入式硬件系统技术、视频编解码技术、嵌入式操作系统技术。 图卜1 嵌入式视频服务器系统的技术组成 3 利用无线网络的视频监控系统 ( 1 ) 利用微波进行数据传输 无线数字监控系统在原有的以太网监控系统的基础上，抛弃了网络电缆，用 无线微波进行数据传输，降低了网络布线的成本，增强了监控系统的灵活性和可 扩充性。利用无线网桥技术，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网络链路。在条件许可的情况下， 利用无线网桥最远可以支持5 0 公里以上的桥接。无线桥接技术是利用一对无线 桥接器，将两个分离的网络连接起来，并通过无线网桥进行数据传输。 a b o v e c a b l ei e e e 8 0 2 1 l b g a 的无线网络产品所提供的无线链路能达到的 1 1h b p s 5 4m b p s 的高网络带宽，能够保证采用 l2 6 3 m p e g 一1 2 4 等格式的数 字视频流稳定可靠地进行传输，达到无线视频监控的目的。但是如果需要在更远 距离实旌监控，这种方案就不再可取。 ( 2 ) 利用g p r s c d i i a 进行数据传输 由于采用了c d m a 等无线数据通信方式，可以省去了有线方式下必须采用的 物理布线。而且无线方式有利于对监视点的合理安排，克服了传统系统只能用于 固定现场的监视，不易采用有线方式的监视地点表现得无能为力的弱点，而且可 以在有g p r s c d g , a 服务的任何地方实施监控。 但是无线网络传输一个很重要的指标就是传输速率，c d 姒的峰值速率为 电子科技大学硕士学位论文 1 5 3 6 k b i t s ，实际使用在7 0 k - 9 0 k b i t s ，而g p r s 实际使用中，受网络资源等影 响，速度仅为2 0 k - 3 0 k b i t s ，如果要进行大数据量的传输，g p r s 就不能满足要求， 所以越来越多的视频数据传输方案采用c d m a 网络。 而且现在国内无线视频监控系统的视频处理部分还大多是采用j p e g 格式压 缩，但是随着社会发展人们对监控系统的指标如视频图象的大小，输出码流的 大小，传输方式和实时性等也提出更高的要求，j p e g 格式压缩已经满足不了一些 监控场合，所以现在的监控系统开始转向采用m p e g 4 或者h 2 6 4 压缩：而采用的具 体实现方案一是是采用的专用a s i c 来进行压缩，如台湾影玮电子( v w e b ) 推出 的音视频编解码器( c o d e c ) w 2 0 1 0 等：二是采用d s p 方案，可以采用t i 新推出的 达芬奇系列的d s pd m 6 4 2 4 ，它提供了m p e g 4 和h 2 6 4 编解码库，但是收费非常昂 贵；三是采用国内第三方提供的视频采集卡，如海康威视等公司开发的m p e g 4 视 频采集卡等，这样可以缩短开发周期，加快产品上市。但是这些方案都会带来一些 缺点，如灵活性不够，成本高，不容易掌握核心技术等问题 1 3 本文主要工作和意义 本课题提出的嵌入式无线视频监控系统方案可以比较好的满足当前工程实际 应用中需要。我们将本设计分为客户端和服务器端两大部分来进行介绍，其中客 户端又可分为视频压缩模块和网络通信模块。 客户端硬件采用高性能微处理器a l 妯i 7l p c 2 2 1 0 和适用于多媒体的d s p b l a c k f i n 5 3 3 为核心，具体实现方案是：采用a d v 7 1 8 3 芯片把输入的复合视频信 号解码成y u v 格式的数字信号，接着用d s p 的p p i 接口将y u v 的视频数据的采集 进d s p ，然后进行c i f 大小的m p e g 4 压缩，压缩后的码流通过d s p 的s p i 接口发 送到l p c 2 2 1 0 的s p i 接口，l p c 2 2 1 0 将接收到的数据进行打包，通过串口外接的 c d m a 模块a n y d a t ad t g s 一8 0 0 发送到接入i n t e r n e t 有固定i p 地址的p c 。 