（通信与信息系统专业论文）基于mpeg4的数字硬盘录像控制子系统的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 传统的录像系统受到当时技术发展水平的局限，录像介质一般采用磁带，而磁带 为一次性产品，不能进行反复地拷贝、重放，图像的高质量保存受到了很大的威胁。 随着半导体技术以及数字存储技术的发展，视频和音频的数字化、存储成为现实。咀 数字硬盘录像d v r ( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) 为核心组成的数字视频监控系统以其功能 集成化、录像数字化、使用简单化、监控智能化、控制网络化等优势，在安防领域得 到了广泛重视，并最终将会成为传统录像监控系统的替代产品。 文中首先回顾了一下数字硬盘录像系统的需求驱动和技术背景，介绍了数字硬盘 录像系统的关键技术和其优点所在。其次比较了当前存在的几种数字硬盘录像系统的 优点和不足，设计和实现了一种基于m p e g 4 ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r tg r o u p4 ) 的数字硬 髓录像系统，该系统以s c 2 2 0 0 嵌入式处理器为硬件平台，以嵌入式l i n u x 操作系统 为软件平台，音视频压缩和解压采用高性能音视频处理芯片v w 2 0 10 进行处理，压缩 算法采用m p e g 4 的方式实现。接下来从硬件和软件两个方面重点讨论了数字硬盘录 像控制子系统的设计和实现。对于硬件部分给出了控制子系统的实现方案、原理框图 和各模块的原理和具体实现过程。对于软件部分讨论了两种软件设计方式：基于前后 台系统和利用实时操作系统g c o s i i 管理的方式，应用程序采用基于有限状态机的软 件模型。最后详细给出系统测试步骤、测试结果和部分测试用例，对系统的性能进行 了评估和分析。 本系统已经实现了样机的研发工作，成功的实现了远端图像监控、多种方式的报 警录像、多种方式的记录检索和历史记录回放等功能。 关键词：数字硬盘录像 m p e g 4 多画面处理前后台系统 g c o s l i有限状态机 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i m i t e db yt h et e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a lv i d e or e c o r ds y s t e me m p l o y sm a g n e t i ct a p e a sr e c o r d i n gm e d i a m a g n e t i ct a p e ，ao n e o f fp r o d u c tw h i c hc a nn o tb ec o p i e dr e p e a t e d l y a n dr e p l a y e dt i m ea f t e rt i m e ，g r e a t l yr e s t r i c t sh i g hq u a l i t yp r e s e r v a t i o no fv i d e o w i t ht h e d e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g yo fs e m i c o n d u c t o ra n dd i g i t a ls t o r a g e ，t h ed i g i t a ls t o r a g eo f v i d e oa n da u d i ob e c a m er e a l i t y t h ed i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，w i t hd v r ( d i g i t a l v i d e or e c o r d e r ) a si t sc o r ec o m p o n e n t ，h a st h ea d v a n t a g eo fi n t e g r a t i o n ，d i g i t a l i z a t i o n ， s i m p l eu s a g e ，i n t e l l i g e n t i z a t i o n ，n e t w o r k b a s e dc o n t r o l ，i s r e c e i v i n gm o r e a n dm o r e i n t e r e s t si ns e c u r i t yd e f e n s ea r e aa n dw i l lb et h es u b s t i t u t i o no ft h et r a d i t i o n a lv i d e or e c o r d s y s t e m i nt h ef u t u r e f i r s t ，t h eb a c k g r o u n dt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n to f