（通信与信息系统专业论文）家庭安防系统中流媒体服务器的研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文 家庭安防系统中流媒体服务器的研究 摘要 随着建设安全城市的“3 1 1 1 工程”的提出，家庭安防系统越来越受到人们重 视。传统的家庭安防系统以防盗锁和报警器为主，不但实时性差，防盗功能也相 当有限。针对传统安防的缺点，本论文旨在研究和实现适合家庭用户的低成本、 高性能的流媒体服务器，以方便用户在任何一个接通网络的地方对家中状况作实 时监控。 论文首先研究了当前安防系统的市场需求和发展前景，给出了家用流媒体视 频服务器的研发可行性调研。在将各芯片厂商提供的方案做了仔细分析比较后， 挑选出最适合家用系统、性价比最高的方案，并对主芯片做了详细深入的了解。 然后，论文描述了系统框图设计和硬件框图设计，对实际p c b 设计制板过程中 应避免的电磁干扰问题做深入研究，寻求电磁兼容方案。 本论文对流媒体视频服务器提出了系统改进方案：以z l g b e e 无线技术代替 芯片厂家提供方案中的r s 2 3 2 有线连接常规报警装置节点，使整个系统更适合 家庭用户对于安装便捷性的需求，并给出了一个无线节点的实现方法i 为缓解实 际应用中可能出现的信号带宽紧张的问题，论文对于m p e g 4 视频流经典的 r f c 3 6 4 0 打包算法进行了大量研究，并针对此算法网络传输效率不高的问题， 给出了改进方案的详细步骤和流程图，改进后的算法去除了同步层，提高了传输 效率和终端系统性能。 关键词：家庭安防，流媒体，视频服务器，z i g b e e ，m p e g 4 华东师范大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fs t r e a mm e d i as e r v e r f o r h o u s es e c u i u t ys y s t e m a b s t r a c t w i 也也ed e v e l o p m e n to f 廿1 es o c i 咄31 11p r o j e c t 、弱r a i s e df o rb 试l ( n n gs e 呻 c 时a n di tw 嬲m o r ea n dm o r ea ：t t a c h e di n 驴r t a 】et 0b yp e o p l e t h cm a i np r o d l l c 魑 f o r 仃a d i t i o n 2 l lh o m es e c l l r i 锣s y s t e ma r el o c ka g a i n s t 曲l e f ta n db 1 西a ra l 锄t h e ya r e n o tr e a lt i m ep r o d u c t s 跹dl i l 疵e di nf h n c t i o 玎s a i n l i i 培a ta m e l i o r a ：血唱也e 仃a d i t i o n 粗 s e c l l r i 锣s y s t e m ，t h i sp 印e rf o c l l so nt h er e s e a r c ha n d 证1 p l e m e n to f 也e1 0 wc o s ta r l d 1 1 i 曲e 伍c i e n ts 虹e a mm e d i as e e r ，s o 也a tw i mi t ，n l ec u s t o n l e r sa r ea b l et om o l l i t o r 恤斫鼬h a p p e “h gi nh o m ea n yt i m e 砌i 1 1 t e 如【e t a b o v ea 1 1 ，也ep a p e rn o to n l yi 1 1 v e s t i g a t e dt h er e q m r e m e n to ft h em a r 玉o e ta 1 1 d 也e f o r e g r o u n do f 廿1 ed e v e l o p m e n to ft h es e 铡嘶s y s t e mb u tr e s e a r c h e dm ef e a s i b i l i 够o f t h es t u d yo fs t r e 锄m e d i as e r v e rf o rf a n l i l y 弱、e u a f t e rc a r e 如1 1 yc o 加【p a r e d 龇1 d a i l a l y s e dt 1 1 eb l u ep 血她。