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北 华 大 学毕 业 设 计 （论 文 ）论 文 题 目 ： 基于嵌入式的火灾无线视频传输系统的设计与实现班 级 学 号 ： _姓 名 ： _专 业 名 称 ： _2014 年 06 月 05 日孙艳茹电子信息工程信息 10-2 20北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 1 -北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）毕 业 设 计 题 目 ： 作 者 ： _ 指 导 教 师 ： 单 位 ： 协 助 指 导 教 师 ： 单 位 ： 单 位 ： 完 成 日 期 ： 2014 年 06 月 05 日付伟基于嵌入式的火灾无线视频传输系统的设计与实现孙艳茹关 键 词 是 为 了 文 献 标 引 工 作 从 论 文 中 选 取 出 来 用 以 表 示 全 文 主 题 内 容 信 息 款 目 的单 词 或 术 语 。 如 有 可 能 ， 应 尽 量 用 汉 语 主 题 词 表 等 词 表 提 供 的 规 范 词 。 不 用此 信 息 时 ， 删 除 此 框 。摘 要嵌 入 式 技 术 和 多 媒 体 通 信 技 术 是 当 今 信 息 社 会 发 展 的 两 个 热 点 ， 随 着 现 代 科 学 技术 的 发 展 ， 两 者 技 术 的 融 合 将 会 为 多 媒 体 通 信 技 术 带 来 新 的 无 限 商 机 。 信 息 社 会 的 重要 特 征 是 人 们 对 各 种 信 息 能 够 方 便 、 灵 活 地 获 取 以 及 在 这 个 基 础 上 对 各 种 信 息 的 充 分应 用 。 而 一 个 众 所 周 知 的 事 实 是 ： 图 像 本 身 包 含 了 大 量 的 信 息 。 因 此 在 信 息 社 会 ， 如 何对 图 像 进 行 高 质 量 获 取 、 有 效 传 输 和 理 解 将 是 一 个 核 心 的 研 究 领 域 。本 文 主 要 设 计 一 种 基 于 嵌 入 式 技 术 的 无 线 视 频 传 输 系 统 。 在 这 个 无 线 视 频 传 输 系统 中 ， 网 络 设 备 在 一 个 局 部 区 域 中 使 用 ， 其 中 有 一 个 节 点 设 备 是 主 节 点 ， 其 他 的 节 点 负责 采 集 这 个 节 点 所 在 地 点 的 图 像 。 在 主 节 点 的 管 理 之 下 ， 主 节 点 根 据 需 要 ， 能 够 有 选 择地 把 网 络 中 其 中 一 个 节 点 所 在 地 点 的 图 像 ， 通 过 无 线 信 道 ， 传 送 到 主 节 点 中 ， 这 种 视 频传 输 系 统 特 别 适 合 在 对 人 的 身 体 有 伤 害 的 危 险 区 域 ， 情 况 复 杂 区 域 ， 不 方 便 计 算 机 网 络布 线 区 域 ， 分 布 的 控 制 系 统 区 域 等 等 。 同 时 这 种 网 络 设 备 的 用 途 可 以 进 一 步 扩 展 ， 通 过服 务 器 ， 可 以 把 那 个 区 域 中 不 同 所 在 地 点 的 图 像 传 送 到 Internet 中 去 。关 键 词 ： 视 频 传 输 ； 无 线 网 络 ,； 嵌 入 式 系 统 ； MPEG-4北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 3 -AbstractEmbedded technology and multimedia communications technology are the two hot spots in todays information society development,and with the development of modern science and technology,the integration of the two technologies will bring new opportunities for multimedia communications technology. Important features of the information society for all kinds of information that people can easily and flexibly access and full application on this basis for all kinds of information. And a well-known fact: the image itself contains a lot of information. Therefore,the information society ,how to get high-quality images,the effective transmission and understanding will be a core area of research.In this paper,the design of a wireless video transmission