t h ed i g i t a lv i d e or e c o r d e rs y s t e m w e r er e v i e w e da n dt h e a d v a n t a g e s o ft h ed v r s y s t e m w e r ei n t r o d u c e d s e c o n d ，a n e m b e d d e dd i g i t a lv i d e or e c o r d e rs y s t e mb a s e do nm p e g 4w a sd e s i g n e da n dr e a l i z e da f t e r e x t e n s i v es t u d i e so ft h ea d v a n t a g e sa n di m p e r f e c t i o n so fs e v e r a lc u r r e n td i g i t a lv i d e o r e c o r d e rs y s t e m s t h i ss y s t e mu t i l i z e se m b e d d e ds c 2 2 0 0p r o c e s s o ra n dl i n u xo p e r a t i n g s y s t e m f l si t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p l a t f o r m sr e s p e c t i v e l y t h ec o m p r e s s i o n a n d d e c o m p r e s s i o no f a u d i oa n dv i d e oa r ep e r f o r m e db yt h eh i g h p o w e r e dc h i pv w 2 0 1 0 ， w h i c ha d c 。p t sm p e g 4a si t sc o m p r e s s i n ga r i t h m e t i c t h e nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e c o n t r o ls u b s y s t e m so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y i nt h eh a r d w a r e p a r t ，d i a g r a m s ，p r i n c i p l e sa n d t h ew a y so fr e a l i z a t i o no f e v e r yp a r tw e r ep r o v i d e d f o rt h e s o f t w a r e ，t w od e s i g n sw e r ep r o v i d e d o n ei sb a s e do nf o r e g r o u n da n db a c k g r o u n ds y s t e m ， t h eo t h e ri sd e s i g n e d b yu s i n gg c o s i ia sa d m i n i s t r a t o r a l lt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m sw e r e a d o p t e das o f t w a r em o d e lb a s e do nf i n i t es t a t em a c h i n e as y s t e m a t i ct e s t i n gp r o c e s sw a s i n t r o d u c e di nd e t a i l s ，f o l l o w e db ys o m e t e s t i n ge x a m p l e sa n dt h et e s t i n gr e s u l t s f i n a l l y , t h e f u n c t i o n a lr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e mw a se v a l u a t e da n d a n a l y z e d an e wm o d e ls y s t e mo fd v rw a sd e s i g n e da n dt h i ss y s t e ms u c c e s s f u l l yr e a l i z e dt h e f u n c t i o n so fr e m o t ev i d e o r e c o r d i n g ，m u l t i p l e m e t h o d so fa l a r m i n g r e c o r d ，m u l t i p l e m e t h o d so f i n d e x i n go fr e c o r d ，h i s t o r yp l a y