虢r e db y 吐峙d i 旋r e n tc m o sc l l i pm a n 诚删= u r e r s ，t 1 1 eb e s t s y s t e mt 1 1 a tw a ss u i t a b l ef o r 也eh o m ec u s t o m e r sw e r es e l e c t e da n d 也em a i nc k po f 也es y s t e mw 口s1 u 烈l b r a t e d w h e r e 射t e r ，m ep 印e rd e s c r i b e dt h ed e s i g no fm es y s t e m c l l a r ta n d 也eh a r d 、a r ec l m r t b e s i d e s 伍o s e ，吐屺e l e c 仃o m a 口e t i c 抽【t e d 宅r e n c e p r o b l e m sw m c hs h o u l db ea v o i d e dd u r i n g 血ep r o c e s so fp c bb o a r df a c t u r w c 犯 s t u m e da 1 1 de l e c 仕o m 秘t i cc o m p a t i b l es c h e i l l ew a sq s t e d a st 0 也e 缸n o v a ：t i o np o i n _ t ，t h ep a p e rb 1 o u g h tf o r w a r d 也es d l e 1 et 0i i i l p r o v e l e w h 0 1 es y s t e m t h ez i g b e e d r e l e s st e c h l 0 1 0 9 yw a sl l s e dt 0t a k e 血ep l a c eo fr s 2 3 2 i n t er f ：犯ei n 也es c h e m e ，w h i c hw 鹤p r o v i d e db y 也em 锄慨t u r e ，s 0 蛳t h e r e f o m a t i v es y s t e m 谢1 1b em u c hm o r es l l i 协b l ef o r 也e 础m e rf o r 也ec 0 1 w e i l i e n t c o n s i d e r a t i o n f i n m l y ，t l l ep a p e r 、r k e do v c rm ec l a s s i c a l r f c 3 6 4 0p a c k 缸g a r j 也如e t i co fm p e g 一4s 骶锄a n dt h cp 枷c u l a rs 白印sa n dn o wc h a no ft h e 洫1 p r o v e d s c h e n l e 傩p r o v i d e dt oi n l p r o v em e 仃a n s 血s s i o ne 伍c i e c y 髓yw o l m ：h o u s es e 呻s y s t e m ，s 仃e 锄m e d i 如d e os e r v e r ，z i 邸e e ， n 口e g 4 v 华东师范大学硕士学位论文 图表目录 图表2 1m p e g - 4 组成图1 3 图表3 1基于f i c 8 12 0 的家庭安防系统框图2 6 图表3 - 2f l c 8 1 2 0 芯片框图一2 7 图表3 - 3s a a 7 1 1 3 h 系统框图2 9 图表3 _ 4s a a 7 1 13 h 系统框图3 0 图表3 5s a a 7 1 13 h 的时序图3 1 图表3 - 6w 9 8 2 5 g 6 d h 规格表3 2 图表3 7s d r a m 的原理图设计3 3 图表3 8 视频服务器t o p 层视图3 8 图表3 - 9 视频服务器b o t l o m 层视图3 9 图表3 10 视频服务器外观视图4 5 图表3 1 1 视频服务器整体运作图4 6 图表4 1z i g b e e 协议框架4 9 图表4 2z g b e e 无线网络的拓扑结构5 0 图表4 3 家庭z j g b e e 方案系统图5 2 图表4 _ 4c c 2 5 2 0 连接图。