（通信与信息系统专业论文）嵌入式mpeg4数字视频监控系统硬件平台的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济社会的发展和进步，人们对视频场景的跨时间空间重现有着越来越迫切的 需求。尤其在安全防控领域这种应用更为广泛和深入。同时随着计算机网络技术、电子 技术以及数字信号处理等技术的发展，以直观、方便、信息内容丰富等特性而被广泛应 用的视频监控系统的发展也日新月异。从静态图片到动态视频，从模拟系统到数字系统， 从单点硬盘录像、短距离传输到大规模组网、远程实时控制，从占高带宽的低质量的裸 视频流到先进压缩算法处理的高质量的低码率的m p e g 4 、h 2 6 4 。近年来数字监控技 术更是得到长足发展，出现以嵌入式技术为核心的新型视频监控系统，它在稳定性、集 成度，性能、价格、可升级性以及可操作性等方面有着突出的优势，代表了目前视频监 控系统研究和发展的方向。 本论文以高速公路视频监控为应用背景，介绍了一种m p e g 4 嵌入式数字视频监控 系统硬件平台的设计和实现。文中分析了嵌入式视频编解码器的主要实现方式及各自特 点，研究了视频监控系统中涉及的视频压缩标准，p c i 总线规范及嵌入式操作系统等关 键技术，着重阐述了视频编解码器的硬件实现方案，对嵌入式处理器、视频压缩芯片， p c i 桥接芯片等进行了选型比较。 本论文以系统硬件平台总体设计方案为主线，首先对核心压缩芯片v w 2 0 1 0 进行模 块设计完成p c i 接口视频压缩卡，给出了压缩卡与工控机组合构成单路编解码器的实现 方法。接下来综合考虑项目的需要和实验室发展，尤其是在移动自组织网络( m 棚) 上进行视频传输研究需要高性能通信平台，我们结合两方面的需求，设计一个基于 p o w e r p c 的嵌入式通信平台。在此基础上，论文详细讨论了基于p o w e r p c 处理器的以 多路视频编解码器为核心的视频监控系统构建方案，对硬件部分包括处理器架构，存储 系统结构，总线扩展及外围电路设计，硬件调试等方面进行了说明；论文了给出了嵌入 式网络视频监控系统的综合测试结果。同时对系统的控制软件b s 、c s 模式进行了简 要介绍。 关键词：视频监控；m p e g - 4 ；p o w e r p c ；嵌入式l i n u x 大连理工大学硕士学位论文 t h e d e s i g na n di m p l e m e n to f e m b e d d e dm p e g - 4 d i g i t a lv i d e o s u r v e i l l a n c eh a r d w a r ep l a t f o r m a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s so fe c o n o m i cs o c i e t y ，t h ep e o p l eh a v em o r e a n dm o r eu r g e n td e m a n dt ot h ev i d e os c e n e sr e p r o d u c t i o nc r o s st i m es p a c e e s p e c i a l l y , i n s a f ep r e v e n t i o na n dc o n t r o ld o m a i nt h i sk i n do fa p p l i c a t i o ni ti sm o r ew i d e s p r e a da n dm o r e t h o r o u g h m e a n w h i l ea l o n gw i t h t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya sw e l la sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，a n ds oo n t h ev i d e os u r v e i l l a n c e w h i c hh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i r e c t v i e w i n g , c o n v e n i e n t ，t h ei n f o r m a t i o nc o n t e n tr i c ha n d s oo na l s o c h a n g e sw i t he a c hn e wd a y f r o mt h es t a t i cp i c t u r et ot h ed y n a m i cv i d e o ，f r o m t h ea n a l o g o u ss y s t e mt ot h ed i g i t a ls y s t e m ，f r o mt h es i m p l ep o mh a r dd i s kv i d e or e c o