b a c ke t c k e y w o r d s ：d i g i t a lv i d e o r e c o r d e rm p e g 4m u l t i - c h a n n e l i m a g ep r o c e s s o r f o r e g r o u n d b a c k g r o u n ds y s t e m g c o s - 1 1 f i n i t es t a t em a c h i n e s i i 独创性声明 本人声明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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中咀明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名- 韩善蒲 日期：槲年铲月艿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：韩摹请 日期：甜畔年中月谬日 指导教师签名：皿国晷 日期：抽即年牛月影日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 数字硬盘录像系统的需求驱动和技术背景 在视频监控系统中，摄像机完成了对监视现场的景物进行实时拍摄的任务，并借 助于监视器将所拍摄的图像实时显示出来，监控人员通过监视器屏幕即可实现对所辖 区域现场情况的监视。在实际应用中，为保存重要的现场证据或是在无人值守的场合， 还需要对监视现场的部分或者是全部画面进行实时录像，以便为事后查证提供重要证 据，这时候就需要用到录像设备。根据录像媒质的不同，可分为磁带模拟录像机或者 是硬盘数字录像机两种方式。 e 个世纪9 0 年代初以及以前，模拟录像机是录像行业的主流【l 】。它主要由摄像机、 视频矩阵、监视器、录像机组成，利用模拟视频线将来自摄像机的视频连接到监视器 上，利用视频矩阵主机，采用键盘进行切换和控制，录像采用使用磁带的长时间录像 机。远距离图像传输采用模拟光纤，利用光端机进行视频数据的传输。 模拟录像方式存在着很多的局限性和缺点。具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 首先由于模拟录像机的录像介质是磁带，而磁带为一次性产品，不能进行 反复地拷贝、重放，图像的高质量保存受到了很大的威胁。 ( 2 ) 其次利用磁带记录所发生的事件也给犯罪分子销毁证据、替换或者抹掉录 像带内容等多项技术犯罪提供了机会，因为任何人员，只要能够接触到录像机或者录 像带就可以对其进行各种操作。 ( 3 ) 再次模拟视频监控无法联网，只能采取点对点的方式进行现场监控，并且 使得前i 线工程量极大。另外，由于传输的是模拟视频信号，而模拟信号对传输距离十 分敏感，当传输距离大于1 0 0 0 m 时，信号容易产生衰耗、畸变、延时，并且易受干扰， 使图像质量下降，采用模拟光纤来进行传输虽然可以加大传输距离，但是同时也增加 了系统的成本。 ( 4 ) 模拟视频监控系统采用人员监控方式，工作人员容易疲劳，不可能时时刻 刻的刚着监视器屏幕，在一些极其重要的场合如银行金库、博物馆、档案馆、保密库 等，如果监控人员稍有疏忽就有可能造成极大的财产和经济损失，这种监控方式导致 监控效率低下、安保人员的工作负担重等缺点。 ( 5 ) 模拟视频监控系统虽然能进行较远距离的报警信息传输，但存在的传输的 华中科技大学硕士学位论文 报警信息简单，无法及时准确的了解事发现场的状况，报警事件确认困难，系统效率 低。 这种监控方式已经越来越不能满足现代信息社会对保存图像的信息量的更高要 求，模拟录像机的种种缺陷导致了它最终不能满足用户的需求，退出历史舞台的必然 结局【2 i 。 九十年代中期，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的快速提高以及各种 视频技术的出现，视频监控步入了全数字化的新时代。数字硬盘录像系统以其功能集 成化、操作智能化等特点成为当今视频监控领域中最新型的、性能最卓越的数字化图 像记录设备( 2 1 。它一般采用下面的结构：在远端监控现场，有若干个摄像机、各种检 测、报警探头和数据设备，通过各自的传输线路，汇接到多媒体监控终端上，多媒体 监控终端可以是一台p c 机，也可以是专用的工业机箱组成多媒体监控终端。除了处 理各种信息和完成本地所要求的各种功能外，系统还可以通过通信网络，将这些信息 传到一个或者多个监控中心进行处理。 引导数字硬盘录像系统迅速发展和普及的原因，一是全球性的数字化大潮，半导 体技术、超大规模集成电路技术和i c 设计技术以及数字压缩存储技术的发展越来越 快，视频和音频的数字化、存储已经成为现实，并且已经成功生产出大量的能够实现 专有功能的芯片。二是i t 技术的快速发展，硬磁盘的容量极大提高，现在单体硬盘 容量已经达到1 6 0 g b ，而其价格却大幅度的降低，这造就了d v r 的生存空间。同时 d v r 系统规模的大小可以进行裁减，既能以配置4 0 g b 硬盘作常规数量硬盘的记录， 也能外挂超大容量的磁盘阵列，满足记录更多数量音视频图像、延长录像时间的特殊 需求f 3 】。 