在视频压缩模块，软件方面主要是：将d s p 采集进来的视频数据先进行预处 理，转化为c i f4 ：2 ：0 格式，然后进行m p e g 4 压缩，在实现该算法的时候，本 设计对其中的关键算法进行了研究和改进，用简便实用的算法代替了原来的复杂 耗时模块，并且针对具体d s p 平台，通过内存优化，结构优化和汇编优化等方法， 最终实现c i f 大小m p e g 4 算法实时压缩：最后利用d m a 乒乓方式将压缩后的码流 发送到a r m 。 在网络通信模块，在l p c 2 2 1 0 上移植了u c l i n u x 操作系统，编写了l p c 2 2 1 0 4 第一章绪论 的s p i 驱动来接收d s p 发送过来的数据，设计了p p p 程序，实现了无线终端通过 c d m a 网络拨号接入i n t e r n e t ，并且完成了无线终端和服务器端的s o c k e t 网络通 信程序，具体采用了t c p 来传输控制命令，保证命令传输的可靠性；采用u d p 传 输视频数据，保证数据的实时性。服务器端则利用多线程机制实现控制命令的发 送，视频数据包的接收和排序等功能。 本设计具有小型化、低功耗、高性能、低成本、无线网络等显著的优点，具 有一定的工程应用和参考价值。 电子科技大学硕士学位论文 第二章无线视频监控相关技术介绍 2 1 系统的设计 本无线视频监控系统( 如图2 - 1 ) ，是一个基于视频编码技术和网络技术，完 成视频数据采集和处理功能的嵌入式系统。原始的数字视频数据具有很大冗余度， 经过了压缩编码处理之后，生成的视频流才符合做下一步处理工作的要求。网络 视频系统就是指将压缩编码后的视频流通过无线网络传输给远端的服务器系统。 服务器系统在接收到网络上传送过来的视频流数据之后，可以直接保存数据或者 先将经过压缩编码的数据流解码成原始的数字视频数据，然后再将原始的视频信 息重现出来。同时服务器系统也可以通过网络对客户端视频编码系统进行操作， 控制客户端系统的运行。 客户端系统 2 2 视频压缩编码模块 图2 - 1 无线视频监控系统示意图 2 2 1 视频压缩标准的选择 视频流是指原始数字视频信号经过了压缩编码处理之后的视频数据流 引。与 原始的数字视频信号相比，视频流的数据量有了很大的减小，但是图像质量的变 化可以控制在一定的范围之内。在多媒体应用中，原始的数字视频数据速率太大， 在高分辨率的图像中，数据速率会达到几百m b i t s s 。所以将原始数字视频数据 编码生成视频流是实际应用中必须考虑的一个环节引。 6 第二章无线视频监控相关技术介绍 采用标准化的编码方式，可以提供很多的便利。在设计编码器的时候，只需 要遵循编码标准的规定，就能获得广泛的支持。利用该编码器产生的视频流就能 被其他也遵循此标准的解码器顺利地解码。 交互操作和视频流的灵活性。在图2 - 1 里面可以看到，客户端系统和服务器 系统是彼此互相联系的两个子系统。两者之间需要有交互的操作。交互的信息包 括视频流和控制信息。控制信息的操作过程可以看成，服务器系统将控制信息发 送给客户端系统，客户端系统响应控制信息，改变本系统的一些状态，而这些状 态改变的最终结果引起了视频流数据的变化，而视频流的变化正是服务器系统所 需求的。可以看出，对于网络视频系统来说。如果需要进行远程控制的话，在对 视频流的生成方面，就必须具有一定的灵活性，根据服务器系统的需求而发生相 应的改变。 r e l 押e g 系列和h 2 6 x 系列是其中的代表。两者都是国际中通用的视频编码标 准，分别是由两个独立的国际组织发布的。虽然两个系列的标准都具有编码效率 高、性能优良等共同特点，但是都具有各自独特的优势和应用范围。同一个系列 内部，不同的编码标准也具有一些的差异特性 i l2 6 x 系列标准是由i t u t 组织发布的，t l2 6 1 和h 2 6 3 都是为了适应低码率 通信而设计出来的，主要的应用领域有可视电话和视频会议等。后者具有比前者 压缩比大的优点。也2 6 3 + 是也2 6 3 的更新版本，同样也是为了适应低码率通信设 计的，但是增加了很多的可选项，包括视频源格式、图像分辨率、图像时钟频率 等 在m p e g 系列标准的发展过程中，并不单是为了追求更高的编码效率。m p e g l 是专门用于数字存储媒体视频的编码。