5 3 图表4 5c c 2 5 2 0 设计原理图5 4 图表4 - 6c c 2 5 2 0z i g b 收发模块图5 4 图表4 7c c 2 4 3 1 玻璃裂损报警器原理图5 6 图表4 8c c 2 4 3 1 玻璃裂损报警器模块5 6 图表4 9 改进后的家庭安防系统框图5 7 图表4 - 10 协议栈5 8 图表4 11 c c 2 5 2 0 模块的在z i g b e e 协议的基础上采用的软件架构5 9 图表4 - 12z d od e v i c ea n n o u n c ed e l i v e r e dt oa na p p c a t i o n 6 1 图表5 - 1视频服务器物理模型6 2 图表5 2 视频服务器逻辑模型6 2 图表5 3v i d e 0 4 i n u x 视频采集流程图6 3 图表5 - 4 传输体系网络结构6 5 图表5 - 5 传输系统各个处理层的数据格式6 6 图表5 6s l 分组图6 8 图表5 7r t p 载荷结构6 9 图表5 8a u 头部结构6 9 图表5 - 9a u 头部字段7 0 图表5 10a u 数据区7 1 图表5 1 1改进算法流程图( 1 ) 7 3 图表5 - 12 改进算法流程图( 2 ) 7 4 x 华东师范大学硕士学位论文 表格2 1 表格2 2 表格2 3 表格2 5 表格2 6 表格2 7 几种压缩解码应用于远程传输的主要参数比较1 0 t m s 3 2 0 c 6 4 4 6 主要特点1 7 h i 3 5 10 主要特点19 m p g “0 a 主要特点2 0 f i c 8 12 0 主要特点2 1 四种方案比较一2 3 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期：2 1 ，垆 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 日期： 导师签名：弛 p 一 日期：丝芏 华东师范大学硕士学位论文 1 、第一章绪论 1 1 课题背景 随着社会经济的快速发展，社会公共安全受到政府及其普通百姓的日益关 注。2 0 0 7 年，全国2 2 个城市报警与监控系统建设试点城市( 部级试点) 的平安 建设将进入建设中期，全国各省、市、自治区确定的4 0 0 多个“3 1 1 1 工程试点 县、市、区平安建设也开始进入高潮，许多省市先后出台了2 0 0 6 年一2 0 1 0 年平 安建设纲要，平安城市建设正如火如荼。 除了各大城市以外，许多乡镇甚至农村都已经开始出资建设自己的治安监控 系统，比如山东日照市虎山镇加强“平安虎山 建设，“电子眼瞄向新农村， 投资1 0 0 余万元在全镇5 3 个行政村村村安装“电子眼”，实现“村村通监控 、 无缝隙覆盖；北京郊区有许多村庄也开始自筹资金，安装报警与监控系统；安徽 省马鞍山市要求市、区( 县) 、乡镇( 街道) 每年出资2 0 0 余万元，深入推进治安防 控体系建设；广东东莞等地农村地区报警与监控系统建设开展得都十分活跃。可 以看出，农村地区千百年来传统的安全防范观念已经发生了根本性的变化，开始 接受高科技的技防系统。 各地平安建设工程的许多项目都在2 0 0 8 年进入建设高峰或完成建设。如北 京市，随着2 0 0 8 年北京奥运的日益临近，平安首都建设在2 0 0 8 年将进入最后冲 刺阶段，8 0 的项目都要在2 0 0 8 年初完成并通过验收；昆明市3 年一5 年内将按 照城市主要街道、治安复杂地段由政府出资，社区、企事业单位由单位和居民出 资的办法，将昆明市现有的3 万多个电子监控探头扩建到2 0 万个，大部分将在 2 0 0 8 年完成；兰州市计划三年内在全市构建3 0 0 0 个监控点；2 0 0 7 年沈阳将在市 区增加2 0 万个电子眼；海南省三亚市也出台了三亚市公安局智能交通及监控 系统建设项目总体设计方案，项目建设分一、二、三期进行，按照初步设计， 前期投资为1 8 0 0 万元，重点建设期也在2 0 0 7 至2 0 0 8 年。 因此，2 0 0 8 年“平安商机”不可估量。视频监控系统是城市安全防范系统的 核心组成部分，是一种防范能力较强的综合系统。视频监控技术为人们提供了远 距离实时图像监控的最佳手段。它让人们对某些特定的场合中所发生的情况进行 实时了解，在问题发生的第一时间做到及时控制，对某些可以解决的问题进行最 快速的处理。稳定可靠的视频监控将是未来社会安全城市发展的主要方向。本课 题针对家庭安防系统，配合国家建设安全城市的3 1 1 1 工程，旨在设计和完成安 全可靠，用途灵活，高信价比的流媒体实时服务器。真正做到高效的移动监控。 同时，这样的实时流媒体服务器经过扩展可应用于多路工厂流水线，城市交通道 华东师范大学硕士学位论文 路口，地铁各个站点等场合的实时监控。 1 1 1 发展与现状研究 视频监控技术在近几年得到了革命性的发展。总的来说它经历了传统视频监 控、共缆监控、数字监控和网络视频监控四个阶段。 传统视频监控方式：主要适用于以下几种可能应用范围内： 距离在2 0 0 米范围内：由于传统的线缆在传输距离上的限制，超出1 0 0 多米将需要添加视频放大器，否则便容易受天气等影响出现色偏差、还 原度不好、干扰等情况；如果添加过多的视频放大器则不容易调试均衡， 很容易造成图像失真、信号过强等情况，图像的清晰度也容易受影响。 点数比较少距离比较近：例如在数间办公室或者大厅，或者楼层较低， 线缆数量一起不粗的情况下也比较合适，例如在银行的大厅等；距离近， 监控点也不多。 允许布线数量较多：在有些场所下不需要考虑线缆多少，技术要求不高， 距离也比较近。 