（通信与信息系统专业论文）基于web技术的嵌入式网络视频监控系统研究.pdf

河海大学工学硕士论文 摘要 摘要 随着经济水平和科学技术的飞速发展，人们对安全防范要求越来越高，传统 的模拟视频监控已无法满足社会发展的要求。采用最新的嵌入式理念，利用网络 通信技术，实现视频监控系统的数字化、网络化，逐渐成为监控领域发展的主流。 目前，国内外正在将嵌入式w e b 技术应用到监控系统的前端设备和视频监控系 统设计中。 本课题根据目前监控行业的发展现状及趋势，结合常州明景电子有限公司的 网络高速球型摄像机开发项目，提出一种新的网络视频监控系统设计方案，将网 络视频服务器的功能分散到前端高速球型摄像机，在前端高速球机中嵌入w e b 服务器，通过以太网接口连接到i n t e m e t ，组成一个基于以太网的嵌入式网络视 频监控系统，在用户端使用浏览器就可以进行视频监控。 论文阐述了基于w e b 技术的嵌入式网络视频监控系统的整体构建，涉及到 多媒体、网络传输、嵌入式等技术：将网络高速球作为研究对象，把嵌入式a r m 微处理器应用于网络高速球的硬件设计中，介绍中央管理模块和网络接入模块的 功能实现；论述嵌入式网络高速球的软件设计，完成u c l i f l u x 操作系统的嵌入和 移植；构建了基于t c p i p 协议的嵌入式w e b 服务器；通过以太网实现了视频数 据的远程传输。最后分析和讨论了系统调试过程中遇到的问题，并提出进一步开 发设想。目前该系统已经成功运行于以太网，具有良好的实用和推广价值。 关键词：嵌入式、视频监控、a r m 、u c l i n u x 、w e b 服务器、网络传输 基于w c b 技术的嵌入式嘲络视频监控系统研究 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 fe c o n o m ya n dt e c h n o l o g y ，p e o p l eh a v em o r ea n d m o r eh i 曲r e q u i r e m e n to fp u b l i cs e c u r i t y t r a d i t i o n a ls i m u l a t e dv i d e om o n i t o rs y s t e m c a n tm e e tt h en e e do fs o c i e t yd e v e l o p m e n t a d o p t i n ge m b e d d e di d e aa n dn e w c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , r e a l i z et h ed i g i t i z a t i o no ft h en e t w o r kv i d e om o n i t o r s y s t e mb e c o m e st h em a i nt r e n do fm o n i t o rd e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，p e o p l ea p p l y e m b e d d e dw e bt e c h n o l o g yt ot h ef r o n ta p p a r a t u so fm o n i t o r i n gs y s t e md o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l l y i nt h i sp a p e r , w ep u tf o r w a r dan e wr e s o l u t i o no fn e t w o r kv i d e om o n i t o r a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o na n dt r e n do f s a f ei n d u s t r y a tt h es o f f u et i m e ，t h i sr e s o l u t i o n i sc o m b i n e dw i t ht h en e wp r o j e c to fc h a n g z h o um i n k i n ge l e c t r o n i cc o ，l t d ，w h i c h i sap r o f e s s i o n a lm a n u f a c t u r e ro fc c t vp r o d u c t s w ed i s p e r s et h ef u n c t i o no f n e t w o r kv i d e os e r v e rb ye m b e d d i n gw e bs e r v e ri nh i g h - s p e e dd o m ec a m e r a , a n d c o m p o s ea ne r n b e d d e dn e t w o r kv i d e om o n i t o rs y s t e m ，w h i c ha c c e