system based on embedded technology. In the wireless video transmission system,a local area network device used,wherein the node device is a master node,the other nodes that the node responsible for collecting the location of the image. Under the management of the master node,the master node according to need,the image can be selectively one of the nodes in the network for the location of a wireless channel transmitted to the master nodethis system is particularly suitable for video transmission to the human body there is risk of injury area,the situation is complicated area,convenient area computer network cabling,distributed control systems area and so on. While the use of such a network device can be expanded by the server,the image can be a different location in the region to transfer to the Internet.Keywords: video transmission;wireless networking;embedded systems;MPEG-4目 录摘 要 .2Abstract 3引 言 .11 绪 论 21.1 课 题 背 景 21.2 视 频 传 输 的 动 态 发 展 情 况 22 系 统 结 构 及 功 能 .42.1 系 统 结 构 组 成 42.2 系 统 功 能 要 求 42.3 传 输 模 式 选 择 52.3.1 有 线 视 频 传 输 优 点 .52.3.2 无 线 视 频 传 输 优 点 分 析 .52.3.3 无 线 视 频 传 输 系 统 的 缺 点 .62.4 无 线 视 频 传 输 系 统 62.5 视 频 压 缩 和 解 压 技 术 .72.6 编 码 解 码 的 实 现 技 术 .92.7 无 线 局 域 网 网 络 标 准 的 选 择 .93 嵌 入 式 系 统 及 ARM 体 系 结 构 .123.1 嵌 入 式 系 统 概 述 .123.2 MINI2440 开 发 板 介 绍 .123.2.1 S3C2440 介 绍 123.2.2 接 口 资 源 介 绍 133.3 嵌 入 式 Linux 系 统 构 建 .193.3.1 开 发 环 境 搭 建 19北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 5 -4 系 统 软 件 结 构 .224.1 嵌 入 式 系 统 的 选 择 234.2 无 线 网 卡 在 Linux 系 统 下 的 驱 动 .244.3 视 频 采 集 实 现 264.3.1 视 频 采 集 流 程 264.3.2 UVC 驱 动 框 架 274.4 MPEG-4 编 解 码 模 块 314.4.1 MPEG-4 编 码 器 应 用 程 序 接 口 .315 结 论 .34参 考 文 献 .35附 录 A36致 谢 .38北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 1 -引 言本 文 首 先 对 视 频 传 输 系 统 的 发 展 历 程 、 嵌 入 式 技 术 的 发 展 现 状 和 前 景 做 了 介 绍 ， 提出 利 用 嵌 入 式 技 术 和 无 线 网 络 技 术 解 决 视 频 传 输 是 符 合 信 息 社 会 发 展 的 时 代 要 求 ； 然 后明 确 了 系 统 所 需 要 完 成 的 基 本 功 能 ， 确 定 了 整 个 系 统 的 总 体 方 案 ， 按 照 业 务 流 程 将 系 统划 分 为 视 频 采 集 模 块 、 视 频 编 解 码 模 块 、 无 线 传 输 模 块 等 重 要 功 能 单 元 。 本 文 采 取 ARM处 理 器 与 嵌 入 式 Linux 操 作 系 统 作 为 系 统 的 硬 件 平 台 和 软 件 平 台 ， 重 点 对 核 心 模 块 进 行了 详 细 的 设 计 与 实 现 ， 视 频 采 集 模 块 和 视 频 编 解 码 模 块 主 要 利 用 i.MX21 处 理 器 的 CSI接 口 和 eMMA 硬 件 来 实 现 ， 采 取 硬 件 MPEG-4 编 解 码 ， 无 线 传 输 模 块 利 用 USB 无 线 网卡 和 基 于 UDP 和 RTP 的 通 信 协 议 来 保 证 快 速 有 效 的 视 频 数 据 传 输 。 