r d i n g , t h es h o r td i s t a n c et r a n s m i t st ot h el a r g e s c a l en e t w o r k , t h el o n g - d i s t a n c er e a l t i m ec o n t r o l ， f r o ma c c o u n t sf o rt h eh i 【g hb a n dw i d t ht h el o wq u a l i t yb a r ev i d e os t r e a mt oa d v a n c e d c o m p r e s s i o na l g o r i t h mp r o c e s s i n gh i g hg r a d el o w c o d er a t em p e g 4 ，h 2 6 4 i nr e c e n ty e a r s t h ed i g i t a ls u r v e i l l a n c et e c h n o l o g yo b t a i n st h ec o n s i d e r a b l ed e v e l o p m e n t ，t h en e wv i d e o s u r v e i l l a n c e s y s t e m t a k et h ee m b e d d e dt e c h n o l o g ya st h ec o r e ，i nt h es t a b i l i t y ，t h e i n t e g r a t i o nr a t e ，t h ep e r f o r m a n c e ，t h ep r i c e ，m i g h ta sw e l l 弱f e a s i b i l i t y ，i t h a st h ep r o m i n e n t s u p e r i o r i t y ，i tr e p r e s e n t e dt h ed i r e c t i o no f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp r e s e n tv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mu s e df o re x p r e s s w a yb a s e do ne m b e d d e d s y s t e mi sd e e p l ys t u d i e d w ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ne n c o d ea n dd e c o d ec a r do fm p e g - 4 a n dt h e nd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nt h ea d v a n c e de q u i p m e n tb a s e do nt h em i c r o p r o c e s s o r m p c 8 2 7 2a n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h et h e s i sd e s c r i b e st h ew h o l ed e s i g ns c h e m ea n dm a i nf u n c t i o n so ft h es y s t e m ，a n d d i s c u s s e sd e t a i l so nt h eb u i l d i n gp r o c e s so ft h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ，b a s e do nt h e e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gt h ec o n f i g u r a t i o no fd e v e l o p m e n tt o o l s ，k e r n e l c o n s i d e r a t i o n s ，r o o tf i l es y s t e ms e t u pa n db o o t l o a d e rs e t t i n gu p b a s e do nt h i ss y s t e mf l a t ，t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n so fd e v i c ed r i v e ro ft h ev i d e oc o d e cc h i pb yt h en a m eo f v w 2 0 1 0a r ea n a l y z e dd e t a i l e d t h ee n do