s s e si n t e m e tb y e t h e r n e ti n t e r f a c e p e o p l ec a r lu s eb r o w s e rt oc a l t yo i lt h ev i d e om o n i t o r i n ge a s i l y f i r s tw ee l a b o r a t et h ec o n s t r u c t i o no fe m b e d d e dn e t w o r kv i d e om o n i t o rs y s t e m ， w h i c hi n v o l v i n gm u l t i m e d i a ，n e t w o r kt r a n s m i t t i o r ta n dt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y t h e n ，w et a k e h i g h - s p e e dd o m ec a m e r aa st h er e s e a r c ho b j e c ta n da p p l ya r mp r o c e s s o rt oh i 曲一s p e e d d o m e e l a b o r a t i n ge m p h a t i c a l l yt h er e a l i z a t i o no fc e n t r a lm a n a g e m e n ta n dn e t w o r k i n t e r f a c em o d u l e ，t r a n s p l a n t t i n gu c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mt oa r mp r o c e s s o r , c o n s t r u c t i n ge m b e d d e dw e bs e r v e rb a s e do nt c p i pp r o t o c o l ，w er e a l i z e t h e l o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o no fv i d e o f i n a l l y , w ed i s c u s st h ei s s u e se n c o u n t e r e di nt h e p r o c e s so fs y s t e md e b u g g i n g ，a n dp r o p o s ep l a no ff u r t h e rd e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ， t h i ss y s t e mh a sa l r e a d yw o r k e ds u c c e s s f u l l yi nt h ee t h e m e t ，w h i c hh a sh i 曲p r a c t i c a l v a l ，a e k e y w o r d ：e m b e d d e d ，v i d e om o n i t o r , a r m ，u c l i n u x ，w e bs e r v e r , n e t w o r k t r a n s m i s s i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同事 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了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：匦盘j 童，k 年捐，帽 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：圣叁曼! 坠协年3 月fp 日 河海大学工学砸十论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 随着经济水平和科学技术的飞速发展，人们对安牟防范的要求电越来越高。 特别是在“9 1 1 ”恐怖袭击以后，监控行业在全球范围内得到迅速发展，监控技 术得到进一步发展。为了对付各种各样的经济刑事犯罪，保护国家和人民群众的 生命财产的安全，保证各行各业和国家重点部门的正常运转，采用高科技手段预 防和制止犯罪己成为安防领域里的共识。从上世纪八十年代末到九十年代中期， 随着国外各种新型安防理念的引入，围内各行业及居民小区纷纷建立各自独立的 闭路电视嘛择系统，特别是在国家重点部门银行金融系统，视频监控及报警网络 己基本形成，对预防和制止犯罪，维护社会稳定起到了巨大作用。 然而，传统的模拟视频监控系统受到技术发展水平的局限，大多只能在较小 范围的内进行视频监控，联网报警系统虽然能够进行较远距离的报警信息传输， 但只能传输一些简单的报警信息，不能传输实时视频图像，无法及时准确地了解 现场的状况，报警事件确认相对困难，系统效率较低，无彤中增加了安保人员的 工作负担。