d v r 系统的技术，主要表现在图像采集速率、图像压缩方式、硬磁盘信息的存 耿调度、解压缩方案、实时画面处理、视频丢失报警、动态检测报警和外部信号报警 等诸多方面。相对于模拟录像系统，数字硬盘录像系统具有以下优点 4 - 5 ： ( 1 ) 采用硬盘录像方式，画面质量高，且可以进行反复的拷贝、重放，便于保 存和管理。录像方式可选择设定为连续录像、自动定时录像、动态检测录像、报警触 发录像等多种形式，录像的画质可选。 ( 2 ) 具有多种可行的视频和音频压缩方式，能够极大的节省存储空间，节省系 统成本。 ( 3 ) 系统保密程度高。d v r 系统中图像的播放由程序来控制，对使用的图像存 华中科技大学硕士学位论文 储、回放和状态设置均有严格的密码，即使是操作人员，如果不知道密码或者密码的 权限不包含有上述操作内容，就无法知道已经录制的图像内容。 ( 4 ) 检索方便。可以按日期、通道号、普通录像、报警录像或者是动态检测录 像等多种方式进行检索，自动、快速地找到相应的录像文件，不必像传统录像机那样 先得找录像带，再将录像带反复的快进、快退来查阅。录像回放时可选择快进、快退、 慢放、暂停等多种方式，也可以选择单帧播放，这种方式在寻找破案线索时特别有用。 ( 5 ) 易于采用远程联网监控甚至可以把监控终端做成网络服务器，经过授权的 用户可通过网络传输获得录像数据或者直接在网上观看监控现场的实时播放内容。这 种传输方式基本上不受距离限制，信号不易受干扰，可大幅度提高图像品质和稳定性； ( 6 ) 多种方式的报警。监控现场有异常发生时产生的报警信息；视频丢失时可 以产生视频丢失报警信号；当检测到监控现场有移动物体时可以发生动态检测报警信 号；这种动态检测功能既能减轻监视人员的负担，又能增加监控的有效性和实时性。 ( 7 ) 存储容量扩充容易。现在8 0 0 的硬盘已成为主流，每个硬盘单路录像可达 到3 5 0 小时，系统若外挂1 0 个硬盘，录像时间可达到3 5 0 0 小时，所以不需要更换硬 盘，即可实现长时间循环录像，免去了模拟录像经常更换录像带的麻烦。 f 是由于数字硬盘录像系统具有传统模拟监控系统无法比拟的优点，而且符合当 前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，所以数字硬盘录像系统正在逐步 取代模拟录像系统，广泛应用于各行各业中。 1 2 数字硬盘录像系统的发展现状 最先开发出硬盘录像机的并不是国际著名大公司，而是美国两家初出茅庐的小公 司。一家是r e p l a y 网络公司，于1 9 9 8 年1 1 月率先向市场上推出硬盘录像机，另一家 是t i v o 公司，1 9 9 9 年4 月开始出售硬盘录像机产品【6 】。中国第一台硬盘录像机由厦 新2 0 0 0 年7 月推出，它采用s t r e a mm a c h i n e 的p v r 方案，压缩标准为m p e g 2 ，主 要面向家庭娱乐，提供时移功能。目前，国内外硬盘录像机正处于百家争鸣时代。国 内安防产品市场上销售的进口和国产品牌有上百种之多，仅国内生产厂家就有几十 家，尚无统一的国际、国内标准。虽然各种品牌混杂、型号繁多，功能特性各异，但 采用的压缩标准多以m p e g l 和h 2 6 1 为主，m p e g 4 标准的d v r 也开始出现。从功 能、解压缩方式、系统结构三个方面可将d v r 分为以下几个大类。 ( 1 ) 以功能区分 华中科技大学硕士学位论文 以实现的功能来分可分为单路数字硬盘录像机、多画面数字硬盘录像机和数字硬 艋录像监控主机。 单路数字硬盘录像机如同一台长延时录像机，只不过使用数字方式录像，可搭配 一般的影像压缩处理器或分割器等设备使用。多画面数字硬盘录像机本身包含多画面 处理器，可用画丽切换方式的同时记录多路图像。数字硬盘录像监控主机集多画面处 理器、视频切换器、录像机的全部功能于一体，本身可连接报警探测器，它还具有其 他多种功能，包括动态检测报警、视频丢失报警、可通过解码器控制云台旋转和镜头 伸缩，可通过网络传输图像和控制信号等。 ( 2 ) 以压缩和解压缩方式区分 以压缩和解压缩方式来分可分为硬件压缩和硬件解压方式、硬件压缩和软件解压 方式、软件压缩和软件解压方式。 硬件压缩和硬件解压方式是指由专门设计的电路和专有芯片内的底层软件对音 频和视频进行压缩和解压；硬件压缩和软件解压方式，是前端采用硬件编码而客户端 用p c 机软件解码；软件压缩和软件解压方式是利用p c 机视频采集技术和高级语言 进行各种动态图像压缩和解压的方法。 目前市场上以上三种方案并存。实践发现硬件压缩和硬件解压方式比软件方式更 真实可靠，原因是软件方式依赖于成本低廉、机箱庞大的电脑，并非闭路电视领域的 专业产品，很多监控地点也不适合p c 机的安装，并且使用中很容易死机和资料混乱， 所记录的图像也有可能被更改或重新编辑：而硬件方式采用闭路电视领域的专业技 术，图像画面清晰，具有可靠的压缩和解压缩方式，一旦被记录下来，就不可能更 改口i 。在设计中我们采用了硬件压缩和硬件解压的方式，利用v w e b 公司的专有芯 片v w 2 0 1 0 来完成音视频的压缩和解压，取得了较好的效果。 ( 3 ) 以系统结构区分 目前的硬盘录像机系统结构分两大类：基于p c 架构和脱离p c 架构【6 。 