ft h i st h e s i si m p l e m e n t sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m b yt h ed e s i g no ft h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，i n c l u d i n gt h ec sa n dt h eb sm o d eo f t h es y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n tu n d e rt h el i n u xo s k e yw o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c e ； m p e g - 4 ：p o w e r p c ：e m b e d d e dl i n u x i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：邀塞婴堡垒二垒塑频些控丕统矍往壬佥鲍遮i 土皇塞趣 作者签名： 型怠邀互日期：趁堕年竺月兰生日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 学位论文题目：送盎婴里鱼二垒垫频鳖控丕统矍住壬金鲍遮让生塞垫 作者签名：圣盥蠹垒日期：鬯! 里年j l 月立生日 导师签名：毒菩0 - 一 日期：三堕年竺月兰生日 大连理工大学硕士研究t t - 学位论文 1 绪论 1 1 课题来源与研究背景 高速公路是2 0 世纪3 0 年代在西方发达国家开始出现的为汽车交通提供特别服务的 基础设施，经过7 0 多年的探索和发展，目前全世界已有8 0 多个国家和地区拥有高速公 路，通车里程超过了2 0 万公里，其中美国、日本、德国、加拿大等发达国家已经构筑 起与本国经济和社会发展相适应的高速公路网。高速公路不仅是交通运输现代化的重要 标志，同时也是一个国家现代化的重要标志。 随着社会经济的快速发展和国家对公路交通的大力投入，我国高速公路里程迅速增 长。截至到2 0 0 6 底，中国高速公路通车里程已经达到4 5 万公里，居世界第二位。根据 交通部“十五规划和2 0 1 5 年远景规划我国将建成布局为“7 9 1 8 ”的高速公路网络， 即材7 条射线、9 条纵线、1 8 条横线的高速公路网络，总里程约8 5 万公里。规划中 的国家高速公路网将连接所有人口在2 0 万以上的3 1 9 个城市，包括所有的省会城市以 及港澳台。长三角、珠三角、环渤海经济区等三大都市圈内部形成城际高速公路网。因 此，为了充分发挥高速公路“高速、高效、安全、舒适的理想特征，提高高速公路网 络的整体效益，迫切需要加速高速公路三大机电系统( 收费系统、监控系统、通信系统) 的网络化1 1 1 。 因此，目前全国各省、市纷纷开展高速公路机电系统“三联网”工作，逐步实现由 路段管理向区域( 或省级) 管理的升级，并计划在交通行业建立一个以计算机技术、通信 技术和网络技术为基础的现代化信息网络，发展和应用各种信息系统，为各级部门提供 支持决策，为交通行业提供现代化的经营管理手段及为社会提供准确及时的信息服务， 从而达到决策科学化、办公自动化和经营管理化现代化。 本课题来源与大连理工大学移动多媒体计算技术实验室与某省高速公路管理局的 合作项目。本文的主要目标就是为高速公路设计一套全数字化的视频监控系统，采用网 络技术在省际范围内实现视频信号同享。产品不仅能适用于高速公路的视频监控，也能 广泛的应用于其他领域，如安防监控、工业生产监控等。 1 2 视频监控系统的发展过程 第一代视频监视系统指的是以v c r ( v i d e oc a s s e t t er e c o r d e r s ) 为代表的传统c c t v 监控系统，系统主要由模拟摄像机、专用电缆、视频切换矩阵、模拟监视器、模拟录像 设备和盒式录像带等构成。第一代系统存在很多明显的缺点，例如维护工作繁琐、无法 嵌入式8 p f _ c - 4 数字视频监控系统硬件平台的设计与实现 进行远程访问、无法与其他安防系统( 如门禁、周界防护等) 有效集成、录像质量随着 时间的推移下降等。 第二代视频监控系统在上世纪9 0 年代中期，以d v r ( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) 为代 表的第二代视频监视系统出现在视频监视市场上。d v r 使用户可以将模拟的视频信号 进行数字化，并存储在电脑硬盘而不是盒式录像带上。数字化的存储大大提高了用户对 录像信息的处理能力，用户可以通过d v r 来控制摄像机的启闭，从而实现移动侦测功 能。此外对于报警事件以及事前事后报警信息的搜索也变得异常简单。进入二十一世纪 后，随着网络技术的发展，d v r 系统又进一步发展成为具有网络功能的n v r ( n e t w o r k d v r ) 系统。