而在银行会融等分布式管理行业，远程视频 氍控是行业管理的必要手 段。传统的模拟监控中，图像远距离传输一般采用专门光缆或微波进行传递，容 易受到地形和线路的限制，且造价极高，不利于推广应用。因此，如何将远程视 频图像监控和智能化监控管理有机的结合起来，做到既可以进行远程视频传输， 又能进行智能化的管理，减少工作人员负担，实现联网报警，而且造价合理，能 够更加有效的预防和打击犯罪，将安全防范水平提高到个新的高度，已成为 前安防领域发展的一个方向。 随着汁算机的普及应用，网络通信技术及图像压缩处理技术的快速发展，在 视频监控领域中，数字化和网络化成为一种趋势，采j l i j 最新的计算机、通信、图 像处理技术，通过以太网或其他网络传输实时视频图像，町以为远程： _ 5 频监控提 供高效可行且价格低廉的解决方案。上世纪末，数字化的网络视频监控系统迅速 崛起。这种新型的视频监控系统的迅速崛起，部分地取代了以视频矩阵图像分割 器、录像机为核心，辅以其它设备的模拟视频监控系统。数字化的视频通信在图 像质量、传输距离、抗干扰能力等方面都要优越于传统的模拟视频通信，并且数 字图像处理更加方便。因此，数字化网络视频监控系统将必然取代传统的模拟监 控系统吼 进入2 1 世纪，嵌入式技术、多媒体图像处理技术的进一步发展，为嵌入式 网络视频监控系统的发展提供了技术条件。嵌入式系统是以应用为中心，软硬件 可裁减的，具有高可靠性、低成本、严要求、综合性强的专用计箅机系统，它主 要由嵌入式微处理器、相关支撑硬制：、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成， 集软硬件于一体，能够独立工作。嵌入式系统具有实时性好，稳定性强等特点， 在网络视频监控中得到快速发展口j 。因此，加强对嵌入式系统的研究，尤其是基 于w e b 技术的嵌入式网络视频监控系统的研究，对我国监控行q k 令后的发展有 着重要意义。 1 2 国内外研究现状 社会的进步与发展促进了人们对安防领域需求的持续增长。上世纪末，国际 电子产品制造业向国内市场大规模转移，包括众多知名品牌的国外监控厂商，也 电子产品制造业向国内市场大规模转移，包括众多知名品牌的国外监控厂商，也 基于w e b 技术的嵌入式网络视频监控系统研究 纷纷在中国内地投资建厂，为中国安防监控市场带来了新的经营理念和新的产品 技术，促进了国内许多监控企业由贸易、系统集成型公司，开始转向技术开发、 产品设计生产领域，使过去一贯依赖进口产品的监控行业，开始了全面国产化进 程。经过这几年的发展，中国国内诞生了批新兴的数字化监控产品生产企业， 特别是以数字化安防产品生产企业为代表的厂家迅速崛起，使原有的监控市场发 生了根本性的变化，传统监控企业如松下、s a n y o 、s o n y 等产品在市场中的 份额不断缩减，民族品牌的数字化监控产品逐步占据市场。国内企业主要是利用 国外的芯片和成熟技术，来开发专业数字化监控产品，企业一般拥有自己稳定的 研发队伍，具有相关产品的设计制造能力，有一定规模的生产检测能力，有确保 产品稳定可靠的质量保证体系。产品功能、技术指标围绕数字化视频监控的需求 开发设计，产品在市场上具有良好的品牌信誉和知名度。他们生产的产品已经应 用到许多不同的行业，如影视娱乐、视频会议、网络视频点播、城市小区监控等 领域【3 】o 2 0 0 0 年以后，图像处理技术、计算机技术、网络技术的飞速发展，为监控 行业的发展提供了技术条件。“9 1 l ”恐怖袭击，客观上加速了人们对监控重要 性的认识，使得数字视频监控系统进入了一个快速发展期，监控系统产品也越来 越丰富，产生了一大批基于嵌入式w e b 服务器技术的网络视频监控产品。目前， 国外已经有很多成熟的视频服务器产品，它负责单路或多路模拟视频信号的接 入，在视频服务器内部进行a d 转换，并进行视频图像的压缩，由服务器接入 网络，用户在网络上通过浏览器或专门的监控软件进行网络视频监控。这类产品 在国内也有许多公司能够自行设计生产，并且，当前国内大部分的监控系统都采 用这种方案。 采用专门的视频服务器来实现网络视频监控，基本上可以满足一般监控领域 的要求。然而，其价格相当昂贵，对于有些应用场所，采用视频服务器客观上增 加了成本。因此，国外公司开始将嵌入式w e b 技术应用到监控系统的前端设备， 如摄像机、高速球等。在前端视频采集的摄像机内部进行视频图像的压缩，并建 立嵌入式w e b 服务器，形成网络摄像机等产品。用户使用普通浏览器，通过以 太网远程访问内置w e b 服务器的监控摄像机，不但可以实现对现场的远程视频 监控，而且还可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操作。由于 把视频压缩和网络功能集中到一个体积很小的设备内，可以直接通过以太网接口 接入网络，因此只要存在网络的地方都能够接入设备，用浏览器即可实施监控， 节省了多种复杂的电缆，安装维护方便。在国内，这方面的研究刚刚起步，一些 企业也逐步开始加强对嵌入式系统的研究，开发基于嵌入式w e b 服务器的网络 视频监控产品。但由于国内技术基础相对薄弱，相关技术还不够成熟，研究水平 与国外相比还存在一定差距，产品性能稳定性、可靠性等方面还有待进一步提高。 目前，中国的监控设备生产企业在技术水平、研发能力等很多方面都落后于 国外公司。