通 过 以 上 的 技 术和 方 法 的 综 合 运 用 ， 才 得 以 实 现 本 文 所 设 计 的 无 线 视 频 传 输 系 统 。1 绪 论1.1 课 题 背 景无 线 视 频 传 输 涉 及 到 无 线 电 通 信 技 术 和 无 线 局 域 网 技 术 。 无 线 电 通 信 技 术 的 日 新月 异 和 无 线 局 域 网 的 飞 速 发 展 进 一 步 促 进 了 无 线 数 据 （ 语 音 、 视 频 、 数 据 ） 通 信 的 发展 ， 使 得 无 线 多 媒 体 教 学 、 多 媒 体 监 控 、 视 频 通 信 ， 无 线 宽 带 上 网 等 成 为 现 实 ， 并 在社 会 生 活 中 得 到 广 泛 应 用 。 随 着 网 络 和 多 媒 体 技 术 的 发 展 ， 特 别 是 视 频 压 缩 技 术 的 发展 ， 视 频 图 像 传 输 将 成 为 IP 网 络 的 重 要 业 务 。 有 线 的 实 时 视 频 传 输 系 统 在 国 内 已 经 到了 实 用 阶 段 ， 但 是 ， 由 于 有 线 传 输 的 局 限 性 ， 如 要 预 埋 线 路 ， 机 动 性 差 ， 造 价 高 昂 等缺 点 ， 使 得 有 线 的 点 对 点 或 多 点 对 点 的 实 时 视 频 传 输 系 统 的 使 用 受 到 限 制 。 而 无 线 扩频 通 讯 与 有 线 相 比 ， 有 其 固 有 的 优 越 性 ： 联 网 方 便 、 费 用 低 廉 等 。 所 以 开 发 点 对 点 或多 点 对 点 的 无 线 扩 频 实 时 视 频 图 像 传 输 系 统 有 很 高 的 实 用 价 值 。视 频 图 像 通 信 主 要 应 用 之 一 是 多 媒 体 监 控 和 教 学 ， 多 媒 体 监 控 是 当 今 监 控 领 域 的发 展 主 流 ， 既 可 用 于 工 业 过 程 和 交 通 管 制 中 的 监 测 与 控 制 ， 又 可 用 于 安 全 防 卫 中 的 监视 与 报 警 。 通 常 情 况 下 ， 多 媒 体 监 控 涉 及 的 图 像 所 包 含 的 信 息 最 为 丰 富 和 有 用 ， 但 同时 图 像 数 字 化 、 压 缩 、 传 输 及 处 理 也 较 为 复 杂 ， 因 而 图 像 监 控 就 成 了 多 媒 体 监 控 的 主要 内 容 。 在 技 术 进 步 推 动 信 息 传 递 日 趋 无 线 化 的 背 景 下 ， 无 线 图 像 传 输 也 就 成 为 图 像监 控 的 关 键 任 务 之 一 。 图 像 传 输 无 线 化 打 破 了 传 统 同 轴 电 缆 和 光 纤 图 像 监 控 受 制 于 硬件 连 接 的 不 利 局 面 ， 具 有 更 强 的 灵 活 性 和 方 便 性 。 无 线 图 像 传 输 正 成 为 无 线 视 频 通 信 ，多 媒 体 监 控 、 教 学 的 难 点 和 关 键 点 ， 一 旦 很 好 解 决 了 无 线 视 频 图 像 传 输 问 题 ， 将 在 视频 通 信 ， 多 媒 体 监 控 、 教 学 ， 工 业 控 制 中 得 到 广 泛 应 用 。 基 于 上 述 观 点 ， 研 究 设 计 视频 图 像 的 无 线 传 输 有 重 要 的 意 义 。 本 系 统 以 ARM 处 理 器 为 核 心 ， 充 分 利 用 了 ARM 处 理 器 高 性 能 、 低 功 耗 、 低 成 本 的 优 点 ， 扩 展 了 平 台 的 通 用 接 口 ； 并 且 采 用 了 WLAN 无 线 数 据 通 信 网 络 ， 为 无 线 应 用 提 供 了 经 济 、 完 善 的 解 决 方 案 。1.2 视 频 传 输 的 动 态 发 展 情 况视 频 传 输 系 统 的 功 能 是 能 够 对 现 场 进 行 视 频 采 集 并 传 输 到 显 示 设 备 中 ， 自 从 摄 像 机 、电 视 机 等 出 现 后 ， 最 初 的 视 频 传 输 系 统 也 随 之 出 现 。 随 着 计 算 机 技 术 、 数 字 视 频 技 术以 及 网 络 化 技 术 的 发 展 ， 视 频 传 输 系 统 也 在 不 断 发 展 。 从 第 一 代 基 于 模 拟 摄 像 机 的 模拟 传 输 系 统 ， 到 第 二 代 基 于 计 算 机 的 数 字 传 输 系 统 ， 再 到 第 三 代 基 于 嵌 入 式 的 网 络 数字 传 输 系 统 ， 视 频 传 输 系 统 己 经 历 了 三 个 发 展 阶 段 。(1)基 于 模 拟 摄 像 机 的 本 地 视 频 传 输 系 统北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 3 -基 于 模 拟 摄 像 机 的 视 频 传 输 系 统 一 般 是 由 摄 像 机 、 传 输 电 缆 、 监 视 器 、 视 频 矩 阵 切换 器 等 组 成 。 在 这 一 代 视 频 传 输 系 统 中 ， 由 摄 像 机 获 得 现 场 的 视 频 ， 通 过 电 缆 的 传 输 ，在 显 示 设 备 中 对 现 场 的 状 况 进 行 显 示 。 