基于p c 架构：这种架构的硬件基础为p c ( 个人电脑) 结构，通过在p c 机扩充槽 中插入音视频采集卡进行音视频处理的方式，其软件操作平台一般为w i n d o w s 。这种 结构适合长时间录像，可全面取代传统的多画面分割器、录像机、视频矩阵等模拟产 品。缺点是稳定性较差，容易死机且系统成本较高。 脱离p c 架构：这种结构基于嵌入式技术，采用嵌入式操作系统，大大提高了系 统的稳定性和实时性。由于这种系统的硬件是一个同处理器和操作系统捆绑较为紧 密、功能专一、设计专门的独立的设备，不像插卡系统那样受通用计算机系统中其它 华中科技大学硕士学位论文 软硬件的影响，因此性能上更稳定，且便于安装、维护，易于实现系统的模块化设计， 便于管理维护。硬盘录像和回放基本上可以达到实时的效果且录像清晰度较高，这种 架构发展较晚，但由于其显著的优点即将在市场上取得大规模的应用。 在本系统中，我们采用了脱离p c 机的架构，采取在系统底板上插接压缩解压板 的方式，采用嵌入式l i n u x 操作系统，极大的提高了系统的稳定性。 1 3 数字硬盘录像系统的关键技术 数字硬盘录像系统就其技术背景而言，是计算机、微电子、网络通信、视频处理 和人工智能等各项技术不断发展和相互融合的结果，与数字硬盘录像系统相关的主要 技术有音视频压缩、存储、回放、动态检测以及画面分割技术 7 】。 ( 1 ) 音视频压缩技术 音视频压缩技术是数字化监控系统的核心技术。多路高质量的音视频的采集、转 换是系统数字化的第一步，高压缩比、实时的多路并行压缩技术是保障系统信息存储、 显示和网络传输的基础。视频压缩编码的理论基础是信息论。压缩就是从时域、空域 两方面去除冗余信息，即将可推知的确定信息去掉。在实际应用中，编码方法的选择 不但要考虑到压缩比、信噪比，还要考虑到算法的复杂性。太复杂的编码算法可能会 产生较高的压缩比，但也会带来较大的计算开销，软件实现时会影响通信的实时性。 目f ； 尚无关于监控产品和系统的国际标准，采用的压缩方式多种多样，归纳起来影响 较大并且被广泛应用的算法主要有m j p e g 标准、h 2 6 标准、m p e g x 标准和小波 变换的压缩方式。 ( 2 ) 音视频回放技术 数字硬盘录像系统需要同时监视和回放多路视频信号，实现多路视频的实时接 收、解码、显示以及回放。回放的过程中为了避免出现丢帧、抖动、马赛克等现象， 多路视频的质量保证是其关键问题，目前一般将其作为多媒体系统的质量服务系统模 型的一部分来加以考虑，针对回放所涉及的系统资源，通过对c p u 时间、主存、设 备等资源的管理及其q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 控制等多方面来保证回放的性能优化技 术。 ( 3 ) 音视频存储技术 在数字硬盘录像系统中，视频数据的存储可分为事件驱动和连续存储两大类。前 者是在监控对象状态发生变化时存储数据，如出现违章车辆时进行录像，后者是在指 华中科技大学硕士学位论文 定r 寸间内不间断地存储视频数据，如上班期间储蓄所对柜员机的监控。在监控过程中 通常足多路视频数据采集、存储同时进行，最后获得的数据量十分庞大。视频存储的 最终目的是为了信息的检索和查询，因此存储时需要考虑建立有效的索引与查询机 制。 ( 4 ) 画面动态检测技术 数字硬盘录像系统中的动态检测是指当监控场景背景不变而前景发生变化时，系 统能够检测出这一变化，并做出反应。实际应用的监控场景比较复杂，无论是室内监 控还是室外监控，经常会出现背景本身不稳定的问题，从而使得如何区分“背景引起 的异常( 无需报警) ”和“真正的异常f 需要报警) ”很困难，导致了运动图像检测误报率 较高；同时运动检测分析将占用大量的系统资源( c v u 处理器资源、内存资源等) ，这 会影响到监控系统的整体性能和稳定性，为此在保证运动检测质量的前提下，需要研 究如何提高运动检测的速度，以满足监控系统多路实时运动检测的要求。目前广泛应 用的运动检测算法有以下几类：基于光流法，基于相邻帧差法和基于背景减法。 ( 5 ) 画面分割技术 画面分割技术是指对输入的多路视频信号进行重新组合形成一路视频信号。组合 原理是各路视频信号各自经过模数转换后分别在水平和垂直方向上按不同的比率压 缩取样、存储，而后各样点在同一个时钟驱动下顺序读出，经过数模转换后即可形成 多路画面合成1 路的输出信号。通过画面分割之后，多路实时信号可以显示在一个监 视器画面上悼j 。 1 4 课题研究的内容和论文安排 本文主要围绕羞数字硬盘录像系统的研制和开发进行，在对硬盘录像系统的目 标、功能进行了深入的分析上，然后提出了一种确实可行的系统总体设计方案。然后 根据作者在课题中承担的部分提出了数字硬盘录像控制子系统的设计方案，最后对控 制子系统进行了软件和硬件方面的具体设计和实现。 本文的章节具体安排如下： 第1 章绪论，首先给出了数字硬盘录像系统的需求驱动和技术背景，对比了模 拟录像机的缺点和不足，突出数字硬盘录像系统的技术优点，接着从几个方面对数字 硬盘录像系统进行了分类，并且论述了数字硬盘录像系统中的关键技术和发展现状。 第2 章从功能和结构两个方面论述，提出了基于m p e g 4 的数字硬盘录像系统的 华中科技大学硕士学位论文 总体设计方案，包括实时监视部分的设计方案和压缩存储部分的设计方案，并提出系 统设计所要求达到的各项参数和技术指标。 