而共缆监控方式：主要适用于以下几种可能应用范围内： 监控距离在数公里以内：由于采用高频分割技术，因此可以在较远的范 围内传输，从理论上添加放大器的方式可以传输到无穷远，由于添加放 大器是对于综合信号的调整，所以不容易出现信号失真等情况。 点数多：由于众多的监控信号通过一根线缆传输，因此大大节省布线数 量，也为潜在的布线所造成的难度降低，设备故障更容易检查，线缆数 量也大大节省，图像质量能够有效保障。 不容易布线的场所：如果在某些已经装修好的房屋内布线，很容易造成 房屋结构的损坏，因此采用一根线缆的方式将是最佳的解决方案。 要求不断更换监控点或者添加监控点，考虑比较长远的地区：在很多厂 矿和公共区域，需要根据情况添加或者更换监控摄像地点，这样利用共 缆监控设备便可以无需重新布线，便可以直接添加。 干扰比较严重的区域：由于采用高频信号，因此其抗干扰性大大加强， 例如电厂等区域，有时候不能采用光端机，因为光端机的发射管上作频 率也在干扰范围内，很容易造成信号的丢失、干扰等。 信号清晰度要求高、传输无延时：由于该设备可以将8 0 0 线的摄像头信 号高保真无延时地传送，其传输速度是光速，因此从技术角度上基本没 有延时。 安全要求高的地域：有些区域由于要求采用加密信号，采用共缆监控设 2 华东师范大学硕士学位论文 备可很容易完成。 为改善上述两种监控方式所存在的问题，数字视频监控进入我们的视线。数 字视频监控引入了先进的数字信号处理技术，在信号的传输、控制和存储方面都 与模拟视频监控有着本质的区别。在数字视频监控系统中，利用即e g - 4 、h 2 6 4 等高效视频编码技术来监控图像，使得能够以较低的带宽占用，实现在各类数字 传输网上的远距离传输。前端摄像机的p t z 控制和图像显示都可以通过p c 来完 成，图像的存储则基于计算机硬盘。数字视频监控是安防领域的一次革新，在远 距离传输、工程布线、操作维护以及应用灵活性等方面都远远超越了模拟视频监 控。但是，数字视频监控本身是一个非常宽泛的概念，体现的主要是信号处理技 术上的变革，不涉及体系结构。这导致目前的数字视频监控系统在组网方式上千 差万别，且无法互通。 而网络视频监控以数字信号处理为基础，采用网络化的方式实现信号的传 输、交换、控制、录像存储以及点播回放，并通过设立强大的中心业务平台，实 现对系统内所有编解码设备及录像存储设备的统一管理与集中控制。对用户而 言，仅需登录中心业务平台，即可实现全网监控资源的统一调用和浏览。网络视 频监控体现的不仅仅是技术的革新，更重要的是架构的革新。通过参考并借鉴先 进、成熟的通信网体系架构，网络视频监控至少将对两个方面产生促进作用：一 是数字视频监控标准化的建立与完善，二是传统安防业与通信业的融合。这两个 促进作用将带动整个安防产业向规范化、规模化方向发展，并给视频监控带来更 为广阔的市场空间。 当今，网络技术、通讯技术和多媒体技术的迅猛发展极大地改善了人们获取 信息的途径，人们已经不再满足于过去只从网络上获取文本、图像和简单的声音 文件的状况，相比以往信息获取的途径，人们更乐于接受同时具有音频和视频媒 体信息的表现形式。在过去，音视频文件需要从服务器上下载到本地后才能播放， 采用下载方式虽然使网络上多媒体信息的传输成为可能，但它也带来了两个突出 的问题。首先，由于必须下载多媒体信息，而多媒体信息的数据量通常都很大， 在目前普通用户接入速率较低的情况下，一个很短的视频片段可能都需要很长的 下载时间。其次，由于必须将节目下载到本地计算机后才能播放，这必然占用本 地计算机的存储资源。针对这些需待解决的问题，流媒体技术开始崭露头角，并 立即受到重视而且逐渐得到了应用。 1 1 2 当前面临的问题及发展趋势 要设计合适家庭安防监控的视频服务器，面临的问题主要是以下几点： 根据各大芯片厂商提供的芯片资料和大致方案从质量、效率、成本等各方面 3 华东师范大学硕士学位论文 因素选择合适的主芯片。使得硬件设计的方案从各方面都满足家庭用户的特 点和需要。 从无线传输的角度考虑，改进硬件方案，引入无线通讯的z i g b e e 技术，使 得流媒体服务器适用于家庭甚至是小区无线网络。 高效的编码技术的实现。流媒体系统中的多媒体数据要通过网络来传输给用 户，高效的编码技术可以极大地降低流媒体系统对网络带宽的要求。 多媒体编码标准技术研究。多媒体编码标准在流媒体里是至关重要的。一方 面标准的制定和执行确保不同厂家和服务商之间可以互通互联，另一方面标 准里的知识产权也是商家必争之处。掌握了标准里的知识产权，在竞争的时 候就有很大的主动权。所以很多商家乃至政府部门都在全力推出自己的知识 产权到各种国际标准里去，甚至打造自己的产业或国家标准。 对等网络技术( p 2 p ) 研究。p 2 p 是当前互联网上较热门的技术，已应用到网 络文件共享和n a p s t e r 的肝3 下载。其基本思想是通过p 2 p 技术，除了和服 务器外，每个用户可以共享他的文件或信息给其他用户。