中国数字化监控企业尚不能完全独立丌发专业的硬件平台，无法掌握 核心芯片和嵌入式开发的关键技术，企业技术创新能力较差。通过对嵌入式网络 视频监控系统作深入研究，充分利用国内外公司的先进技术成果，开发具有自主 知识产权的适应监控发展的网络化数字视频监控产品，对我国监控行业的发展具 有很大的促进作片】。 河海大学工学硕士论文 第一章绪论 1 3 课题来源和主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题根据目前监控行业的发展现状及趋势，提出一种新的监控系统设计方 案，与现有的监控系统组网方式不同，把视频服务器的功能分散到前端高速球摄 像机，在前端摄像机中嵌入w e b 服务器，通过以太网接口连接到i n t o n e r ，组成 一个基于以太网的网络高速球摄像机( 如图1 1 、1 2 所示) 。它不需要借助于p c 机，拥有独立的口地址和嵌入式操作系统，独立运行于网络的一端，客户端使 用网络测览器来浏览嵌入式w e b 服务器上的视频图像，并根据情况对监控现场 实施控制，这样不仅能够降低成本，同时还有效地提高了系统的稳定性。在嵌入 式网络视频监控系统中，嵌入式w e b 服务器实现视频信号及高速球控制信号的 网络接入功能，起着十分重要的作用，w e b 服务器的设计对监控系统的整体性能 具有直接的影响，只有有了高效率的w e b 服务器，监控系统的性能才能得到充 分的发挥。同时，对基于w e b 技术的嵌入式网络监控系统进行深入研究，自主 开发网络视频监控产品，具有很大的社会效益和经济效益。 模拟摄像机 辜一条 ：涮：m e 漤 网络高速球 摄像机 图1 1 现有监控系统组网模式 图1 2 新的监控系统组网模式 常州明景电子有限公司是专业从事生产、研发闭路电视监控设备的高科技企 业，产品研发方面有着雄厚的实力，在前端视频图像采集、图像压缩、云台控制 等方面已经积累了丰富的技术经验，公司“智能高速球”等系列智能化前端没备 的技术在全行业保持领先地位。目前，公司正在开展视频检测、图像跟踪、网络 视频传输等方面的研究。本课题来自于该公刮网络高速球的研发，通过对基于 w e b 技术的嵌入式网络视频监控系统的研究来开发和完善网络高速球摄像机的 结构功能。 1 3 2 主要研究内容 网络视频监控系统主要由前端网络高速球摄像机、集中管理服务器、客户端 基于w e b 技术的嵌入式网络视频监控系统研究 浏览器三大部分组成，本课题主要对前端的嵌入式网络高速球摄像机进行研究。 嵌入式网络高速球摄像机主要由四个模块组成：前端c c d 图像采集模块、视频 图像压缩编码模块、中央管理控制模块、网络接入模块等。系统采用a r m 微处 理器、嵌入式操作系统u c l i n u x ，构建基于t c p i p 协议的嵌入式w e b 服务器， 通过以太网完成视频数据的远程传输。因此，该系统主要完成以下一些任务功能： ( 1 ) 图像信号的采集与压缩 视频数据的采集选用s o n y 公司的彩色c c d 传感器，获得的模拟视频信号 经过a d 转换后，再进行视频图像压缩。选用合适的视频图像压缩方式对远程 监控的效果有很大的影响。目前用的比较多的有m o t i o n - j p e g 、m p e g 4 、h 2 6 3 等成熟的视频压缩方式。m o t i o n j p e g 视频压缩方式对视频数据信号采用帧内压 缩，而不进行帧问压缩，其过程容易实现，成本较低，图像的压缩率也相对较低， 因此网络传输需要较大的带宽。m p e g 一4 采用面向对象的编码方式，使用运动预 测和运动补偿技术消除图像信息中时间上的冗余，压缩效率较高，在网络视频监 控中得到了广泛运用。因此，考虑到目前网络的实际情况，在本系统中对运动图 像信号采用m p e g - 4 视频压缩方式，其带宽需求相对较少，视频图像效果完全 满足监控要求。 ( 2 ) 嵌入式操作系统的实现 在a r m 微处理器上运行嵌入式操作系统，可以为上层软件的开发提供统一 的接口，方便系统功雒的进一步扩展升级，同时操作系统可以实现多任务操作， 宏观上实现多个任务的同时执行。在嵌入式系统领域，目前有很多优秀的嵌入式 操作系统，如u c o s 、p a l mo s 、v x w o r k s 、h nc e 、u c l i n u x 等，l i n u x 系统是 开源的操作系统，相比较其他操作系统，具有定的优越性。在该系统中通过嵌 入操作系统u c l i n u x 来实现多任务操作，u c l i n u x 自身带有t c p i p 协议，具有强 大的网络功能，方便用户进行网络编程。 ( 3 ) w e b 服务器的设计 u c l i n u x 系统具有完整的t c p i p 协议栈，因此，可以采用s o c k e t 编程建立一 个基于t c p i p 的嵌入式w e b 服务器，为视频数据的传输和网络控制信息的收发 提供网络服务，远程客户端通过浏览器来实施对现场的视频监控，同时实现对视 频图像和云台的远程控制。 ( 4 ) 视频数据的网络接入以及对网络控制信号的解释和执行 通过编程实现视频数据的网络接入，同时对网络来的控制信号进行解释并正 确执行其指令。客户端可以通过浏览器控制监控摄像机的图像质量、分辨率、色 彩等参数，控制云台的转动方向，同时监控现场可以向合法的客户端用户发出报 警信息等，提高应急响应能力。 