与d v r 系统相比，n v r 系统不但实现了视频信息的数字化存储，还实现 了视频档案信息的数字化传播，即n v r 可以直接接入到口网络中，从而使存储下来的 视频信息可以通过网络方便的进行共享。 第三代系统指的是目前正在蓬勃发展的网络化视频监视系统，又称为i p 监视系统， 它最早出现于2 0 0 1 年。网络化视频监视系统从一开始就是针对在网络环境下使用而设 计的，因此它克服了d v r n v r 无法通过网络获取视频信息的缺点，用户可以通过网络 中的任何一台电脑来观看、录制和管理实时的视频信息。第三代视频监控系统是完全数 字化的系统，它基于标准的t c p i p 协议，能够通过局域网、无线网、互联网传输，布 控区域大大超过了前两代系统；它采用开放式架构，可与门禁、报警、巡更、语音、 m i s 等系统无缝集成；它基于嵌入式技术，性能稳定，无需专人管理，灵活性大大提高， 监控场景可以实现任意组合，任意调用【2 j 。 1 2 1高速公路视频监控系统的发展 对照视频监控系统的发展过程高速公路视频监控系统的发展同样大致经历了三个 阶段，第一阶段，主要是以模拟图像传输和存储为主的闭路电视监控系统。第二阶段， 为采用h 2 6 1 2 6 3 、j p e g 和m p e g i 标准，图像数字编码带宽小于2 m 的数字视频传输 系统。由于其图像清晰度、连续性不好，特别是存在图像拖尾现象，满足不了高速公路 对高速行驶汽车的监控要求，因而未能得到广泛应用。第三阶段，随着图像数字编码技 术的发展，出现了m j p e g 、w a v l e t 和m p e g 2 ，4 、h 2 6 4 等视频数字编码标准及 相应的编解码器、数字硬盘录像机等设备，图像数字编码带宽达到2 m 以上，图像质量 得到了保证，使得高速公路视频监控步入了全数字化视频联网时代。它不仅具有视频图 像清晰、抗干扰能力强，图像传输量大等优点，而且依托通信系统、光纤网络系统，真 正发挥了宽带传输的优势，实现了全省视频联网监控系统，适应了当前交通数字比、网 络化和智能化的发展趋势需求。能够对全路段范围进行实时视频监控、录像、报警处理、 大连理工大学硕士研究生学位论文 视频网络传输，为监控中心提供所需图像。它能从高速公路路段、大桥、隧道和收费站 广场的视频监控图像中提取交通监视和控制的有用信息，并与高速公路上的相关系统的 信息融合，为事件检测、事故救援、交通控制等提供有效依据。 1 2 2 国内外研究现状 从国外看，随着智能运输系统( i t s ) 概念的提出，计算机技术、自动化控制技术和通 信技术的发展，西方发达国家已将传统意义上的监控系统提升到更高的层次，多计算机 功能分散的计算机网络处理方式代替原来由单一的计算机集中处理方式，从而使系统可 靠性提高，程序编制简单，易于维护和功能扩展。西方发达国家在早期监控系统中的图 像和数据传输受当时通信技术的限制均是窄带和低速率。随着监控技术的发展需要高速 率、大容量、宽带的传输技术，这时就需要建设通信传输系统。例如：加拿大在h 4 0 1 和i - 1 4 0 7 实施图像监控时，相应地建设有s d h 视频传输系统。2 0 0 0 年，英国高速公路 局在伦敦地区、也是欧洲范围内最繁忙的m 2 5 高速公路上采用最新的视频监控技术和 m o t i o n j p e g 的压缩技术的数字视频监控，来满足日益增长的交通要求。m 2 5 成为第一 条脱离传统模拟视频监控系统的高速公路。随着视频系统己成为监控领域最重要的需求 之一，瑞士联邦公路局( a s t r a ) 专门发出指示，坚持要将宽带数字网络建设成为一个 统一的基础结构，用它满足所有通信需要( 语音、数据和视频) 其中的视频正是为了满 足进行监控的要求。随着i t s 技术的应用，更高速率、宽带的传输需求更为迫切1 3 j 。 从国内看，我国的高速公路监控系统的建设经历了从监控系统无用到有用和必要， 从“只监视不控制 到路径诱导、速度控制实用可靠的监控系统，从只注重硬件建设到 以管理为主建设重视应用软件，从路段监控到区域化监控的过程。初期交通监控系统的 设计和建设一般以路为独立系统建设，对较长的路或者有长隧道和特大桥等大型构造物 时，还会设置监控所，这和当时高速公路网络还未形成有关，随着高速公路网的逐步形 成，监控系统的理念也逐渐发生变化，不再是一个路段独立设置监控系统，而是考虑相 关道路的监控和区域化监控，1 9 9 8 年山东省就首先着手高速公路联网监控，进入2 0 0 0 年以后，北京市首都高速公路发展公司，福建、辽宁、山西、浙江等省都相继开展了高 速公路省域联网监控系统的建设。中国公路学会也组织了多次联网监控的研讨会，有力 地推进了区域联网监控系统的建设，目前实施省( 区) 域联网监控已是一种发展趋势。 从技术层面看我国高速公路交通视频监控系统刚刚起步，水平不高，在这一领域的研究 基本上还处于对国外研究成果的介绍和学习阶段。这主要是由于一开始各方面因素的影 响和对其重要程度认识不够。由于受到当时技术发展水平的限制，传统的视频监控系统 多以各条高速公路为单位独立进行现场模拟监视。对于视频传输方式来说，目前各省市 高速公路还多局限在模拟视频传输和窄带数字传输的水平，模拟传输主要是通过光端机 嵌入式m p e g - - 4 数字视频监控系统硬件平台的设计与实现 和光缆以模拟的方式传输到监控分中心和监控中心。