p 2 p 技术也应用到 流媒体，每个流媒体用户也是一个p 2 p 中的一个节点，在目前的流媒体系统 中用户之间是没有任何联系的，但是采用p 2 p 技术后，用户可以根据他们的 网络状态和设备能力与一个或几个用户建立连接来分享数据，这种连接能减 少服务器的负担和提高每个用户的视频质量。 流媒体的发展正处在一个酝酿着突变的阶段。无论从应用、服务和技术，都 将会产生一系列重大的突破。i n t e r n e t 的迅猛发展和普及为流媒体业务发展提 供了强大的市场动力，流媒体业务正日益流行。特别是近年来，随着宽带建设的 高速发展，流媒体服务已经成为互联网的最主要应用之一，越来越多的运营商开 始提供网络在线服务。许多著名的公司都调整自己的战略方向，为使自己在流媒 体市场大战中占取有利地位。比尔盖茨曾无比坚定地预言：“未来属于流媒体。” a p p l e 、c i s c o 、k a s e n n a 、p h i l i p s 和s u n 五家公司在2 0 0 0 年1 2 月1 4 日宣布成 立i n t e r n e t 流媒体联盟( i s m a ) ，五家公司将联合起来为开发工p 端到端流媒体 解决方案制定开放标准。i s m a 的第一个规范为i p 网上的流式肝e g 一4 音频格式 定义一个实施协议，并在2 0 0 1 年2 月i s m a 第一次正式会议上提出。据统计， i n t e r n e t 上每周至少有4 5 0 0 0 小时的广播节目，超过6 0 个美国电视台提供w e b 广播，3 4 个电视台提供点播服务。有近半数的跨国企业公司在内部使用流媒体 实现w e b 广播。雅虎的创始人杨致远也认为：“从早期发展向大规模应用的过渡 已基本完成。我们相信通过网络传播多媒体信息的条件已经成熟，流媒体技术腾 飞的时刻即将到来。 流媒体的飞速发展为远程视频监控提供了扎实的基础和坚 强的后盾。 4 华东师范大学硕士学位论文 1 1 3 研究意义 本课题配合公安部“3 1 1 1 工程，旨在综合硬件和软件设计出高效、实用、 外观小巧并且低成本的单路流媒体视频服务器。此流媒体服务器除了能在有线网 络能做到稳定实时传输外，经过功能模块的改进并结合无线传输z i g b e e 技术， 提出了无线传输方案，做到更便捷实用，为实现“平安城市 添砖加瓦。除此以 外，经过硬件和软件的改动和扩展，可实现四路、八路、十六路的道路视频监控。 1 2 目标及研究任务 本课题的目标在于研发适合家庭用的流媒体服务器。在硬件方案上提出创 新，引入无线通讯z i g b e e 技术；从实现角度考虑，在制作p c b 板时通过公式推 导力求最大程度避免电磁干扰；在软件方案中，除了了解传统的m p e g _ 4 打包传 输算法外提出改进方案，旨在提高传输质量。 作者在本课题中的主要研究任务如下： 从家用的角度考虑来选择合适的主芯片，提出最恰当的方案。 对方案进行改进，引入无线通讯的z i gb e e 技术，使得流媒体服务器可 以进行无线通信，为今后扩展到小区应用作前期准备。 对p c b 板的电磁干扰问题作研究，试图将电磁干扰降到最低。 软件方面需了解传统的m p e g 4 打包传输算法，并针对传统传输方案中 所存在的问题提出相应改进算法。 1 3 论文结构 本文一共分为六章： 第一章为绪论。本章首先讨论了课题的研究背景。随后，调查了当前视频服 务器的研究现状和所面临的挑战。论述了研究视频监控的策略和意义。最后对于 本文作者的研究目的以及在此项目中做的主要工作了总结。 第二章从硬件方面比较了各个实施方案的优缺点，分析了各个方案的可行 性、实时性能、性价比，经过改进最终得到最适合家庭安防系统的硬件架构，并 分析了系统的功能模块划分，研究了这种系统结构的特点，给出了综合的系统结 构设计方案。 第三章分析了主芯片以及各个重要硬件模块的主要芯片特点，给出了硬件框 图，并针对p c b 设计中的电磁兼容问题，做出深入探讨。 第四章对视频服务器的硬件框图提出了修改方案，使得燃气、烟感、红外和 5 华东师范大学硕士学位论文 一些报警装置可以通过无线z i g b e e 技术与视频服务器相连，并给出了一个节点 的实现方案，这样改进的优点在于省去了r s 2 3 2 的接线，使得整个服务器外观 简洁，在实现各功能的同时，利用无线技术满足家庭用户的使用需求。 第五章从流媒体服务器视频点播系统的实际需求出发，给出了实时传输方案 的设计。为缓解实际应用中可能出现的信号带宽紧张的问题，本章对于m p e g 4 视频流经典的r f c 3 6 4 0 打包算法进行了大量研究，并针对此算法网络传输效率 不高的问题，给出了改进方案的详细步骤和流程图，改进后的算法去除了同步层， 提高了传输效率和终端系统性能。 第六章总结了作者在本项目中所做的工作，并对于本项目今后的应用做了展 望。