相对于h 2 6 x 系列，具有较高的输出码率。 目前c d 播放器中，大多采用就是m p e g l 标准，码率可以达到1 4 m b i t s s 。而m p e g 2 在目前的数字电视以及d v d 等技术中都得到了广泛的应用与m p e g l 相比，m p e g 2 增加了很多的新特性，包括隔行扫描视频编码，高分辨率的图像，系统构建和交 互操作等。 m p e g 4 标准的出现在一定程度上受到了h 2 6 3 的影响，因为在当时i l2 6 3 的 编码效率和灵活性都己经是非常成熟，所以肝e g 组织在制定m p e g 4 标准时放弃了 更新以前版本的方案，而转向采用全新的基于对象编码的方法m p e g 4 标准并不 只是一个具体的编码算法，它是针对数字电视、交互式绘图应用、交互式多媒体 等整合及压缩技术的需求而制定的国际标准m p e g 4 标准中具有很多的多媒体框 架级，可以满足很多领域的需求。m p e g 4 标准中包括了很多部分的内容，有系统、 7 电子科技大学硕士学位论文 视觉、声音、参考软件设计、多媒体整合框架等”。 在2 0 0 3 年，i p e g 4 p a r t l o 正式发布，也可以称为是h 2 6 4 。因为这部分内容 是两个组织联合研究和分别发布的。与以前的任何编码标准相比，h 2 6 4 更为详 细和清晰地描绘了编码操作的过程，为编码器的设计提供了很大的便利。而 l2 6 4 标准作为l _ i p e g 4 标准的一部分，提高了m p e g 4 标准在编码自然视频数据方面的效 掣”。 在简要的了解几种比较重要的国际视频编码标准之后，在网络视频系统中， m p e g 4 标准是可以符合要求。因为m p e 6 4 标准不仅具有较高的编码效率，而且满 足交互性和灵活性的特点从m p e g 4 标准众多框架中可以选择适合网络传输的框 架。同时，m p e g 4 标准对于系统的描述可以给实现m p e g 4 系统提供指导。 对于i t p e 6 4 编码器的实现，一般可以分成软件和硬件两类。但是在嵌入式系 统中，由于嵌入式c p u 的资源受限，很多情况下，编码器都是利用硬件来实现的。 而对于硬件实现又可以有两种途径：a s i c 和d s p 。前者是指选用由专业编码器设 计公司生产的编码芯片。后者是指选用支持多媒体开发的d s p 芯片，然后按照编 码标准设计相应的编码器。在本设计中，选择d s p 来实现m p e g 4 编码器，使编码 方案更加灵活。 2 2 2m p e g - 4 的视频格式 2 2 2 1 颜色空间 颜色空问“。( c o l o rs p a c e ) 是指用来表示亮度和颜色的方法。有2 种颜色空 间：r g b 、y c b c r ，r g b 空间是指每个采样点的颜色用3 个数值表示：r e d 、g r e e n 、 和b l u e ；y e b c r 空间是指用亮度、色度分开来表示图像信息。 l t y s ( 人类视觉系统) 对亮度( l u m a ，l u m i n a n c e ) 的敏感度远远大于对色度 ( c h r o m a ，c h r o m i n a n c e ) 的敏感度，而在r g b 空问中，亮度和色度都被同等重要地 表现出来，没有考虑人类视觉系统，所以在视频编码中一般采用y c b c r 空间，这 样也起到了压缩图象信息的功能。 在r g b 空间中，y 表示亮度( 1 u m a ) ，可通过公式2 - 1 算出 y = k r r + k g g + k b b ，( 2 1 ) 其中r ，g ，b 是r g b 空间的3 个值，k r 、k g 、i 【b 是对应的加权值，并且k r + k g + k b = l 。根据t l v s ，i t u - r 推荐k b = o 1 1 4 、k r = o 2 9 9 ，在y c b c r 空间，c r 、c g 、c b 表 第二章无线视频监控相关技术介绍 示色度，可以由下式算出： c b = b y( 2 - 2 ) cr=ry(2-3) c g = g y ( 2 - 4 ) 这样一个采样点的颜色值可以用r o b 空间表示，也可用y c b c r 空间表示，并 且可以相互转换。 