随 着 技 术 的 发 展 ， 出 现 了 视 频 矩 阵 切 换 器 ， 云 台控 制 等 新 技 术 ， 可 以 实 现 多 路 信 号 的 切 换 以 及 对 视 频 前 端 的 控 制 。 模 拟 视 频 传 输 系 统 的主 要 缺 点 是 ： 受 到 线 路 的 限 制 ， 不 能 长 距 离 的 布 线 ， 例 如 同 轴 电 缆 的 视 频 信 号 传 输 距离 只 有 一 千 米 ， 而 使 用 双 绞 线 更 短 ， 这 决 定 了 只 能 在 较 小 的 范 围 内 应 用 ； 扩 展 能 力 差 ，很 难 添 加 新 的 节 点 到 原 有 的 体 系 中 ； 模 拟 信 号 容 易 受 到 干 扰 ， 接 收 的 图 像 质 量 不 好 ； 信息 存 储 一 般 采 用 录 像 带 等 设 备 ， 容 量 有 限 且 成 本 较 高 ； 只 能 进 行 顺 序 检 索 ， 不 利 于 查 找信 息 ； 没 有 良 好 的 用 户 界 面 ， 不 利 于 操 作 管 理 。 (2)基 于 计 算 机 的 数 字 视 频 传 输 系 统由 于 计 算 机 技 术 和 数 字 视 频 压 缩 技 术 的 发 展 ， 数 字 视 频 压 缩 和 计 算 机 开 始 应 用 于视 频 传 输 。 在 这 一 代 视 频 传 输 系 统 中 ， 将 各 个 摄 像 机 获 得 的 视 频 信 号 首 先 利 用 专 用 的压 缩 设 备 进 行 视 频 压 缩 ， 然 后 通 过 网 络 联 到 一 个 PC 机 或 工 业 计 算 机 上 ， 在 这 台 作 为 核心 的 计 算 机 上 运 行 视 频 解 压 ， 提 供 视 频 传 输 服 务 。 在 这 种 视 频 传 输 系 统 中 ， 可 充 分 发 挥计 算 机 的 强 大 性 能 ， 在 此 基 础 上 产 生 了 各 种 智 能 化 应 用 。 例 如 ， 可 以 通 过 软 件 设 计 使 摄像 机 多 路 摄 像 机 的 矩 阵 切 换 、 云 台 控 制 、 报 警 等 功 能 统 一 由 计 算 机 来 管 理 ， 使 系 统 的 管理 和 维 护 大 为 简 化 ， 性 能 更 为 优 越 。 这 种 模 式 实 际 上 是 原 来 的 模 拟 视 频 监 控 系 统 的 延 伸 ，这 种 方 案 的 优 点 在 于 可 以 利 用 旧 有 的 线 路 设 备 进 行 改 造 ， 利 用 原 有 的 摄 像 机 获 取 图 像信 息 。 由 计 算 机 作 为 服 务 器 代 替 了 控 制 中 心 ， 在 一 定 程 度 上 解 决 了 上 一 代 监 控 系 统 的缺 陷 。 数 字 视 频 传 输 的 可 靠 性 高 ， 经 过 压 缩 的 图 像 传 输 更 加 快 速 ， 还 可 以 通 过 各 种 方 式与 联 网 的 其 他 计 算 机 共 享 。 经 过 压 缩 的 数 字 图 像 可 以 存 储 在 计 算 机 磁 盘 上 ， 存 储 容 量 大 ，故 障 率 低 ， 读 取 方 便 ， 易 于 检 索 。 拥 有 windows 这 种 良 好 的 用 户 界 面 ， 易 于 操 作 和 管理 。 但 是 这 种 应 用 方 案 的 缺 点 也 是 很 明 显 的 ， 由 于 图 象 压 缩 与 解 压 缩 采 用 的 是 专 用 的视 频 卡 ， 这 使 得 视 频 前 端 的 图 像 信 号 的 采 集 、 压 缩 、 通 讯 过 于 复 杂 ， 稳 定 性 、 可 靠 性 不高 ， 而 且 成 本 较 高 。 PC 机 仍 需 要 专 人 管 理 ， 操 作 较 为 烦 琐 。 兼 容 性 差 ， 由 于 使 用 专 用的 视 频 压 缩 卡 ， 故 系 统 只 能 支 持 一 种 编 解 码 格 式 。(3)基 于 嵌 入 式 技 术 的 视 频 传 输 系 统随 着 芯 片 、 网 络 技 术 的 进 步 ， 现 在 出 现 了 基 于 嵌 入 式 技 术 的 网 络 传 输 系 统 。 嵌 入式 系 统 也 由 于 软 件 硬 件 可 裁 剪 、 本 身 体 积 小 、 实 时 性 高 、 稳 定 性 好 、 支 持 网 络 等 优 点 ，成 为 工 控 领 域 的 新 热 点 。 基 于 嵌 入 式 技 术 的 视 频 传 输 系 统 有 效 地 将 嵌 入 式 技 术 和 图 像技 术 结 合 在 一 起 ， 可 以 很 好 地 解 决 基 于 PC 的 视 频 传 输 系 统 中 存 在 的 问 题 。 利 用 嵌 入 式技 术 ， 采 用 专 用 芯 片 和 嵌 入 式 操 作 系 统 ， 把 摄 像 头 输 出 的 信 号 进 行 图 像 压 缩 编 码 处 理 、网 络 通 信 、 自 动 控 制 等 ， 支 持 网 络 传 输 和 网 络 管 理 ， 有 效 地 提 高 了 系 统 的 实 时 性 和 稳 定性 ， 把 视 频 采 集 压 缩 和 网 络 传 输 功 能 集 成 到 一 个 体 积 很 小 的 设 备 内 ， 直 接 连 入 无 线 网 ，省 掉 各 种 复 杂 的 电 缆 ， 安 装 方 便 ， 使 得 应 用 范 围 达 到 前 所 未 有 的 广 度 。