因为时间的关系，项目中仍然存在很多需要改进和可以完善的部分，本章节 在最后的部分列出了针对本项目的今后研究和努力的方向。 6 华东师范大学硕士学位论文 2 、第二章硬件方案选择 2 1 数字图像处理技术n 2 】发展简介 图像是用各种观测系统以不同的形式和手段观测客观世界而获得的，可以直 接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。俗话说的好：百闻不如一见。 特别是我们现在处于信息时代，科学研究和统计表明，视觉信息所占人们获得外 界信息的比率达8 0 以上，视觉信息包含着大量的信息量。 我们从自然界获得的是模拟信号，为了对图像信号进行处理，我们通过a d c 转换技术对数字信号进行采样、分析、理解和应用。尽管计算机图像技术的历史 可以追溯到世界上第一台电子计算机的诞生，但是5 0 年代计算机还主要用于数 值计算，其性能还远远满足不了处理大数据量图像的要求。在6 0 年代，第3 代 电子技术的研制成功，以及快速傅立叶变换算法的发现和应用使得对图像的计算 得以实际实现，人们开始意识到计算机的图像处理的巨大优势。7 0 年代和8 0 年 代，计算机图像有了很大的发展和应用。进入9 0 年代，由于个人计算机的普及 和多媒体的兴起，计算机不仅仅是人们工作的一个计算平台，也成为家庭和个人 的一个多媒体处理中心，越来越多的数字化产品进入人们的生活之中，给人们带 来了极大的方便。 随着数字技术和图像处理技术的日新月异，传统的视频监控就越来越跟不 上时代发展和人们生活的需要。传统的视频监控以模拟信号为主，通过模拟摄像 机、同轴电缆、监控电视和录像机构成，结构庞大，造价很高，而且需要投入大 量的人力和物力。其中录像带的存储和管理就成为很多监控系统很头痛的问题， 更不用说快速的检索和对图像的处理、传输。在这种情况下，数字监控技术成为 人们的迫切需要。 相对于模拟图像来说，数字图像有以下几个基本特点： 数字图像处理的信息大多是二维信息，甚至还有三维信息，处理的信息量很 大。因此对计算机和处理器的计算速度、存储容量等要求很高。 数字图像处理占用的频带较宽。如电视图像的带宽越5 6 姗z ，而语音带宽仅 4 i ( h z 左右。所以在成像、传输、存储、处理、显示等各个环节的实现上，技 术难度大，成本高，这就对频带压缩技术提出了更高的要求。 数字图像中的各个像素并不独立，而且相关性大。数字图像的帧内和帧间都 有很大的关联。因此，数字图像的处理中信息压缩的潜力很大。 由于从三维景物的二维投影获得的图像是一个病态过程，因此，在分析和理 解三维景物时必须做适当的假定或附加新的测量。 7 华东师范大学硕士学位论文 数字图像处理后的图像一般是给人观察和评价的，因此受人的因素影响较 大。 从模拟图像到数字图像是图像处理的飞跃，而数字图像自身的特点也给人们 带来了很多的挑战。随着计算机技术和半导体技术的的发展，数字图像处理技术 的难题被人们一个个攻破，其自身的发展也越来越成熟。 2 2 图像压缩技术的必要性 随着人类进入信息社会，多媒体技术得到了迅猛的发展。大信息量的音、视 频数据被广泛使用，如常见的v c d 、d v d 等都是将大量的音、视频数据经过压缩 编码后供用户使用。音、视频技术的发展也带来了监控行业的变革。 声音和视频数字化的根本问题在于他们巨大的信息量。对于视频信号，n t s c 制电视每秒种需要处理3 0 帧的画面，每幅画面的格式为7 2 0 4 8 0 p i x e l ，每 个p i x e i 表示为2 4 b 刚g ，b 信号或者16 b 亮度，色差信号，则每秒钟n t s c 信号至少需要2 3 m b ，相当于2 0 本字典的信息量。h d t v 信号每幅图像为 1 9 2 0 1 0 8 0 p i x e l ，每秒6 0 帧画面，那么每秒的信息量达到2 4 0 m b 。面对 如此巨大的信息量，无论是存储还是通过网络传输都是很大的难题，数字编 码和压缩技术是必需的。 采用数字编码压缩有以下好处： 节省存储空间 节省c p u 时间 节省传输时间和传输带宽 提高检索速度 对于音、视频信息，都具有高度的相关性，或者说，他们本省就是包含着冗 余信息，所以音、视频的压缩和编码是可行的。任何压缩机制的目的都是除 去数据中存在的相关性。所谓的相关性，就是根据给出的部分数据来判断出 其相邻的数据。由于我们的音、视频信息在空间上、频率上和时间上都有很 大的相关性，好的数据压缩编码算法能够大大减低数据量而不影响其质量。 压缩机制可以分为有损压缩和无损压缩。无损压缩通常被用于文本文件的压 缩中，其中没有信息丢失的数据的精确重建是人们关心的问题。对于有损压 缩，允许压缩后产生质量的误差。有损压缩可以得到比无损压缩高得多的压 缩比。而这种误差对于我们的肉眼和要求来说，是完全可以接受的，甚至是 可以忽略不计的。数据压缩编码是符合人们要求的最佳选择。 