河海大学工学硕上论文 第一章网络视频监控系统总体设计 第二章网络视频监控系统总体设计 2 1 系统体系结构设计 网络视频监控系统整体结构如图2 1 所示，前端网络摄像机( l a nc a m e r a ) 负责视频信号的采集压缩，并通过网络接口接入i n t e r n e t ，对于比较复杂的网络 监控系统，建立集中管理服务器( a d m i n i s t r a t o rs e r v e r ) 显得很有必要，集中管 理服务器负责管理各个网络摄像机节点，用户通过访问集中管理服务器，可以访 问管理所有的由集中管理服务器管理的网络摄像机。对于简单的监控系统，可以 直接访问网络摄像机内部的w e b 服务器来进行视频监控。用户不仅可以通过p c 机的客户端软件来浏览监控现场的实时图像，而且还可以通过手机、p d a 等手 持设备，通过无线网络来进行监控。 图2 1 网络视频监控系统整体框图 系统中网络摄像机部分为本课题主要研究对象，它由c c d 传感器接收到的 模拟视频信号经过转换芯片转换为数字信号，送至视频压缩芯片处理，经过压缩 的视频图像信号由两络控制器发送至客户端。主控c p u 采用基于a r m 7 t d m t 内核的s 4 c 4 4 b o x 微处理器，主要完成视频数据的网络发送。在该系统中通过 接收来自图像压缩芯片的压缩视频信号，再由r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制器发送至 网络。 在a r m 上面运行嵌入式操作系统，这样不仪可以为上层提供统一的接口， 而且可以大大减少整个系统的开发周期。目前，嵌入式操作系统有很多，其中 u c l i n u x 作为源码开放功能强大的嵌入式操作系统已经在a r m 处理器上得到了 广泛的应用。在该系统中采用s a m s u n g 公司的a r m 微处理器s 4 c 4 4 b o x ，通过 在处理器f ：运行u c l i n t l x 操作系统，构建嵌入式w e b 服务器，并进行c g i ( c o m m o n g a t e w a yi n t e r g a c e ，通用网关接口) 编程，实现视频数据的传输以及对网络控制 信号的解释执行。 基于w e b 技术的嵌入式网络视频监控系统研究 2 2 视频图像信号处理 摄像机镜头在视频监控系统中相当于人的眼睛，负责对目标物体图像的采 集。摄像机的主要传感部件是c c d 传感器，c c d 是电耦合器件( c h a r g ec o u p l e d e v i c e ) 的简称，它能够将摄入的光线转变为电荷并将其储存、转移，把成像的 光信号转变为电信号输出，具有完成光电信号转换的功能，具有灵敏度高、畸变 小、寿命长、抗磁场、体积小、无残影等特点，因此是理想的摄像元件。 2 2 1 视频信号的采样、量化 由c c d 传感器采集的视频信号是模拟信号，模拟信号需要经过采样量化转 换成数字信号才能供计算机处理。经过量化以后的视频信号要恢复出原始的图 像，其采样频率需要满足奈奎斯特( n y q u e s t ) 抽样定理。我们将一幅图像信号 看成是一个空间上连续的矩形区域，并把该区域化分成m x n 个矩形格予，对每 个格子进行采样，获取一个亮度值，同样的方法可以提取出色度信号。 信号的量化是用有限的量化值代替原来连续变化的模拟量值。图像量化的基 本要求是在量化噪声对图像质量的影响可以忽略的前提下，用最少的量化层进行 量化。1 9 8 2 年l o 月，国际无线电咨询委员会( c c i r ) 通过了第一个关于演播室 彩色电视信号数字编码的6 0 1 建议，它采用亮度信号和色差信号分别编码的分量 编码方式，对亮度信号和色差信号的抽样频率分别是1 3 5 m h z 和6 7 5 m h z ，每 个数字有效行分别为7 2 0 个亮度抽样点和3 6 2 2 个色差信号抽样点。每个分量都 采用均匀量化p c m ，每个抽样值为8 b i t 。这几个参数对5 2 5 行、6 0 场秒制的视 频都是相同的”1 。 2 2 2 视频信号的压缩编码 图像压缩编码的目的就是要用尽量少的数据表征图像，同时保持复原图像的 质量，使它符合特定应用场合的要求。图像压缩是图像存储、处理和传输的基础， 可以减轻图像存储和传输的负担，使图像在网络上实现快速传输和实时处理。传 统的图像压缩编码是建立在香农( s h a n n o n ) 信息论基础上的，以经典的集合论 为基础，用统计概率模型来描述信源，但它未考虑信息接受者的主观特性及事件 本身的具体含义、重要程度和引起的后果。因此，压缩编码的发展历程实际上是 以香农信息论为出发点，不断完善的过程【4 】。 m p e g 视频图像压缩技术基本方法可以归纳成两个要点：一是在空间方向 上，图像数据压缩采用j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ，联合图片专家 组) 压缩算法来去掉冗余信息。二是在时间方向上，图像数据压缩采用运动补偿 ( m o t i o nc o m p e n s a t i o n ) 算法来去掉冗余信息。下面介绍几种常见的数据压缩编 码方式钔。 ( 1 ) 预测编码 预测法( 也称差分脉冲编码d p c m ) 是最简单也是最实用的视频压缩编码方 法，经压缩编码后传输的并不是图像样值本身，而是该取样的预测值和实际值之 差。因为视频信号具有很强相关性，邻近抽样的取值一般很接近，在多数情况下， 预测误差集中在零附近的一个小范围内，因此预测误差量化所需的量化级较少， 达到压缩码率的目的。预测编码又可以分为帧内预测和帧问预测。 帧内预测是利用图像信号的空间相关性来压缩图像的空间冗余，它分为一维 预测和一维预测两种。一维预测是用同一扫描行中前几个采样值来预测当前像 河海人学工学硕士论文 第二章网络视频监捧系统总体设计 素，二维预测是用同一个扫描行和上几行中邻近的几个采样值来预测当前像素。 帧间预测是利用图像序列在时间上的相关性来压缩图像序列的时间冗余的。 利用前一帧的图像经运动矢量位移作为预测值的方法称为单向预测，而利用前、 后向参考帧来预测当前帧的方法为双向预测。在实际应用中，采用基于块匹配法 的运动估计和运动补偿法，对图像进行预测编码，即将活动图像分成若干块或宏 块，采用搜索算法搜索出每个块或宏块在邻近帧中的位置，从而得出两者的相对 偏移量( 运动矢量m y ) ，最后对运动矢量和经运动匹配后得到的预测误差进行 编码。相邻两帧之间的块的运动矢量是以1 2 像素或1 4 像素为单位，以提高预 测精度。 ( 2 ) 变换编码 变换编码的过程是将原始图像分块，对每一块进行某种形式的正交变换。如 采用傅里叶变换，可以简单地理解为将小块图像由时间域变换到频率域，而且经 变换后链量主要集中在直流分量和低频分量上。在误差允许的条件下，只采用直 流和有限的低频分量来代表原始数据就能达到数据压缩的目的。在解压缩时，利 用已压缩的数据并补上高频分量，而后进行逆变换。通过逆变换就可恢复原始数 据。可以看到，在图像压缩时，忽略了许多高频分量，而在解压缩时，高频分量 用0 代替，这必然减少了信源的熵，使信息量减少，从而带来了一定的失真，所 以这种变换属于有损压缩。 正交变换的种类很多，比如人们熟知的傅里叶变换以外，还有沃尔什哈达玛 变换、哈尔变换、斜变换、余弦变换、正弦变换，基于统计特性的k l 变换等。 其中k l 变换后的各系数相关性小，能量集中，舍弃低值系数所造成的误差最 小，但k l 存在计算复杂，速度慢等缺点。由于离散余弦变换( d c t - d i s c r e t e c o s i n e t r a n s f o r m ) 与k ，l 变换性能最为接近，目前几种图像压缩编码的圈际标准如静 j f = 图像编码标准j p e g ，用于视频电话的h 2 6 1 标准以及m p e g 一1 、m p e g 2 都 采用d c t 编码方法。它具有快速算法易于硬件实现，而且其编码性能好，因此 得到广泛的应用。 ( 3 ) 熵编码 熵编码也叫统计编码，建立在视频信号的统计特性基础上，主要有霍夫曼 ( h u f f m a n ) 编码方法和算术编码方法。霍夫曼编码根据符号发送概率的不同分 配不同码跃的码字，概率大的符号给以短码，反之给以长码，从而平均码长达到 最短，码率得到压缩。当信源各事件概率相等时，霍夫曼编码效率最低；各事件 概率分布很不均匀时，其编码有很高效率。算术编码的思想是将被编码的信息表 示成实数0 和l 之闽的一个间隔( i n t e r v a l ) 。信息越长，编码表示的间隔就越小， 表示这一间隔所需的二进制位就越多。算术编码提供两种编码模式：基于概率统 计的固定模式和自适应模式，在自适应模式中，各个符号的概率初始值相同，而 后，信源符号的概率根据编码时符号出现的频繁程度动态地进行修改。当信源符 号概率比较接近时，算术编码的编码效率高于霍夫曼编码。 2 2 3m p e g - 4 视频压缩算法 m p e g ( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) 即活动图像专家组，始建于1 9 8 8 年，专门负责为c d 建立视频和音频标准，其成员均为视频、音频及系统领域的 技术专家。目前，m p e g 已完成m p e g 一1 、m p e g - 2 、m p e g 一4 和m p e g 一7 等版 本的制订，适用于不同带宽和数字影像质量的要求【4 j 。 m p e g 1 于1 曲2 年1 1 月成为国际标准，其主要任务是在一种可以接收的质 基于w e b 技术的嵌入式网络视频监控系统研究 量下，把视频信号和伴音信号压缩到速率大约1 5 m b s 的单一m p e g 数据流。它 规定了编码数据流的表示语法和解码方法，支持运动估计、运动补偿预测、d c t 、 量化和变长编码等。 在保证图像质量的前提下，要实现高压缩比的压缩算法，只进行帧内压缩是 不能实现的。一方面m p e g 1 采用了帧间压缩与帧内压缩相结合的压缩方法， 另一方面采用画面分组及在组内用预测和插补进行帧闻编码技术实现视频数据 的随机存取。m p e g 1 将一系列视频画面按照一定的帧数分成组，每组画面有三 种类型：帧内图像i ( i n t r a ) ，预测图像p ( p r e d i c t e d ) 和双向预测图像b ( b i d i r e c f i o n a l l yi n t e r p o l a t e d ) 。