第3 章数字硬盘录像控制子系统硬件的设计与实现，首先介绍控制子系统要实 现的功能，绘出系统总体框图，然后给出系统各模块的实现方案和结构框图。 第4 章数字硬盘录像控制子系统的软件设计，给出了两种实现方法：基于前后 台式设计方法和基于实时操作系统g c o s i i 的设计方法并对两种方法进行了对比，详 细的介绍了基于l a c o s i i 的软件的实现，最后给出基于有限状态机的软件设计模型和 结合我们使用的处理器实现软件优化的具体措施。 第5 章系统测试。详细给出系统硬件测试和软件测试的步骤，测试结果和部分 测试用例，对系统的性能进行评估并加以分析。 第6 章结束语。总结当前自己已经完成的工作，指出系统已达到的指标和还存 在的不足之处，并对以后的工作提出建议。 华中科技大学硕士学位论文 2 系统总体方案设计 总体设计包括结构设计和功能设计两个方面，其中功能设计由硬件平台和软件系 统两部分构成。系统软硬件平台的选择是通过对系统性能、体积、价格、开发的难易 程度等多方面综合考虑之后得到的。 2 1 系统结构设计 传统的设计方案采用的是在一块底板上集成多路压缩解压电路的方式，这种方式 比较呆板，灵活性不大，对于一个9 路的硬盘录像机而言，底板上集成了9 路压缩电 路和至少1 路解压电路。如果用户需要监控的场所小于9 个，就会造成系统资源的极 大浪费，对于用户而言不是一种经济的解决方案；对于硬件开发人员来说，在产品开 发过程中由于一块p c b 板集成了多路音视频信号，信号种类多，系统布线和设计系 统的电磁兼容性都很复杂，很容易导致图像信号差，信号干扰大。 基于这种情况，本项目采取新颖的设计思路，抛弃传统的在一块面板上实现多路 压缩解压的方式，采用在系统底板上安装插槽，通过在插槽中插装压缩解压板的方法， 用户可以根据实际需要选择相应的压缩解压板和硬盘的数目，控制灵活，可节省大量 经费和资源，最优化的配置系统。另外，在产品开发过程中，由于系统底板和压缩解 压：板的分离，使得p c b 板尺寸和层数减小，可减少数模干扰和增强系统的电磁干扰 性，有利于系统布线，缩短开发周期，增加系统稳定性。 整个系统结构由七种类型的板予组成：嵌入式主控微处理器板( 即c p u 板) 、系统 底板、用户操作面板、插座板、音视频压缩板和音视频解压板。下面简要的对每个板 子的功能进行介绍。 嵌入式主控微处理器板我们采用c o m p u l a b 公司的6 8 6 核，t j , ( 6 8 6 c o r e m o d u l e l 板。6 8 6 核心板是一个微型的单板机，其大小甚至比一张信用卡还小，可以支持d o s 、 w i n d o w s9 x n t x p 、l i n u x 或v x w o r k s 操作系统的运行吼板上集成了主c p u 芯片 s c 2 2 0 0 ，实现对整个系统压缩和解压的控制，并且集成了p c i 总线接口( 符合p c i 局 部总线规范2 2 ) 、硬盘i d e 接口、两个串口和1 0 1 0 0 m 以太网口等多项功能。在本 方案中，系统功能模块和压缩解压模块之间采用p c i 接口连接；i d e 接口用于挂接大 容量硬盘，硬盘全部用于保存m p e g 流数据；两个串口中一个串口为r s 2 3 2 逻辑电 平，用于设置系统参数( 通过w i n d o w s 的超级终端) ，另一个串口为t t l 电平，用于和 华中科技大学硕士学位论文 系统底板上的单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 通信：以太网口用于与局域网的连接，可通过网络 传输图像和控制信号：上述的几个端口以及c p u 的i o 总线通过c p u 槽连到系统底 板。 本系统的微处理器采用美国国家半导体公司的s c 2 2 0 0 芯片。s c 2 2 0 0 是一款3 2 位的x 8 6 处理器，主要参数归纳如下【l i j ： 存储控制器：6 4 位s d r a m 接口，频率范围为6 6 m h z 到i o o m h z ，自动刷 新： 内部集成可编程中断控制器( p i c ) ：8 2 5 9 a 兼容，两片级连； 内部集成h o s t _ t o p c i 桥( 北桥) ：向外部提供标准p c i 接口，符合p c i 规范 2 1 ，3 2 位数据宽度，3 3 m h z 工作频率，固定优先级，3 3 v 信号环境； 内部集成p c i 。t o i s a 桥( 南桥) ：向外提供标准i s a 接口，1 6 m b 寻址，可选 的8 位或1 6 位数据宽度，非负向译码设备，与p c i 总线复用管脚； 压缩板主要实现音视频信号的数字化和压缩，每块压缩板实现一路音视频信号的 压缩。解压板主要实现音视频信号的解压。用户根据实际监控的需要选择在系统底板 上插接音视频压缩板的数目。压缩板和解压板上集成了v w e b 公司的v w 2 0 1 0 专有 芯片，用于对音视频数据进行压缩和解压处理。 v w 2 0 1 0 是v w e b 公司开发的一款高性能的实时m p e g 4 音视频压缩解压芯片 ( c o d e c ) ，在压缩模式下，v w 2 0 1 0 对输入的c c i r 6 5 6 数字视频信号和s 数字音频 信号进行压缩编码，产生m p e g 流数据( m p e g l 2 4 可选) ；在解压模式下，v w 2 0 1 0 对输入的m p e g 流数据进行解码，产生c c i r 6 5 6 数字视频信号和s 数字音频信号。 