2 3 视频编解码算法d 1 介绍 2 3 1 各编码算法比较 8 华东师范大学硕士学位论文 随着多媒体技术的发展和互联网的发展，很多国际性的组织和公司都参与到 音视频编解码算法的研究和标准的制定方面，希望在信息时代的浪潮中确定自己 的标准，可以号令天下。所以现在互联网上存在着各种格式的文件和相关的播放 软件，而且占有各自的市场。 其中著名有国际标准化组织( 1 s o ) 制定的m p e g - x 标准和国际电信联盟( i t u ) 制定的h 2 6 x 标准。还有微软( m i c r o s 珊) 制定w m v r - x 标准和r e a l 公司的 r m v b 标准，也在市场上占有很多的份额。由于篇幅限制，这里只对i s o 的 m p e g - x 标准进行分析和比较。 m p e g 1 于1 9 9 2 年为工业标准而设计，适用于不同带宽的设备，如c d r o m 、 d e o c d 等。针对s i f 标准的分辨率( n t s c 和p a l )的图像进行压缩，具 有以下特点： 传输速率达1 5 m b i 讹，每秒播放3 0 帧( n t s c ) 或者2 5 帧( p a l ) 。 具有c d 音质，质量级别基本与v h s 相当。 m p e g 1 被广泛用于v c d 设备，但是也存在着画面质量差，编码效率低的 缺点。 m p e g 2 m p e g 2 制定与19 9 4 年，其目标是为了保障高级工业标准的图像质量以及 更高的传输率。主要有以下性能： 传输率为3 1 0 m b j t ，s 。 在n t s c 制式下的分辨率可达7 2 0 4 8 6 p i x e l 和尸：a l 制式下的分辨率7 2 0 5 6 0 p i x e l 。 提供广播级的视像和c d 级的音质。 音频编码可提供左右中及两个环绕声道，以及一个加重低音声道和多达7 个 伴音声道。 可提供一个较大范围的压缩比，以适应不同的画面质量、存储容量以及带宽 的要求。 m p e g 2 表现出色，画面质量清晰，音频效果好，适应于d v d 和h d 丁v ， 但是也存在着编码效率低，带宽占有率高，网络适应适应能力差的缺点。 m p e g 4 m p e g - 4 主要应用于视频电话( 、i d e op h o n e ) 、视频电子邮件( d e o e m a i l ) 、视频电子新闻( 、，i d e oe l e c t r o n i cn e w s ) 和网络视频( n e t v v o r kv i d e o ) 等，其特点如下： 传输速率要求较低，为6 4 b i 如一4 8 k b i 魄。 9 华东师范大学硕士学位论文 分辨率为d 1 、c i f 、q c i f 可选。 具有较强的网络适应能力。 有p 帧、i 帧，可灵活编码。 较高的压缩率。 与m p e g 1 、m p e g 2 相比，m p e g _ 4 具有以下特点： 交互性：m p e g 叫4 是第一个使用户由被动变为主动的动态图像标准，更适 应于交互视频、视频服务以及远程监控。 综合性：m p e g _ 4 试图将自然物体与人造物体相融合。 更好的适应性，无论在编码方式上还是在网络传输上。 更广的可扩展性。 流媒体应用的发展呼唤高效的、标准的媒体压缩算法，目前公认的高效的国 际压缩标准是m p e g 系列标准。传统的嵌入式流媒体文件格式大多采用 m j p e g 、m p e g 一1 、m p e g 一2 等编码解码方式。m p e g 一4 作为一种流行的视 频压缩解码标准，是基于对象内容编码的一种图像压缩技术，具有低码率、低带宽 等特点，非常适合于网络视频传输与应用。表2 - 1 将几种压缩解码应用于远程传 输的主要参数进行比较。 类型蓼图象格式霪帧容量 雾宴时性，k b ”s 。甏压缩容量， 尹p ! a l 7 霭，k b 帧1 爹7 、2 5 帧，s )缓m b h o m _ j p e g 荔3 5 2 2 8 8l5 6 7爹12 5 - 一1 6 7 5二鬟4 5 0 6 0 0 m p e g - 1 势3 5 2 2 8 8 秀3 3 5 6 蓼8 3 1 4 0缓3 0 0 5 0 0 m p e g 一2 寥3 5 2 2 8 8 囊5 6 8 8 毳14 0 12 0秀5 0 0 8 0 0 m p e g 4 荔3 5 2 2 8 8 凄0 8 2 5 蠡2 0 6 2 5 。 鬟8 0 2 2 0 表格2 1 几种压缩解码应用于远程传输的主要参数比较 由上述m p e g _ 4 的特点和与m p e g 一1 、m p e g 2 的对比可以看出，m p e g 4 利用很窄的带宽，通过帧内编码和帧间预测编码重建技术和适应网络传输数据等 特点，使得能够以最少的数据获得最佳的图像质量。由m p e g 4 的特点看来， 它是适合监控系统传输的格式。