2 2 2 2 好e g 4 的图像格式 r r l y p e g 4 采用y c b c r 空间的目的是按照i v s 的敏感度，区别对待亮度值和色 度值，减少对敏感度低的色度值的编码传输。 图2 - 2 为m p e g 4 中图像的采样格式为4 ：。2 ；0 的示意图，即每采样四个亮度 信号值( y ) ，就同时采样2 个色度信号值( c r 和c b ) ，表示色度元素( c b - - u ，c r v ) 在垂直方向和水平方向上均是亮度元素( y ) 比例的一半。 园 oooo 言o ：o8 黜o ooo 云i 二磊二 c bs z m p l e oooooo 0 oo o o oo oooooo 叠口 oooo oo 图2 2 采样格式4 ：2 ：o 在m p e g - 4 中定义了以下几种主要的图像格式： ( i f ( 3 5 2 2 8 8 ) 、o c i f ( 1 7 6 x 1 4 4 ) 、s i f ( 3 5 2 2 4 0 ) 等。 2 3 网络服务模块 2 。3 1 数据无线传输方式的选择 目前，无线数据传输方式主要有以下几种： 1 ) 采用卫星通信； 电子科技大学硕士学位论文 2 ) 采用不同的大功率( r f ) 无线数传电台； 3 ) 采用电话拨号； 4 ) 借助移动公网( g s m g p r s i c d m a ) 来传输； 其中，前三种是传统的数据传输解决方式，这些传统方式在覆盖范围、实时 性、投资及运行费用等方面存在很多问题，同时不容易实现工控设备的无人职守， 出现问题不一定能及时发现等。目前，g p r s ，c d m a 等新兴的数据传输技术，具有 很多传统数据传输方式所没有的优点，可以解决传统传输方式的弊端，更加贴近 专业数据传输的需求。 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是 在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。g p r s 与g s m 语音的 根本区别是，g s m 的基础是电路交换，g p r s 的基础是分组交换。因此，g p r s 特别 适用于突发性的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 c d m a 2 0 0 0 技术是第三代移动通信系统i m t2 0 0 0 系统的一种模式，它是从c d m a o n e ( i s 一9 5 ) 演进而来的一种第三代移动通信技术。i s 一9 5 标准在1 9 9 3 年面世。 c d 姒2 0 0 0 的正式标准在2 0 0 0 年3 月通过。标准将c d m a 2 0 0 0 分为多个阶段来实施， 第一个阶段称为c d 姒2 0 0 0l x c d 姒2 0 0 01 x 系统与g p r s 的区别是：g p r s 是在g s m 基础上发展起来的一种分 组交换的数据承载和传输方式。c d m a 2 0 0 0i x 系统在空中接口方面完全向下兼容 i s 一9 5 系统；虽然分组交换比电路交换更适合移动数据业务。但是，在分组业务 下，由于多个移动用户共享一定的无线资源，尽管分组业务可以有较高的峰值业 务速率，但用户在数据传送期间内的平均业务速率较低。平均业务速率与峰值业 务速率的比值是衡量系统技术的一项重要指标。在实际应用中，经过测试，g p r s 的平均速率为2 0 - 3 0 k b i t s ，c d m a 2 0 0 0i x 系统的平均速率为7 0 9 0 k b i t s 。如表 2 - 1 所示通过比较，c d m a1 x 技术在网络资源、速度和稳定性等方面都要优于g p r s 技术。而且考虑到本设计中需要传输的视频数据量较大，所以我们采用了c d m ai x 通信网络“。 l o 第二章无线视频监控相关技术介绍 表2 1c d m ai x 和g p r s 网络数据传输性能的比较 比较 c d m l x6 p 船 项目 传输采用分组数据方式，支持终端用户。