本系统共采用9 片v w 2 0 1 0 芯片，其中8 片工作在压缩模式，对应8 路压缩卡，完成 对8 路视频信息的压缩存储；另外一片工作在解压模式，对应一路解压卡，实现对存 储数据的硬解压，方便对系统存储数据的检索和回放。 系统底板上集成了单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，通过单片机和其他外围芯片实现了画面 实时分割、音频选择、报警输入输出、云台镜头以及键盘控制的功能。另外系统各部 分的总线都从系统底板上转接，包括传输音视频数据的高速p c i 总线。p c i 总线都有 带负载能力的问题【l 2 1 ，s c 2 2 0 0 提供给外部的p c i 总线接口的带负载能力为两个，而 系统的p c i 卡有9 片，此外还有一片以太网控制芯片r t l 8 1 3 9 d ，因此系统中共有1 0 个p c i 设备( 不计s c 2 2 0 0 内部集成的p c i 设备) ，所以必须用p c i - t o p c i 桥芯片进 行总线扩展。 操作面板上安装按键，供用户操作使用；插座板主要集成各种插座，如音视频输 华中科技大学硕士学位论文 入输出的b n c 接头、以太网口、r s 2 3 2 串口等，避免模拟信号对数字信号进行干扰， 增强系统的稳定性。 系统硬件架构示意图如图2 1 所示。 2 2 系统功能设计 解压叫ln。斗 网 i - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j 系统底板 图2 1 系统硬件架构示意图 2 2 1 操作系统的比较和选择 目前很多录像系统采用w i n d o w s 操作系统，因为w i n d o w s 提供大量的g u i 图形 界面，有各种外部设备及应用程序，所以系统的开发就容易很多。但w i n d o w s 系统庞 大复杂，占用c p u 资源大，外围硬件较为复杂，稳定性、可靠性不如嵌入式操作系 统。 嵌入式操作系统的特点在于系统简单，去掉了与监控无关的功能，减少了出问题 的几率。它的优点是处理实时、反应速度快、稳定性好、黑客不能攻击，因为非通用 的系统是特别的。由于开发者掌握源代码，可随时解决硬件冲突及优化系统【1 3 】。 嵌入式操作系统和w i n d o w s 的比较见表2 1 ： 表2 1 嵌入式操作系统和w i n d o w s 的比较 嵌入式操作系统w i n d o w s 控制特殊硬件的嵌入式系统普遍性的操作系统 系统小，指令精简，处理快系统大，指令复杂 系统置于r o m f l a s hm e m o r y系统置于硬盘， 中，调h j 速度快，开机启动慢， 不会被改变稳定性好稳定性差 系统处理实时性好，稳定系统功能强大，稳定性差 j f s 日，占文件管理系统，f a t 3 2 文件管理系统， 更适合大量的视频数据适合p c 华中科技大学硕士学位论文 基于以上的讨论和分析，结合我们选用的c o m p u l a b 公司的6 8 6 c o r ec p u 板支 持l i h i i x 、w i n d o w sc e 、w i n d o w s9 x n t x p 和v x w o r k s 几种操作系统，其中w i n d o w s c e 和v x w o r k s 是商用操作系统，使用它们必须支付昂贵的版权费。因此我们从适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积等各个方面综合考虑，选择了嵌入式l i n u x 作 为我们的专用计算机系统。嵌入式l i n u x 是一个真正的多任务、多用户、多平台系统， 支持多处理器，安全可靠，性能卓越。最重要的是l i n u x 不是商业化的操作系统，它 遵循g n u 公共许可协议，源代码全部开放，任何八均可自由获得源码并进行分析研 究。 l i n u x 由于自身的优点非常适合于作为嵌入式操作系统，主要表现为以下几点 1 4 】： 免许可证费用，源代码公开 性能稳定，功能强大 内核裁减性好，易于移植 强大的网络功能 可提供更快的执行速度 具有强大的开发工具 全面的技术支持 2 2 2 压缩标准的比较和选择 在数字硬盘录像系统中，对音视频信号进行压缩存储是系统的一个重要功能。它 不仅要求对监控现场能够进行实时的监视，而且要求对视音频数据进行长时间的记录 或查询。 目前国内外开发的数字硬盘录像系统中多采用的是m j p e g 、m p e g l 、m p e g 2 、 h 2 6 3 、小波变换和m p e g 4 压缩技术。对于采用不同压缩技术的数字硬盘录像系统而 占，其音视频回放效果、图像传输码率方面都存在着很大的差异盼1 6 1 。 m j p e g 压缩技术的主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独 对某一帧进行压缩。m j p e g 压缩技术可以获取清晰度很高的视频图像，而且可以灵 活设置每路的视频清晰度和压缩帧数。