不仅如此，m p e g 一4 优越的特性也被广泛的应用 于个人媒体设备( p m p ) 、可视电话( v i d e op h o n e ) 和手机电视等数字化家用 终端设备，使得我们的监控系统可以和数字化家电无缝集成，构成一个完善的数 字化家庭中心。 2 3 2m p e g _ 4 格式介绍 m p e g 是动态图像专家组( m o v i n gp i c t u r e se x p e g r o u p ) 的英文缩写，全 称l s o ，i e cj t c l ，s c 2 9 ，g 1 1 ，即国际标准化组织和国际电工委员会第一联合 1 0 华东师范大学硕士学位论文 技术组第2 9 分委会第1 1 工作组，这个专家组始建于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。由于 i s o i i e c l l 7 2 压缩编码标准是由此小组提出并制定，m p e g 由此扬名世界。 m p e g 4 就是m p e g 的第4 个版本，m p e g 的缔造者们原先打算开发4 个版 本：m p e g - 1 一m p e g 4 ，以适用于不同带宽和数字影像质量的要求。后由于 m p e g 一3 被放弃，所以现存只有3 个版本的m p e g ：m p e g 1 。m p e g 2 和 m p e g 4 。 m p e g 4 的应用前景将是非常广阔的。它的出现将对以下各方面产生较大的 推动作用：数字电视、动态图象、万维网、实时多媒体监控、低比特率下的移动 多媒体通信、内容存储和检索多媒系统、i n t e m e 们n t r a n e t 上的视频流与可视游 戏、基于面部表情模拟的虚拟会议、d v d 上的交互多媒体应用、基于计算机网 络的可视化合作实验室场景应用、演播电视等。目前已经开发好的基于m p e g 4 标准的方案有：视频会议、远程监控、交互教学、远程医疗、视频通讯等。 m p e g 一4 标准涵盖领域之广大，己超越了单纯视音频编解码范畴，成为以对 象内容为主体的多媒体展示架构。总结起来，m p e g 4 的好处大致有以下三方面： 对多媒体内容创作者而言，使多媒体内容更多元化、更具有弹性、多媒体组 件能更容易被再利用。它将现今各自发展的技术及应用，如互联网、动画、 视频、音频、互动电视等整合至单一架构之下，而且提供更佳的资源管理方 法和保护著作权的机能。 对网络服务业者而言，是透明度很高的信息传递工具。它可以藉由与其它国 际标准的兼容相通而存在于各种形式网络上，如有线电视网络、电信网络以 及无线传输等。尤其在单纯以视频音频传输为主的应用中，相较于 m p e g 一1 ，m p e g 一2 m p e g - 4 仅需较小的比特率，即可达成相同音画质效果， 如此即意味着较高的频宽使用效率。 对终端消费者而言，m p e g 4 能让消费者在原创作者限定的操作功能范围之 内，与节目内容中的对象互动，体会前所未有的娱乐效果。而且在移动式低 传输速率网络中，促使多媒体应用得以实现。这包括了交互式多媒体广播和 移动通讯。 m p e g - 4 标准因为集交互性、高压缩率、高质量、通用可存取、高度的灵活 性和可扩展性于一身，所以它一出现就获得了普遍的接受，成为高质量音视频流 式传输的主要选择。 数字图像压缩技术标准从存储媒体专用的m p e g 1 ，发展到播送媒体专用的 m p e g 一2 ，起初只局限在移动体通讯的6 4 k b p s 的超低位率通讯媒体，后来由于 特网的流行以及数字电视的即将兴起，l s o ，l e c 组织制定了m p e g 4 国际标准， 华东师范大学硕士学位论文 最初命名为“极低位率下的音视频编码 ，到了1 9 9 4 年又更名为“音视频对象 编码，因此m p e g 4 是拥有极低位率及对象等特性的编码标准，其适用的范围 主要为下列三大领域：数字电视，交互式图形应用程序，交互式多媒体。 m p e g _ 4 标准建立一个完整的数字影音内容平台，提供了编码、描述及存取 影音对象等多项优势，拥有比m p e g - 1 及m p e g 2 更丰富的数字影音应用及服 务，例如流式传输、基于对象的编辑与存取、使用者互动，利用这些特性，使得 数字影像处理技术，由原来的移动多媒体通讯和电话，i s d n 网络等的交互式视讯 电话，扩展到因特网上的视频流式传输、播送的内容编辑等。 m p e g _ 4 标准与先前的m p e g 1 及m p e g 一2 标准有相当大的差异，过去是 以整个画面为基础的动画影像压缩技术，而m p e g 4 则提供一套以音视频对象 为基础的场景呈现方式，可使自然或合成的各种不同压缩编码方式的多媒体数据 同时呈现在同一个场景中。通过音视频对象的方式，使用者对于音视频信息能够 做到更加复杂的互动，不再只是单纯的播放、暂停、终止等简单的动作。 m p e g _ 4 标准主要是由六个部分所组成： l s o i e c1 4 4 9 6 1 ，c o d i n