2 系 统 结 构 及 功 能2.1 系 统 结 构 组 成一 个 完 整 的 嵌 入 式 视 频 传 输 系 统 主 要 由 视 频 采 集 模 块 、 视 频 编 码 模 块 、 传 输 控 制协 议 处 理 模 块 、 通 信 网 络 、 视 频 解 码 模 块 与 显 示 模 块 组 成 。 系 统 功 能 组 成 结 构 如 图 2.1所 示 。图 2.1 视 频 传 输 系 统 结 构 框 图在 图 2.1 所 示 的 系 统 中 ， 视 频 的 处 理 流 程 如 下 ： 首 先 ， 在 视 频 发 送 端 ， 对 模 拟 视 频进 行 采 样 ， 获 得 数 字 视 频 并 对 数 字 视 频 进 行 编 码 ， 生 成 适 应 传 输 的 视 频 编 码 数 据 流 ； 然后 ， 根 据 无 线 网 络 的 可 用 的 通 信 资 源 和 传 输 控 制 协 议 ， 无 线 传 输 视 频 数 据 ； 最 后 ， 在 接收 端 对 接 收 的 视 频 编 码 流 进 行 解 码 ， 重 新 构 造 视 频 信 号 ， 并 向 发 送 端 发 送 反 馈 控 制 信息 。2.2 系 统 功 能 要 求针 对 所 设 计 的 嵌 入 式 视 频 传 输 系 统 ， 有 如 下 功 能 要 求 ：(1) 网 络 整 体 是 可 以 移 动 的 ， 即 网 络 具 有 交 互 性 ；(2) 网 络 由 1 个 主 机 连 接 K 个 节 点 组 成 。 发 生 火 灾 时 ， 相 应 节 点 发 出 警 报 ， 由 主 机 做出 反 映 ， 显 示 发 生 火 灾 的 现 场 视 频 信 息 ；(3) 网 络 的 主 要 任 务 是 网 络 能 够 在 移 动 中 获 取 一 个 局 部 区 域 的 图 像 ， 同 时 能 够 把 移 动 中获 取 的 图 像 作 进 一 步 的 传 送 ； (4) 网 络 传 输 距 离 可 以 从 几 十 米 到 一 百 米 ；北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 5 -(5) 网 络 节 点 制 造 成 本 要 求 相 对 比 较 低 ， 有 利 于 大 量 使 用 ；(6) 节 点 获 取 图 像 的 输 入 数 据 格 式 可 以 不 同 ， 图 像 的 输 入 象 素 可 以 不 同 ；(7) 在 主 节 点 ， 图 像 输 出 显 示 数 据 格 式 可 以 不 同 ， 图 像 的 输 出 象 素 在 横 、 宽 可 以 放 大 、缩 小 ， 或 者 仅 在 横 、 仅 在 宽 一 个 方 向 可 以 放 大 或 者 缩 小 ， 以 便 可 以 使 用 不 同 尺 寸 的LCD 显 示 屏 ；(8) 采 用 硬 件 的 方 法 压 缩 、 解 压 图 像 数 据 ， 以 提 高 数 据 处 理 效 率 。2.3 传 输 模 式 选 择2.3.1 有 线 视 频 传 输 优 点（ 1） 传 输 损 耗 小损 耗 小 是 光 纤 传 输 的 最 大 优 点 ， 1310nm 波 长 时 损 耗 约 为 0.4dB/km， 1550nm 波 长时 损 耗 约 为 0.25dB/km， 而 12 同 轴 电 缆 在 500MHz 频 率 时 损 耗 约 为 40dB/km 左 右 ， 可见 光 纤 的 损 耗 比 同 轴 电 缆 降 低 上 百 倍 。（ 2） 不 受 电 磁 感 应 干 扰雷 击 导 致 同 轴 电 缆 CATV 系 统 设 备 损 坏 的 比 率 较 高 ， 电 力 系 统 或 地 电 流 通 过 电 缆产 生 的 干 扰 会 使 系 统 信 号 质 量 下 降 ， 而 由 于 光 纤 具 有 良 好 的 抗 干 扰 性 能 故 在 光 传 输 系 统中 不 存 在 上 述 问 题 。（ 3） 频 带 宽光 传 输 系 统 所 用 的 激 光 频 率 处 于 1014Hz 量 级 在 100MHz 载 频 上 8MHz 带 宽 是8%， 而 在 200THz， T=1012 载 频 上 如 果 取 8%的 带 宽 即 为 16THz， 也 就 是 具 有 200 万 个频 道 的 容 量 ， 这 是 非 常 巨 大 的 带 宽 资 源 ， 尽 管 目 前 由 于 各 种 技 术 限 制 暂 时 做 不 到 这 么宽 的 频 带 传 输 ， 但 是 它 给 人 们 留 下 了 巨 大 的 资 源 潜 力 。2.3.2 无 线 视 频 传 输 优 点 分 析无 线 视 频 传 输 就 是 指 不 用 布 线 （ 线 缆 ） 利 用 无 线 电 波 作 为 传 输 介 质 ， 在 空 中 搭 建传 输 链 路 来 传 输 视 频 、 声 音 、 数 据 等 信 号 的 监 控 系 统 。（ 1） 成 本 廉 价 ：有 线 通 信 方 式 的 建 立 必 须 架 设 电 缆 ， 或 挖 掘 电 缆 沟 ， 因 需 要 大 量 的 人 力 和 物 力 ；而 无 线 数 据 传 输 方 式 则 无 需 架 设 电 缆 或 挖 掘 电 缆 沟 ， 只 需 要 在 每 个 终 端 连 接 无 线 数 传电 台 和 架 设 适 当 高 度 的 天 线 就 可 以 了 ， 比 如 无 线 针 孔 摄 像 头 。 相 比 之 下 无 线 数 据 传 输方 式 ， 节 省 了 人 力 物 力 ， 节 省 了 投 资 。 （ 2） 适 应 性 好 ：有 线 通 讯 的 局 限 性 太 大 ， 在 遇 到 一 些 特 殊 的 应 用 环 境 ， 比 如 遇 到 山 地 、 湖 泊 、 林 区等 特 殊 的 地 理 环 境 或 是 移 动 物 体 等 布 线 比 较 困 难 的 应 用 环 境 的 时 候 ， 将 对 有 线 网 络 的 布线 工 程 有 着 极 强 的 制 约 力 ， 而 无 线 针 孔 摄 像 头 这 种 无 线 数 据 传 输 方 式 将 不 受 这 些 限 制 ，所 以 说 无 线 数 据 传 输 方 式 比 有 线 通 讯 有 更 好 的 更 广 泛 的 适 应 性 ， 几 乎 不 受 地 理 环 境 限制 。（ 3） 扩 展 性 好 ：在 用 户 组 建 好 一 个 通 讯 网 络 之 后 ， 常 常 因 为 系 统 的 需 要 增 加 新 的 设 备 。 如 果 采 用有 线 的 方 式 ， 需 要 重 新 的 布 线 ， 施 工 比 较 麻 烦 ， 而 且 还 有 可 能 破 坏 原 来 的 通 讯 线 路 ，但 是 如 果 采 用 无 线 数 据 传 输 方 式 ， 只 需 将 新 增 设 备 与 无 线 数 传 电 台 相 连 接 就 可 以 实 现系 统 的 扩 充 了 ， 相 比 之 下 有 更 好 的 扩 展 性 。 (4)设 备 维 护 更 容 易 实 现 ：有 线 通 讯 链 路 的 维 护 需 沿 线 路 检 查 ， 出 现 故 障 时 ， 一 般 很 难 及 时 找 出 故 障 点 ， 而采 用 无 线 数 据 传 输 方 式 只 需 维 护 数 传 模 块 ， 出 现 故 障 时 则 能 快 速 找 出 原 因 ， 恢 复 线 路正 常 运 行 。2.3.3 无 线 视 频 传 输 系 统 的 缺 点无 线 视 频 传 输 系 统 的 缺 点 也 是 明 显 的 。 首 先 视 频 信 号 输 入 后 要 经 过 调 制 发 射 接收 解 调 还 原 等 一 系 列 的 电 路 环 节 ， 失 真 自 然 一 重 接 一 重 ； 另 外 信 号 在 传 输 的 过 程中 ， 容 易 受 到 干 扰 ， 最 终 无 线 传 输 后 的 还 原 效 果 不 及 有 线 。 然 而 ， 有 线 传 输 则 不 存 在那 些 电 路 环 节 所 产 生 的 问 题 。综 上 所 述 ， 本 文 采 取 无 线 视 频 传 输 模 式 实 现 本 文 所 设 计 的 无 线 视 频 传 输 系 统 。2.4 无 线 视 频 传 输 系 统无 线 视 频 传 输 系 统 总 体 上 可 分 为 三 个 部 分 ： 视 频 信 号 采 集 部 分 、 视 频 处 理 部 分 、视 频 无 线 传 输 部 分 。 视 频 信 号 采 集 模 块视 频 信 号 采 集 系 统 主 要 由 三 部 分 构 成 ： A/D 转 换 电 路 、 数 据 缓 存 、 逻 辑 控 制 电 路 。其 中 ， A/D 电 路 集 成 在 CMOS 图 像 感 光 器 中 ， 数 据 缓 存 与 逻 辑 控 制 电 路 由 单 片 机 来实 现 ， 采 集 模 块 通 过 USB 接 口 与 视 频 处 理 模 块 连 接 。 CMOS 采 集 图 像 后 输 出 YUV 格 式 的 视 频 流 到 缓 存 ， 然 后 由 MCU 控 制 传 输 到 视 频 处 理 单 元 。 在 传 送 完 一 帧 信 号 后 ，MCU 向 处 理 单 元 发 出 中 断 请 求 ， 待 此 帧 数 据 处 理 完 后 ， 继 续 进 行 图 像 信 息 采 集 。 视 频 处 理 模 块北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 7 -视 频 处 理 系 统 利 用 H.264 标 准 动 态 图 像 压 缩 编 码 技 术 来 对 采 集 到 的 视 频 信 号 进 行处 理 ， 编 码 器 采 用 软 件 实 现 的 方 式 ， 即 建 立 一 个 包 含 处 理 器 与 存 储 器 的 硬 件 平 台 ， 将 软件 编 码 器 下 载 到 此 硬 件 平 台 上 。 视 频 传 输 模 块视 频 传 输 系 统 采 用 了 Cardbus 与 WLAN 技 术 结 合 的 方 案 ， 即 扩 展 出 一 个 Cardbus PC 卡 接 口 ， 接 入 符 合 IEEE 802.11 协 议 的 PC 卡 ， 就 可 实 现 视 频 信 号 无 线 传 输 的 功能 。 视 频 传 输 模 块 与 视 频 处 理 模 块 的 连 接 需 要 一 总 线 桥 接 器 件 来 实 现 。2.5 视 频 压 缩 和 解 压 技 术视 频 信 息 的 存 储 和 传 输 具 有 数 据 量 庞 大 的 特 点 ， 大 数 据 量 的 视 频 图 像 信 息 会 给 存储 器 的 存 储 容 量 ， 通 信 干 线 信 道 的 带 宽 ， 以 及 计 算 机 的 处 理 速 度 增 加 极 大 的 压 力 。 单纯 靠 增 加 存 储 器 容 量 ， 提 高 信 道 带 宽 以 及 计 算 机 的 处 理 速 度 等 方 法 来 解 决 这 个 问 题 是不 现 实 的 。 很 显 然 ， 在 信 道 带 宽 、 通 信 链 路 容 量 一 定 的 前 提 下 ， 采 用 编 码 压 缩 技 术 ， 减少 传 输 数 据 量 ， 是 提 高 通 信 速 度 的 重 要 手 段 。 