永远再线” 采用分组数据方式，支持终端用户“永远再线 方式和按流量计费和按流量计费等功能 传输峰值速率为1 5 3 6 k b i t s ，实际使用在实际使用中，受网络资源等影响速度仅为 速度7 0 k - 9 0 k b i t s2 0 k 一3 0 k b i t s 传输c i ) 姒l x 数据专网的传输时延一般在2 0 0 3 0 0 m s 之通过g p r s 组建的专网的传输时延一般在2 3 s 比 时延内，能满足时延要求极高的实时控制要求c d s l _ 差一个数量级。只能用于检测类的应用。难以 达到自动化控制中实时快速响应延迟要求 掉 采用软切换技术，使c d 眦网络在通信过程中掉线g p r s 在防掉线机制上不如c 1 ) m a 完善，加上本身已 率大为降低，同时c d 姒网络在信道资源分配上对承载着庞大的语音用户群。导致实际应用中掉线 线 数据用户的保障，有效防止数据传输过程中掉线率远高与c d m a i l 而且掉线现象在城市热点地区 盛 更为突出 信道c d 姒支持语音和数据业务分离的信道资源分配 g p r s 和g s m 网络采用语言和数据共享信道的方 资源方式，语音用户急剧增长时，也可保障数据用户的式而且语音优先，当语音话务急剧增加时，有限 分配通信，直接体现在传输速度和掉线率等方面的网络资源只能优先满足语音用户的需要 射频c d m a 采用了连续的调制技术在通信过程中不会g s i 手机和无线终端模块在通信过程中必须调制 安全产生脉冲式射频，当工作在周围各种强电设各密脉冲信号。易于与其他电器产生藕合，在特定电场 隐患布的情况下，不会给其他电器设备造成射频安全和大气环境中。会引起跳闸，电火花等危及电力设 隐患备和人身安全 c m n 网络采用了先进的扩频编码和功率控制技g p i l s 是g s m 在分组域的增强，g s m 采用9 0 0 妊i z 。频 网络 术。在相同频率资源下，使用嘶网络比g s m 网络 率资源在很多地区很缺乏，g p r s 是分组业务。每个 容量大4 - 5 倍。加上c d 眦全新的8 0 0 1 旺i z 频段，频 用户占用比语音更多的频率资源。导致g p r s 的频 容量 率资源丰富，极大扩充了网络容量率资源进一步匮乏 c d m a 网络经过三期建设后，容量达7 0 0 0 万，目前c目前运行g p r s 的g s m 网络已承载了过亿的语音用 网络 网用户未远3 0 0 0 万。充裕的网络资源为工业拥护户。承重的网络负荷极大的制约了g p r s 用于数据 提供了广阔的空间 服务的资源。更难保证大批量数据用户终端上线 负荷 后的服务质量 电子科技大学硕士学位论文 2 3 2t o p i p 协议 t c p i p 协议其实是一个协议集合，它包括了t c p 协议( t r a n s p o r tc o n t r o l p r o t o c o l ，传输控制协议) 、i p 协议( i n t e r n e tp r o t o c o l 协议) 及其他一些协议。 t c p i p 是i n t e r n e t 最基本的协议，简单地说，就是由底层的i p 协议和t c p 协议 组成的；t c p 协议用于在应用程序之间传送数据，i p 协议用于在主机之间传送数 据；t c p i p 协议分为如下4 层： 网络接口层：负责接收和发送物理帧。网络接口的协议能把i p 数据包装成网 络能传输的帧，使之可以通过打通连接的网络，把帧传送到目的主机或其它网络。 网络层：负责相邻节点之间的通信。传输层是在任何两台计算机问建立通信 连接，使之能相互通信；而网络层则负责在任何两个子网间传输数据。这两层配合， 体现了i n t e r n e t 的网际网的功能特性。网络层的特性和服务功能主要在i p 和 i c m p 协议上。 传输层：负责起点到终点的通信。该层的主要功能是建立、提供端到端的通 信连接，即一个应用程序到另一个应用程序的通信连接，它可以同时从应用层的 几个应用程序接收数据并发送给下一层( i p ) 。在这一层上有两个广泛应用的协议： 传输控制协议( t c p ) ，它为高层提供可靠的、面向数据流的服务：而用户数据报协 议( u d p ) 则为高层提供没有可靠性保证的、无连接的服务。 