为了解决该种方式占用光纤数较多 的缺点，通常在摄像机数目比较多的地方采用多路视频光端机方案，如山东省高速公路 信息管理系统中视频系统便采用这种方式。但是随着多路段监控系统联网的展开，图像 质量将会随着距离的增加大幅下降。窄带数字传输主要是利用已有的通信传输通道，即 通过s d h p c m 通信系统的e 1 线路或更低的数字线路( 6 4 k 3 8 4 k ) 传输数字化的图像 信息。但是模拟图像通过压缩编码( 如：h 2 6 1 ，m p e g 1 ) 后，图像质量受到了一定的 损失，监控中心观察到的图像会出现动画效果和拖尾现象。对于视频控制方式来说，视 频控制仍以监控中心为基础的单级控制，多数省份尚没有实现全省联网。这就造成监控 中心的监控室只能被动地接受下级监控分中心以选择或者轮循的方式上传的视频信息， 无法查看所有摄像机的视频信息。而且监控中心也无法对监控分中心所管辖的摄像机进 行任何操作，只有分中心监控室才能控制摄像机镜头、云台的转动。同时异常事件联动 控制的操作无法实现。所以说现行的高速公路视频监控系统存在着很大的局限性。但是， 业界己经充分意识到随着视频技术、通信技术、计算机技术的发展和监控设备成本的降 低以及高速公路运营对监控系统提出的越来越高的要求，视频监控数字化、网络化必然 成为视频监控发展的必然趋势。许多省份已开始实施和正在实施视频监控联网。旨在实 现整个路段高智能化监控，自动的判断交通异常和发布诱导信息，实现真正意义上的全 数字监控。 1 3 本文工作及内容安排 本文结合高速公路视频监控系统的开发，在研究几项关键技术的基础上，以视频编 解码器，p o w e r p c 嵌入式通信平台的硬件设计与实现为重点，介绍了系统的结构和运行 方式，论文结构安排如下： ( 1 ) 绪论 介绍课题的来源与视频监控的发展过程以及当前国内外发展现状。 ( 2 ) 视频监控系统的关键技术 针对系统相关的视频压缩技术标准以及其实现方式、嵌入式操作系统进行了介绍。 ( 3 ) 基于x 8 6 架构的v w 2 0 1 0 的单路编解码卡的设计与实现 对所采用的芯片特性和使用进行选型说明；给出了以p c i 接口压缩卡进行芯片验 证，并在此基础上设计实现了m p e g 4 编码卡和解码卡。并进行单路系统的搭建和测试。 同时总结了p c b 的设计经验。 ( 4 ) 基于p o w e r p c 架构的视频通信平台的设计 大连理工大学硕士研究生学位论文 设计一个基于p o w e r p c 的嵌入式通信平台，既能在多个p c i 插槽加前期我们设计 的编解码卡实现多路的视频监控，同时能满足在移动自组织网络( m a n e t ) 上进行视 频传输研究的需要。 ( 5 ) 多路视频监控系统的设计与实现 详细介绍了以嵌入式处理器p o w e r p c 为基础的嵌入式多路视频监控系统的设计，包 括处理器及各模块设计，并对调试方式进行了说明。给出了多路视频编解码器的测试结 果。 ( 6 ) 系统的典型应用及控制软件简介。 简单介绍了系统的软件结构即系统的远程控制方式，分别比较了所采用的c s 、b s 两种方法的特点及应用场合。 嵌入式肝f 粥c - 4 数字视频监控系统硬件平台的设计与实现 2 视频监控关键技术以及系统需求分析 本章通过对视频压缩处理方式以及视频压缩标准研究，结合高速公路视频监控的特 点。对系统需求进行分析，给出实现方案，并对芯片的选型进行市场调研确定具体芯片。 2 1 视频压缩标准 较之以图文音频等其他信息表现方式，视频图像信息以其内容丰富，形式直观，得 到人们的青睐。但同时视频信号携带着更多的信息量，这使得视频信号的存储传输处理 面临很多的问题。如更大容量的存储器消耗，更多的通信带宽占用，更快的处理器需求， 也使视频信号压缩处理成了研究的热点之一。视频图像数据有极强的相关性，也就是说 有大量的冗余信息。其中冗余信息可分为空域冗余信息和时域冗余信息。压缩技术就是 将数据中的冗余信息去掉( 去除数据之间的相关性) ，压缩技术包含帧内图像数据压缩 技术、帧间图像数据压缩技术和熵编码压缩技术。原始的数字视频信号的数据量是相当 惊人的，例如，当分辨率为6 4 0 * 4 8 0 的n t s c 制式的图像以2 4 b i t s 像素，每秒3 0 帧的一 质量传输时，则视频数据有6 4 0 4 8 0 2 4 3 0 = 2 2 1m b s 或2 8 m b s 显然这样庞大的数据流 对大多数传输线路来说是无法承受的，而且也是无法存储的。为此人们开始研究视频、 音频数据的压缩算法，很多压缩编码标准相继推出，主要有j p e g m j p e g ，h 2 6 x 和 m p e g 等标准。其中j p e g 标准主要是用于静止图像的压缩，m j p e g 是将j p e g 改进 后运用到运动图像上，在压缩比不高时，复现图像的质量较好，但占用存储空间大。在 压缩比高的情况下，复现图像质量差。在多媒体压缩领域有很多国际标准，在各种国际 组织和各大厂商的积极推动下，视频压缩的标准不断完善统一，为进一步的应用带来了 便利。