视 频 信 号 经 过 数 字 化 的 图 像 为 运 动 图 像 ，运 动 图 像 编 码 的 两 个 基 本 要 求 ： 实 时 性 和 高 效 性 。 一 方 面 ， 运 动 图 像 的 内 容 随 时 间 不断 发 生 变 化 ， 图 像 传 输 系 统 必 须 实 时 的 对 运 动 图 像 信 号 进 行 编 码 传 输 ， 接 收 端 才 能 解 码恢 复 连 续 的 运 动 图 像 ； 另 一 方 面 ， 运 动 图 像 的 内 容 丰 富 ， 信 息 量 大 ， 所 需 的 数 码 速 度 很高 。目 前 视 频 图 像 压 缩 编 码 主 要 采 用 MPEG1/2、 MPEG-4、 H.263、 H.264 等 几 种 视 频编 码 技 术 。 对 于 最 终 用 户 来 言 ， 最 为 关 心 的 主 要 有 ： 清 晰 度 、 存 储 量 (带 宽 )、 稳 定 性 还有 价 格 。 采 用 不 同 的 压 缩 技 术 ， 将 很 大 程 度 影 响 以 上 几 大 要 素 。本 文 采 取 MPEG-4 的 图 像 编 码 比 较 合 适 ， 理 由 如 下 ：l、 MPEG-1/2MPEG-1 标 准 主 要 针 对 SIF 标 准 分 辨 率 (NTSC 制 为 352X240； PAL 制 为 352X288)的 图 像 进 行 压 缩 。 压 缩 位 率 主 要 目 标 为 1.5Mb/S。 较 MJPEG 技 术 ， MPEG-1 在 实 时 压缩 、 每 帧 数 据 量 、 处 理 速 度 上 有 显 著 的 提 高 。 但 MPEG-1 也 有 较 多 不 利 地 方 ： 存 储 容量 还 是 过 大 、 清 晰 度 不 够 高 和 网 络 传 输 困 难 。 MPEG-2 在 MPEG-1 基 础 上 进 行 了 扩 充和 提 升 ， 和 MPEG-1 向 下 兼 容 ， 主 要 针 对 存 储 媒 体 、 数 字 电 视 、 高 清 晰 等 应 用 领 域 ， 分辨 率 为 ： 低 (352x288)， 中 (720x480)， 次 高 (1440x1080)， 高 (1920x1080)。 MPEG-2 视 频相 对 MPEG-1 提 升 了 分 辨 率 ， 满 足 了 用 户 高 清 晰 的 要 求 ， 但 由 于 压 缩 性 能 没 有 多 少 提 高 ，使 得 存 储 容 量 还 是 太 大 ， 也 不 适 和 网 络 传 输 。2、 MPEG-4MPEG-4 视 频 压 缩 算 法 相 对 于 MPEG-1/2 在 低 比 特 率 压 缩 上 有 着 显 著 提 高 ， 在CIF(352*288)或 者 更 高 清 晰 度 (768*576)情 况 下 的 视 频 压 缩 ， 无 论 从 清 晰 度 还 是 从 存 储 量上 都 比 MPEG-1 具 有 更 大 的 优 势 ， 也 更 适 合 网 络 传 输 。 另 外 MPEG-4 可 以 方 便 地 动 态调 整 帧 率 、 比 特 率 ， 以 降 低 存 储 量 。 MPEG-4 的 音 频 、 视 频 通 信 编 码 速 率 为 8Kb/s 至32Mb/s。3、 H.263H.263 标 准 是 由 国 际 电 信 联 盟 (ITU)发 布 的 ， 对 视 频 会 议 和 视 频 电 信 应 用 提 供 视 频压 缩 编 码 。 它 在 低 码 率 条 件 下 ， 能 够 在 不 增 加 太 多 复 杂 度 的 情 况 下 ， 获 得 更 高 的 图 像 质量 。 在 源 端 视 频 信 息 帧 被 捕 捉 并 被 通 过 视 频 编 码 器 进 行 编 码 ， 压 缩 后 的 编 码 必 须 通 过网 络 或 是 电 信 联 接 传 输 ， 并 在 视 频 解 码 端 进 行 解 码 。 目 前 H.263 标 准 已 经 被 各 种 可 视 电话 终 端 协 议 广 泛 采 用 。4、 H.264H.264 标 准 继 承 了 H.263 和 MPEG1/2/4 视 频 标 准 协 议 的 优 点 ， 在 各 个 主 要 的 功 能模 块 内 部 使 用 了 一 些 先 进 的 技 术 ， 提 高 了 编 码 效 率 H264 的 数 据 压 缩 率 在 MPEG-2 的 2倍 以 上 、 MPEG-4 的 1.5 倍 以 上 。 从 理 论 上 来 说 ， 在 相 同 画 质 、 相 同 容 量 的 情 况 下 ， 可比 目 前 的 DVD 光 盘 多 保 存 2 倍 以 上 时 间 的 影 像 。 H.264 在 压 缩 编 码 效 率 、 视 频 内 容 自适 性 处 理 能 力 方 面 及 网 络 层 面 ， 特 别 是 对 IP 网 络 及 移 动 网 络 的 自 适 应 处 理 能 力 、 抗 干扰 能 力 与 顽 健 性 等 方 面 ， 相 比 H.263/MPEG-4 均 有 大 幅 度 提 高 。 H264 的 应 用 确 属 相 当广 泛 ， 包 括 固 定 或 移 动 的 可 视 电 话 、 移 动 电 话 、 实 时 视 频 会 议 、 视 频 监 控 、 流 媒 体 、多 媒 体 视 频 、 Internet 视 频 及 多 媒 体 、 PTV、 手 机 电 视 、 宽 带 电 话 以 及 视 频 信 息 存 储 等 。