它的缺点是压缩效率低，存储占用的空间大到 每帧8 - - 2 0 k 字节，最好也只能做到每帧3 k 字节，另外一点是它的实时性差，在保 证每路都必须是高清晰度的前提下，很难完成实时压缩，而且丢帧现象严重，如果采 用高压缩比则视频质量会严重降低1 1 5 1 。 m p e g l 是针对1 5 m b p s 以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音编码 华中科技大学硕士学位论文 设计的国际标准，用于c d r o m 上存储同步和彩色运动视频信号，旨在达到v c r 质 量。它能够提供较好的运动图像。其不足之处在于：图像清晰度还不够高，最大清晰 度仅为3 5 2 2 8 8 ，另外对传输图像的带宽有一定要求，在普通电话线窄带网络上无法 实现远程多路视频传送【7 1 。 m p e g 2 算法是针对3 1 0 m b p s 的数据传输率制定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。m p e g 2 标准的图像清晰度很高但数据量太大，不太适合于视频 监控系统长时间录像的要求i 】“。 h ，2 6 3 标准针对远程视频传输应用而制定，因此在低带宽，低码率条件下具有较 好的适应性和性能。但是h 2 6 3 的标准框架较大，在实现上具有不确定性因素。同时， 没有产业链的良好支持，在编码硬件上不是很成熟，在国内的安防领域应用不多。 m p e g 4 标准新增了多种功能，引入了面向对象的编码方法，它支持基于内容的 操作和比特流编辑；使用自然与合成数据混合编码；增强的时间域随机存取，提供有 效的随机存取方式，可按帧或任意形状的对象，对音视频序列进行随机存取；具有更 高压缩率，提高编码效率，而且提供更好的主观视觉质量的图像；引入基于内容的尺 度可变性，内容尺度可变性意味着给图像中的各个对象分配优先级，比较重要的对象 用较高的空间和时间分辨率表示，能最有效利用有限的资源。m p e g 4 的目标比特率 为4 8 k b p s 6 4 k b p s 之间，可以利用很窄的带宽通过帧重建技术压缩和传输数据，从而 能以最少的数据获得最佳的图像质量f 1 6 1 7 , 塘】。 基于上述对各种压缩方式优劣的比较可以发现，m p e g 4 压缩算法较为先进，图 像压缩比较高，图像清晰度较好，网络传输带宽较小，能通过各种传输方式进行远程 视频图像传输。基于这种压缩算法的硬盘录像机前景较好，因此我们采用m p e g 4 压 缩方式，同时考虑到m p e g 4 编解码算法难度较高，工作量较大，短时间难以完成， 因此我们选用v w e b 公司的v w 2 0 1 0 专有芯片对音视频数据进行压缩和解压处理。 2 2 3 本系统采用的设计方案 嵌入式数字硬盘录像机原理框图如图2 2 所示，它主要包括以下几个部分：音视 频摄取、音视频压缩、音视频解压、多画面处理、人机接口、监控终端和报警检测。 其主要原理是：摄像机传送来的视频信号和扬声器送来的音频信号分别经过采样、量 化和编码后，由高性能的信号处理芯片进行音视频压缩，在主机的控制下传送到硬盘 进行存储。同时，各路实时的视频信号经过多画面处理后可以合成为一幅画面在监控 1 2 华中科技大学硕士学位论文 终端上实时监控，用户通过人机接口对系统进行设置，系统也可以根据用户的检索要 求从硬盘中取出压缩数据进行解压，即可进行回放图像的播放。本地用户还可以对摄 像机云台镜头的动作或者是报警电路进行操作。系统最多可提供8 路音视频输入和1 路音视频输出，实现8 个通道的压缩存储和实时监视，同时可进行1 路检索回放。 音频 输出 视频 输出 多路模 拟开关 多画面 处理 d a 变换 数字 视频 压缩 到嚣 音频流 主 c p u 系 统 硬盘 录像 音视 频解 压缩 控制信号 视频流 控制信号 图2 2 主系统原理图 m c u 系统 接口 报誓 输入 报警 输出 输入的8 路音频视频模拟信号经过音视频压缩板的处理，以三种形式的输入信号 传送给系统底板，一是以m p e g 格式( 可以是m p e g 4 、m p e g 2 、m p e g l ) 压缩的 流数据，这部分在嵌入式主控微处理器板的控制下存入硬盘，在回放状态以m p e g 格 式的多媒体流数据送给音视频解压板解压，输出符合c c i r 6 5 6 格式的视频信号和i i s 格式的音频信号，经过视频编码和音频d a 即可在监视器上播放；二是经过视频解码 处理的符合c c i r 6 5 6 格式的视频码流，这部分送给系统底板上的画面分割芯片处理， 画面分割芯片将最多8 路实时视频信号和一路回放信号进行合成处理为一路c c i r 6 5 6 格式的视频流，然后经视频编码的处理即可在监视器上输出；三是八路实时的模拟音 频信号，它送往位于系统底板上的模拟开关，将会在实时播放时由用户选择监听哪个 通道。整个通信过程由嵌入式主控微处理器板来控制调节，用户通过用户操作面板或 闵 酬 粉徽觚默蛳 俐 闵 献骱腴蝴 华中科技大学硕士学位论文 者通过局域网来对系统进行控制。 由此可以看出，系统可以分为两个大块：压缩解压部分和实时处理部分，我在整 个系统中承担的工作是实现实时处理部分以及相关外围电路的设计与实现。 2 3 系统功能要求 经过详细的市场调研和需求分析设计