国际标准化组织( i s o ) 的m p e g 和国际电信联盟( u ) 的h 2 6 x 系列视频压 缩标准是当前技术成熟应用广泛的二大标准，而且有逐渐统一的趋势。其中，h 2 6 1 标 准、h 2 6 3 标准、h 2 6 4 标准，m p e g 1 、m p e g 2 标准和m p e g 4 标准在数字视频监控 系统中获得了广泛的应用。 视频图像编码压缩方法有许多种，从不同的角度出发有不同的分类方法，比如从信 息论角度出发可分为两大类： ( 1 ) 冗余度压缩方法，也称无损压缩，信息保持编码或熵编码。具体讲就是解码 图像和压缩编码前的图像严格相同，没有失真，从数学上讲是一种可逆运算。 ( 2 ) 信息量压缩方法，也称有损压缩，失真度编码或熵压缩编码。也就是讲解码 图像和原始图像是有差别的，允许有一定的失真。 应用在多媒体中的图像压缩编码方法有这几种： 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 无损压缩编码种类：哈夫曼编码，算术编码，行程编码，l e m p e lz e v 编码。 ( 2 ) 有损压缩编码种类：预测编码：d p c m 、运动补偿；频率域方法：正交变换 编码( 如d c r ) ，子带编码；空间域方法：统计分块编码；模型方法：分形编码，模型 基编码；基于重要性：滤波，子采样，比特分配，矢量量化。 ( 3 ) 混合编码：j p e g ，h 2 6 1 ，h 2 6 3 ，m p e g 等技术标准。 下面结合视频监控系统的实际讨论这几个标准的特点、实现方式和应用情况。 2 1 1m p e g 标准 m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ，运动图像专家组) 是在i s o ( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d i z a t i o n o r g a n i z a t i o n ，国际标准化组织)和 i e c ( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，国际电工委员会) 内运作的一个工作组，它组建于1 9 8 8 年。 由于它是i s o 和i e c 联合委员会1 ( j t c l ) 的第2 9 分委员会( s c 2 9 ) 的第1 1 工作组 ( w g l l ) ，所以其代码为w g l lo fs c 2 9o fi s o h e cj t c l 。m p e g 的任务是开发运动 图像及其伴音的数字编码标准。到现在为止，m p e g 公布的标准有：m p e g 1 、m p e g 2 、 m p e g 4 、m p e g 7 和m p e g 2 1 。其中，m p e g 1 和m p e g 4 标准在数字视频监控系统 中获得了广泛的应用【4 j 1 5 】。 ( 1 ) m p e g 1 标准 m p e g 一1 标准于1 9 9 3 年8 月公布。用于传输1 5 m b p s 数据传输率的数字存储媒体 运动图像及其伴音的编码。m p e g 1 标准完成的基本任务是：质量适当的图像( 包括伴 音) 数据必须成为计算机数据的一种，和已有的数据( 如文字、绘图等数据) 在计算机 内兼容，并且这些数据必须在现有的计算机网络和广播电视等通信网络中兼容传输。 m p e g 1 标准于1 9 9 0 年1 2 月提出标准草案，1 9 9 3 年8 月公布，是适用于传输1 5 m b p s 数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码标准。m p e g 1 标准可以处理各种 类型的活动图像，其基本算法对于压缩水平方向3 6 0 个象素、竖直方向2 8 8 个象素的空 间分辨率，每秒2 4 3 0 帧画面的运动图像有很好的效果。m p e g 1 标准采用了一系列技 术以获得高压缩比。第一，对色差信号进行亚采样，减少数据量；第二，采用运动补偿 技术减少帧间冗余度；第三，做二维d c t ( d i s c r e t e c o s i n et r a n s f o r m ，离散余弦变换) 变换去除空间相关性；第四，对d c t 分量进行量化，舍去不重要的信息，将量化后的 d c t 分量按照频率重新排序；第五，将d c r 分量进行变子长编码；第六，对每数据块 的直流分量( d i r e ac u r r e n t ，d c ) 进行预测差分编码。m p e g 1 中的图像类型共分4 种： i 图像，或称i n t r a 图像，采用帧内编码，不参照其它图像；p 图像，或称p r e d i c t e d 图像， 它们参照前一幅i 或p 图像做运动补偿编码；b 图像，或称双向预测图像，它们参照前 嵌入式肝b 数字视频监控系统硬件平台的设计与实现 一幅和后一幅i 或p 图像做双向运动补偿编码；d 图像，或称直流( d c ) 图像，这类图 像中只含直流分量，是为快放功能而设计的。 ( 2 ) m p e g 2 标准 m p e g 2 用于宽带传输的图像，图像质量达到电视广播甚至h d t v 的标准。和 m p e g 1 相比，m p e g 2 支持更广的分辨率和比特率范围，将成为数字图像盘( d v d ) 和数字广播电视的压缩方式。这些市场将和计算机市场交织在一起，从而使m p e g 2 成 为计算机的一种重要的图像压缩标准。m p e g 2 标准( i s o i e c1 3 8 1 8 ) 制定于1 9 9 4 年， 是针对3 1 0 m b p s 的数据传输率制定的的运动图像及其伴音编码的国际标准。m p e g 2 可以提供一个较广的范围改变压缩比，以适应不同画面质量、存储容量和带宽的要求。 它在与m p e g 1 兼容的基础上实现了低码率和多声道扩展。除了作为d v d 的指定标准 外，m p e g 2 还可用于为广播、有线电视网、电缆网络等提供广播级的数字视频。 m p e g 3 是i s o i e c 最初为h d t v ( 高清晰电视广播) 制定的编码和压缩标准，但 由于m p e g 2 的出色性能已能适用于h d t v ，因此m p e g 3 标准并未制定。 ( 3 ) m p e g - 4 标准 m p e g 4 标准的第一版于1 9 9 9 年1 月正式公布，标准的第二版也在1 9 9 9 年1 2 月 公布【1 。该标准的目标为：支持多种多媒体应用( 主要侧重于对多媒体信息内容的访问) ， 可根据应用的不同要求现场配置解码器。这些标准已获得产业和服务供应商的广泛支 持，并且引起了一场数字革命，使得更加普及的交互式媒体得以迅速发展。m p e g 4 旨 在为音视频数据的通信、存取与管理提供一个灵活的框架与一套开放的编码工具。这些 工具将支持大量的应用功能( 新的和传统的) 。尤为引人注目的是，m p e g 4 提供的多 种音视频( 自然的与合成的) 的编码模式使图像或音视频中对象的存取大为便利。这种 音频、视频的存取，常被称作基于内容的存取。基于内容的检索是它的一种特殊形式。 在m p e g 4 标准图像与视频标准中，视频表示工具的目标是为多媒体环境下的纹 理、图像和视频数据的有效存储、传输及管理提供标准化的核心技术，尤其强调这些工 具对图像和视频内容的原子单位( 称为视频对象v o ) 的编解码能力，要能对任意形状 的视频对象进行有效的表示，以支持所谓基于内容的功能集。为达到这样一个“宽广的 目标，而不局限于过窄的应用面中，m p e g 4 把各种应用中相似的功能分门别类集中起 来，以工具和算法的形式解决这些问题，包括： 图像和视频的有效压缩； 纹理的有效压缩( 用于二维与三维网格上的纹理映射) ； 隐含的二维网格的有效压缩； 控制网格运动的时变几何参数的有效压缩； 大连理工大学硕士研究生学, 6 - y - 论文 对各种可视对象的有效随机存取； 对图像和视频序列的扩展操纵管理功能； 图像和视频基于内容的编码； 纹理、图像和视频基于内容的可伸缩性； 空间、时间和质量可伸缩性； 在易错( e r r o rp r o n e ) 环境下的鲁棒性。 m p e g 4 标准支持7 个新的功能【5 1 。可粗略划分为3 类：基于内容的交互性、高压 缩率和灵活多样的存取模式。分别介绍如下： ( 1 ) 基于内容的交互性( c o n t e n t b a s e di n t e r a c t i v i t y ) 基于内容的操作与比特流编辑支持无须编码就可进行基于内容的操作与比特流 编辑。例如，使用者可在图像或比特流中选择一具体的对象( o b j e c t ) ，如图像中的某 个人，某个建筑等等，随后改变它的某些特性。 自然与合成数据混合编码。提供将自然视频图像同合成数据( 文本、图形) 有效 结合的方式，同时支持交互性操作。 增强的时间域随机存取。m p e g 4 将提供有效的随机存取方式；在有限的时间间 隔内，可按帧或任意形状的对象，对一音、视频序列进行随机存取。例如以一序列中的 某个音、视频对象为目标进行“快进搜索。 ( 2 ) 高压缩率( c o m p r e s s i o n ) 提高编码效率。在与现有的或正在形成的标准的可比拟速率上，m p e g 4 标准将 提供更好的主观视觉质量的图像。这一功能可望在迅速发展的移动通信网中获得应用， 但值得注意的是：提高编码效率不是m p e g 4 的唯一的主要目标。 对多个并发数据流的编码。m p e g 4 将提供对一景物的有效多视觉编码，加上多 伴音声道编码及有效的视听同步。在立体视频应用方面，m p e g - 4 将利用对同一景物的 多视点观察所造成的信息冗余，m p e g 4 的这一功能在足够的观察视点条件下将有效地 描述三维自然景物。 ( 3 ) 灵活多样的存取( u n i v e r s a la c c e s s ) 错误易发环境中的鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 。