帧内图像i 以静止图像的压缩方法进行压缩，全 部信息都必须进行传送，并作为的随机存取的存取点。预测图像p 只对预测误差 信息进行编码后传送，并作为进一步预测的参考。双向预测图像b 以前后画面 进行插值处理得到，需要传送其运动补偿信息。 m p e g 。2 所追求的是c c i r 6 0 1 建议的图像质量，即为d v b 、h d t v 和d v d 等制定的3 m b p s - 1 0 m b p s 的运动图像及其伴音的编码标准。m p e g - 2 在n t s c 制 式下的分辨率可达7 2 0 x 4 8 6 ，m p e g 2 还可提供广播级的视像和c d 级的音质。 m p e g 2 在技术上与m p e g - 1 有着许多类似之处，并且与m p e g 1 兼容。m p e g 2 为了更好地处理隔行扫描的电视信号，分别设置了“按帧扫描”和“按场扫描” 两种模式，并相应地对运动补偿做了扩展。同时，m p e g 一2 支持隔行扫描视频格 式等其它先进功能。 伴随着视频编码相关学科的迅速发展，新一代视频图像压缩技术不断诞生并 r 益成熟，其编码思想由基于像素和像素块转变为基于内容( c o n t e n t b a s e d ) 。 基于内容的图像压缩方式分为基于对象( o b j e c t - b a s e d ) 和基于语义 ( s e m a n t i c s b a s e d ) 两种，它突破了香农信息论框架的束缚，充分考虑了人眼视 觉特性及信源特性，通过去除内容冗余来实现数据压缩。m p e g 4 就是基于对象 的图像压缩编码方式。 m p e g 一4 标准于1 9 9 3 年7 月丌始制定，在1 9 9 9 年初和2 0 0 0 年正式公布了 版本l 和2 。m p e g - 4 标准支持m p e g 1 ，m p e g 一2 中的大多数功能，提供不同 的视频标准源格式、码率，同时也支持基于内容的图像编码。m p e g - 4 最基本的 思想是基于对象的编码，所谓对象是在一个场景中能够访问和操纵的实体。这种 编码是基于内容的数据压缩方式，要求对图像和视频做更多的分析和理解。它不 仅是针对一定比特率的视音频编码，而且更注重多媒体系统的交互性和灵活性， 具体表现为【4 i ： ( 1 ) 引入a v 对象a v o a v 对象的基本单位是“a v o ”( a u d i ov i d e oo b j e c t ) ，它们可能是一个没 有背景的说话的人或这个人的语音和背景音乐等，它具有高效编码、高效存储与 传播及可交互操作的特性。m p e g - 4 对a v 对象的操作主要有：采用a v o 来表示 听觉、视觉或视昕：允许组合已有的a v o 来生成复合的a v o ( c o m p o u n da v o ) ， 井由此生成a v o 场景：允许对数据进行多路合成，以便选择合适的网络来传输 这些a v o 数据；允许接收端的用户在a v 场景中对a v o 进行交互操作。 ( 2 ) 基于内容的交互性 m p e g 一4 提供了基于内容的多媒体数据访问“工具箱”，主要由4 个基本要 素组成，即系统描述语言m s d l ( m p e g 一4s y s t e md e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 、工具 ( t o o l s ) 、算法( a l g o r i t h m s ) 及档次( p r o f i l e s ) 。利用这些工具，用户可以方 便地从多媒体数据库中有选择性地获取自己所需要的与对象有关的内容，并提供 河海大学工学硕士论文第二章网络祝频监控系统总体设计 了高效的自然或合成的多媒体数据编解码方法、增强的短暂随机访问方法、基于 内容的操作和位流编辑功能等。 ( 3 ) 高效的压缩性 m p e g 一4 基于更高的编码效率。同已有的或即将形成的其它标准相比，在相 同的比特率下，它具有更高的视听觉质量，使得在低带宽的信道上传送音视频、 或在有限容量存储介质上存储多媒体音视频成为可能。 ( 4 ) 通用访问性和可分级编码 m p e g 4 提供了易出错环境的鲁捧性( r o b u s t n e j s ) ，来保证其在许多无线 和有线网络以及存储介质中的应用，并利用m p e g 一4 的档次和级别，支持基于内 容的可分级编码，即把视频数据按内容、质量、复杂性提供分层的数据结构来满 足不同用户的需求，支持具有不同带宽、不同存储容量的传输信道和接收端。 m p e g - 4 采用了a c e ( 高级译码效率) 技术，它是一套首次使用于m p e g 4 的编码运算规则，与a c e 有关的目标定向可以启用很低的数据率。因此，m p e ( - 4 视频格式大大优于m p e g 1 ；f i m p e g 2 ，其视频质量与分辨率相对较高，而数据 率较低。因此，m p e g - 4 在当前的视频压缩中得到了广泛的应用，在我们的系统 中也采用了m p e g - 4 标准。 另外，视频监控系统的原始图像有自身的特点，即有大量的背景图像是静止 不动的或极少运动的。因此，可以采用m p e g 4 中s 谢t e 编码的思想来编码。