(l)根 据 我 们 提 出 的 性 能 参 数 ， 要 达 到 320x240 显 示 屏 上 ， 视 频 的 帧 数 为 每 秒 20 帧的 指 标 ， 以 及 无 线 网 络 传 输 的 速 率 ， 我 们 必 须 要 选 择 压 缩 率 比 较 高 、 编 码 速 率 比 较 快的 视 频 压 缩 编 码 标 准 ， 通 过 对 比 ， MPEG-4、 H263、 H264 都 比 较 符 合 我 们 的 要 求 。(2)考 虑 到 我 们 系 统 的 实 际 的 应 用 范 围 ， 是 应 用 于 嵌 入 式 多 媒 体 视 频 无 线 网 络 传 输以 及 传 输 介 质 的 限 制 ， 我 们 认 为 MPEG-4 和 H264 符 合 我 们 的 要 求 。(3)考 虑 到 嵌 入 式 系 统 CPU 性 能 有 限 ， 同 时 i.MX21 处 理 器 内 嵌 了 增 强 的 eMMA(多媒 体 加 速 器 )， 它 包 含 了 硬 件 的 MPEG-4 编 码 器 模 块 (Encoder)、 MPEG-4 解 码 器 模 块(DeCoder)， 因 此 采 用 i.MX21 支 持 的 MPEG-4 硬 件 编 解 码 库 实 现 视 频 的 编 码 更 加 快 速 。2.6 编 码 解 码 的 实 现 技 术MPEG-4 视 频 编 码 技 术 采 用 了 现 代 图 像 编 码 方 法 ， 利 用 人 眼 视 觉 特 性 ， 从 轮 廓 纹理 的 思 路 出 发 ， 支 持 基 于 内 容 和 对 象 的 编 码 ， 支 持 基 于 内 容 的 交 互 功 能 ， 并 实 现 编 码 的北 华 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 9 -连 续 可 分 级 性 ， 根 据 网 络 的 通 信 状 况 控 制 视 频 图 像 质 量 。 MPEG-4 视 频 编 码 正 在 完 成 从基 于 像 素 的 传 统 编 码 向 基 于 对 象 和 内 容 的 现 代 编 码 的 转 变 。在 嵌 入 式 处 理 器 的 开 发 板 上 把 视 频 采 集 的 视 频 进 行 压 缩 与 解 压 的 技 术 ， 典 型 的 解 决方 案 是 在 嵌 入 式 处 理 器 上 加 上 一 块 视 频 压 缩 与 解 压 芯 片 ， 实 现 视 频 压 缩 与 解 压 。 这 个方 案 不 足 在 于 增 加 一 块 芯 片 ， 需 要 增 加 芯 片 与 CPU 的 连 线 和 初 始 化 程 序 ； 也 会 增 加 印刷 电 路 板 的 面 积 ； 如 果 是 在 手 持 设 备 里 面 增 加 一 块 视 频 压 缩 与 解 压 芯 片 的 印 刷 电 路 板 ，那 无 疑 会 影 响 使 用 的 方 便 。 在 嵌 入 式 处 理 器 的 开 发 板 上 使 用 软 件 进 行 视 频 压 缩 与 解 压是 不 可 取 的 做 法 。 因 为 把 每 秒 20 帧 的 视 频 使 用 软 件 进 行 压 缩 ， CPU 就 不 能 做 其 他 的 事情 了 。因 此 ， 视 频 压 缩 和 解 压 技 术 需 要 使 用 另 外 的 方 法 实 现 。 前 面 已 经 提 及 ， 视 频 采 集 的各 个 环 节 使 用 完 全 的 硬 件 方 式 解 决 ， 那 么 我 们 设 计 的 视 频 传 输 系 统 的 视 频 压 缩 和 解 压技 术 也 需 要 使 用 完 全 的 硬 件 方 式 解 决 ， 同 时 该 编 解 码 硬 件 和 CPU 是 集 成 在 同 一 个 芯 片内 ， 使 这 两 部 分 协 调 起 来 工 作 。在 我 们 采 用 的 i.MX21 处 理 器 的 开 发 平 台 上 ， 可 以 选 择 硬 件 或 者 软 件 来 实 现 MPEG-4 编 码 。 目 前 基 于 MPEG-4 标 准 的 编 码 器 软 件 主 要 有 Xvid、 DIVX 和 ISOEncoder， 在 这三 个 编 码 器 软 件 中 ， Xvid(旧 称 为 XviD)是 一 个 开 放 源 代 码 的 MPEG-4 视 频 编 解 码 器 ，它 是 基 于 OpenDivX 而 编 写 的 。 除 了 最 原 始 单 重 估 定 码 流 压 缩 (1-pass CBR)之 外 ， XviD提 供 了 包 括 ： 单 重 质 量 模 式 动 态 码 流 压 缩 、 单 重 量 化 (Quantization)模 式 动 态 码 流 压 缩 、和 包 括 外 部 控 制 和 内 部 控 制 的 两 种 双 重 (2-pass)动 态 码 流 压 缩 模 式 。 XviD 显 然 是 目 前 PC上 的 MPEG4 编 码 核 心 中 ， 可 选 模 式 最 多 的 视 频 编 码 ； 如 果 采 用 硬 件 方 式 实 现 MPEG4编 码 ， 可 以 使 用 处 理 器 芯 片 中 内 置 的 MPEG-4 编 解 码 器 ， 支 持 多 媒 体 加 速 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