“灵活多样 是指允许采用各种有线、 无线网和各种存储媒体，m p e g 4 将提高抗错误能力，尤其是在易发生严重错误的环境 下的低比特应用( 移动通信链路) 。注意，m p e g 4 是第一个在其音、视频表示规范中 考虑信道特性的标准。目的不是取代已由通信网提供的错误控制技术，而是提供一种对 抗残留错误的坚韧性。例如：选择性前向纠错( s e l e c t i v ef o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ) 、错 误遏制( e r r o rc o n t a i n m e n t ) 或错误掩盖( e r r o rc o n c e a l m e n t ) 。 嵌入式胛e c c - 4 数字视频监控系统硬件平台的设计与实现 基于内容的尺度可变性( c o n t e n t b a s e ds c a l a b i l i t y ) 。内容尺度可变性意味着给 图像中的各个对象分配优先级。其中，比较重要的对象用较高的空间和( 或) 时间分辨 率表示。基于内容的尺度可变性是m p e g 4 的核心，因为一旦图像中所含对象的目录及 相应的优先级确定后，其它的基于内容的功能就比较容易实现了。对甚低比特率应用来 说，尺度可变性是一个关键因素，因为它提供了自适应可用资源的能力。例如，这个功 能允许使用者规定：对具有高优先级的对象以可接受的质量显示，第二优先级的对象则 以较低的质量显示，而其余内容( 对象) 则不予显示。可见，这种方式可最有效地利用 有限的资源。 2 1 2h 2 6 x 标准 早在1 9 8 9 年，国际电联r r u t 就开始制定视频压缩的相关标准，主要针对在电信 网络等环境下的低比特率视频传输，至今已经制定了从h 2 6 1 到h 2 6 4 等一系列标准 【6 】【7 l o ( 1 ) h 2 6 1 标准 h 2 6 1 是由u 第1 5 研究组于1 9 9 0 年制定对视频会议压缩编码标准。它首次尝试 综合数字压缩技术和网络技术实现数字图像实时传输，即可以在码率为p * 6 4 k b p s ( p 取“ 1 以o ) 的i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e s d i g i t a ln e t w o r k ，综合业务数字网) 上实时地传输声 音和图像信息。h 2 6 1 对c i f 和q c i f 两种图像格式进行处理。h 2 6 1 的核心技术是混合 编码算法，即采用运动补偿的帧间预测、d c t 、标量量化和v l c ( v a r i a b l el e n g t hc o d i n g ，_ 7 可变长编码) 的混合编码方法。 ( 2 ) h 2 6 3 标准 h 2 6 3 是u 于1 9 9 5 年制定的一种码率低于6 4 k b p s 的甚低码率视频压缩编码标准。 h 2 6 3 不仅着眼于利用p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公共电话网络) 传输， 而且兼顾g s t n 移动通信等无线业务。它支持五种图像格式：s q c f 、q c i f 、c i f 、4 c i f 和1 6 c i f 。跟h 2 6 1 一样，在编码中，它也采用帧间预测减小时间冗余度，利用d c t 减小空间冗余度；在传输中，采用可变长度编码技术；在解码恢复中，应用运动补偿。 与h 2 6 1 相比，h 2 6 3 增加了以下功能： 半个象素精度的运动估计 不受限的运动矢量 先进预测模式 p b 帧模式 基于语法的算术编码 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) h 2 6 4 标准 h 2 6 4 是新一代运动图像压缩标准。u t 推出的甚低比特率的视频压缩标准h 2 6 3 建议最初是针对1 0 3 0 k b i 怕范围的比特率应用设计的，但试验结果表明，在任何速率范 围内，h 2 6 3 都取得了惊人的效果，成为当时最成功的视频压缩标准。n u 下属的视频 编码专家组v c e g ( v i d e oc o d i n ge x p e r tg r o u p ) 在h 2 6 3 建议推出之后继续对其进行 改进，将各种新技术以附件的形式加入h 2 6 3 中，并提供相应的测试模型( t e s tm o d e l ) ， 使h 2 6 3 不断得到完善。1 9 9 8 年公布的h 2 6 3 + 和其后的h 2 6 3 + + ，h 2 6 l 分别是改进后 的版本，两者是h 2 6 4 标准的前身。2 0 0 1 年7 月，i s o m c 下属的运动图像专家组 m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 对a d v a n c e dv i d e o c o d i n g 进行招标。v c e g 和 m p e g i s o cj t c1 s c2 9 w g1 1 组成了联合视频组j ，研究新的编码标准 h 2 删c 。h 2 6 4 的