应用层：提供诸如文件传输、电于邮件等应用程序。该层根据不同用户的各种 应用需求，与下一层的t c p 或u d p 相配合，向用户( 程序或进程) 提供所需的网络 应用程序服务。它的网络协议有多种，比如：s n m p ，t f t p ，r p c ，t e l n e t 、f t p ，s m t p ， d n s 等等。 要把数据以t c p i p 协议方式从一台计算机传送到另一台计算机，数据需经过 上述四层通讯软件的处理才一能在物理网络中传输。 2 3 2 1 网际协议1 p i n t e r n e t 上使用的一个关键的低层协议是网际协议，通常称i p 协议。我们 利用一个共同遵守的通信协议，从而使i n t e r n e t 成为一个允许连接不同类型的计 算机和不同操作系统的网络。要使两台计算机彼此之间进行通信，必须使两台计 算机使用同一种“语言”。通信协议正像两台计算机交换信息所使用的共同语言， 它规定了通信双方在通信中所应共同遵守的约定。 第二章无线视频监控相关技术介绍 计算机的通信协议精确地定义了计算机在彼此通信过程的所有细节。例如， 每台计算机发送的信息格式和含义，在什么情况下应发送规定的特殊信息，以及 接收方的计算机应做出哪些应答等等。 网际协议i p 协议提供了能适应各种各样网络硬件的灵活性，对底层网络硬件 几乎没有任何要求，任何一个网络只要可以从一个地点向另一个地点传送二进制 数据，就可以使用i p 协议加入i n t e r n e t 了。 如果希望能在i n t e r n e t 上进行交流和通信，则每台连上i n t e r n e t 的计算机 都必须遵守i p 协议。为此使用i n t e r n e t 的每台计算机都必须运行i p 软件，以便 时刻准备发送或接收信息。 i p 协议对于网络通信有着重要的意义：网络中的计算机通过安装i p 软件，使 许许多多的局域网络构成了一个庞大而又严密的通信系统。从而使i n t e r n e t 看起 来好像是真实存在的，但实际上它是一种并不存在的虚拟网络，只不过是利用i p 协议把全世界上所有愿意接i n t e r n e t 的计算机局域网络连接起来，使得它们彼此 之间都能够通信。 2 3 2 2 传输控制协议t c p 尽管计算机通过安装i p 软件，从而保证了计算机之间可以发送和接收数据， 但i p 协议还不能解决数据分组在传输过程中可能出现的问题。因此，若要解决可 能出现的问题，连上i n t e r n e t 的计算机还需要安装t c p 协议来提供可靠的并且无 差错的通信服务。 t c p 协议被称作一种端对端协议。这是因为它为两台计算机之间的连接起了 重要作用：当一台计算机需要与另一台远程计一算机连接时，t c p 协议会让它们建 立一个连接、发送和接收数据以及终止连接。传输控制协议t c p 协议利用重发技 术和拥塞控制机制，向应用程序提供可靠的通信连接，使它能够自动适应网上的 各种变化。即使在i n t e r n e t 暂时出现堵塞的情况下，t c p 也能够保证通信的可靠。 众所周知，i n t e r n e t 是一个庞大的国际性网络，网络上的拥挤和空闲时间总是交 替不定的，加上传送的距离也远近不同，所以传输数据所用时间也会变化不定。 t c p 协议具有自动调整“超时值”的功能，能很好地适应i n t e r n e t 上各种各样的 变化，确保传输数值的正确。 因此，从上面我们可以了解到：i p 协议只保证计算机能发送和接收分组数据， 而t c p 协议则可提供一个可靠的、可流控的、全双工的信息流传输服务。 电子科技大学硕士学位论文 综上所述，虽然i p 和t c p 这两个协议的功能不尽相同，也可以分开单独使用， 但它们是在同一时期作为一个协议来设计的，并且在功能上也是互补的。只有两 者的结合，才能保证i n t e r n e t 在复杂的环境下正常运行。凡是要连接到i n t e r n e t 的计算机，都必须同时安装和使用这两个协议，因此在实际中常把这两个协议统 称作t c p i p 协议。 2 3 2 3u d p 协议 u d p 协议