一个 s p r i t e 是由一个视频序列中同一个视频对象的所有象素构成的，通过s 鲥t e 编码， 首先将背景全景图传送到解码端并生成背景图，其后只需传输少量的运动参数即 可，这样可以大大减少整个视频传输过程中的数据量，实现很高的压缩比。同时， 由于一般的s p r i t e 图像比较大，为了减少传输延迟，可以使用m p e g 一4 的基于对象 的分级功能，对s p r i t e 蛩像进行分层逐块传输。 对于监控系统而言，当传输图像的分辨率和帧率不是很高时，仍能达到一般 要求下的监控效果。采用m p e g 一4 的基于对象的分层传输思想，使用空域分级功 能调节空间分辨率，使用时域分级功能调节帧率。这样做一方面可以方便地实现 码率控制，从而对网络带宽的变化具有很好地自适应性，使得在极低码率的情况 f ，仍能达到不错地监控效果。另一方面用户可以通过交互功能选择分辨率和帧 率，以得到更好地视频效果或获得某一对象局部的细节。通过m p e g - 4 的场景描 述和交互可以实现很强的用户交互功能，用户可以交互式操作各种对象，这种交 互式操作可以改变场景描述节点的属性，如使某个对象可见或消失、通过鼠标或 键盘改变对象的位置或3 d 对象的视点和改变文本对象的字体和尺寸等，也可以 改变各个对象之间的关系，变换不同的角度进行观察。这些交瓦功能用于远程监 控可以极大地提高临控系统的灵活性及监视效果。 2 3 嵌入式微处理器 进入信息时代，智能化网络化的数字产品的得到蓬勃发展，在视频监控方面 产品更是得到快速发展，网络化的视频髓控系统允许用户可以在外出时随时通过 网络查看现场的情况，并指挥现场的运作。然而这些都得益于视频监控设备内部 一个高性价比，能适合实时应用的高性能嵌入式微处理器，微控制器。嵌入式微 处理器微控制器可以进行大量数字化信息的处理及对外围设各的控制，从而实 现设备的智能化，通过列络控制器实现设备的网络化。 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 的基础是通用计 算机系统中的中央处理器。在设计中，为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式 9 基于w e b 技术的嵌入式网络视频；i f f 控系统研究 微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干 扰、可靠性等方面都有所增强。和工业控制计算机相比，嵌八式微处理器具有体 积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，在电路板设计时，将嵌入式微处理器 与包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件设计到一块电路板上，从而提 高了系统的集成度，有利于系统的小型化设训5 1 。 2 3 1 嵌入式微处理器特点 作为信息产品智能化和网络化的核心，嵌入式微处理器除了具有体积小、重 量轻、成本低外，还具备以下一些基本特点【6 j ： ( 1 ) 对多任务有更强的支持 模块化的软件结构特征使嵌入式微处理器对于多任务的要求越来越高同时 必须满足严格的实时应用要求。因此，嵌入式微处理器的结构必须能完成多任务 切换并且具有较短的中断响应时间，从而使内部的代码以及实时内核的执行时间 减少到最低限度。 ( 2 ) 具有很强的存储区保护功能 f 1 益复杂的系统和有效的软件再利用提出了软件结构模块化的要求。为了避 免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能。在软 件集成的时，对于数据或程序中某一部分允许访问的类型是可以预先规定的，并 在每次访问存储系统之前先检查所要访问的区域和访问类型。如果访问了预先未 定义的区域或者访问的类型是不允许的时候则会引起存储区保护陷阱。另外，存 储区保护功能还可以用来进行软件诊断， ( 3 ) 可扩展的处理器结构 嵌入式系统和面向用户应用的系统，不仅要求在较低的价格水准上具有较高 的性能，而且还希望能更快地缩短投入市场的时间。为此对嵌入式微处理内核， 提出了具备可扩展的结构要求，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入 式微处理器。嵌入式微处理器结构的可扩展牲表现在多级流水线，可扩展的功能， 可配置的c a c h e 以及与协处理器的灵活接口四个方面。 ( 4 ) 低功耗 在今天多媒体技术蓬勃发展的时代，信息社会是以网络及移动计算和通讯设 备为基础的，在这样一些设备中的嵌入式微处理器必须消耗非常低的能量。因此， 便携式和无线应用中靠电池操作的嵌入式微处理器没计的最重要的指标是功耗 而不是性能。现在已经到了不是用m h z 来比较处理器而是用m w 或l a w 来比较处 理器的时候了，同时功率的传送和能量的消耗已成为性能和集成度的主要限制， 凶此嵌入式微处理器的设计必须是低功耗的。 2 3 2 嵌入式微处理器选择 嵌入式系统是面向特定应用的，嵌入式微处理器与通用处理器最大的不同就 是嵌入式微处理器大多工作在为特定用户设计的系统中，能够把许多外围接口集 成到芯片内部，因此大大提高了系统集成度。同时，高度的集成度使得嵌入式微 处理器都面向一定的应用领域，没有一种微处理器和微处理器公司可以主导嵌入 式系统，也使得同一