（检测技术与自动化装置专业论文）基于mpeg4的嵌入式网络视频监控系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 视频监控系统在工业生产和日常生活中得到了广泛的应用，目前新兴的基 于嵌入式技术的网络视频监控系统与传统的视频监控系统相比具有体积小、成 本低、稳定性高、实时性好等优点，具有良好的应用与发展前景。因此研究并 开发一种嵌入式网络视频监控系统具有重要的实际意义。 本文在研究了当前视频监控系统的基础上，构建了一套基于m p e g - 4 压缩 标准的嵌入式网络视频监控系统。此系统由两部分组成，分别是前端嵌入式网 络视频终端子系统和后端客户端子系统。这两个子系统通过传输网络进行数据 的交互和信息的传递，传输网络可以是i n t e r a c t 或i n t r a n e t 。 文中首先介绍了视频监控的发展历程，然后对嵌入式网络视频监控系统中 的相关技术予以讨论，包括视频和音频的数字化及编码、嵌入式系统技术以及 视频的网络传输技术等。随后研究了嵌入式视频监控系统总体结构，对前端嵌 入式网络视频终端子系统以及后端客户端子系统的硬件及软件总体结构进行了 论述。在此基础上。详细论述了系统硬件的各组成模块，包括基于m c f 5 3 0 r 7 的 主控模块、基于以太网和r s 4 8 5 的通信接口模块、基于s a a 7 1 1 4 h 和c s 5 3 4 0 的音视频采集处理模块及基于1 m e 6 4 0 0 的音视频编码压缩模块。系统的软件主 要分为前端视频终端子系统软件和后端客户端子系统软件。前端视频终端子系 统软件首先介绍系统软件d b u gb o o t l o a d c r 和# c l i n u x 嵌入式操作系统，以此为 基础，研究分析运行在z c l i n u x 上为完成前端视频终端子系统功能的应用软件， 主要包括音视频采集、音视频压缩、音视频发送、云台与镜头控制、用户管理 和系统配置等模块。后端客户端子系统软件主要实现网络音视频流的接收、播 放、保存、回放，以及实现相应的视频监控系统服务器的配置，如云台控制、 对客户端访问的控制以及前端摄像机的功能配置。 最后，在总结全文的基础上，提出了若干有待进一步深入研究和探讨的问 题，并对今后的研究工作提出了一些建议。 关键词：视频监控，嵌入式系统，m p e g - 4 ，g c l i n u x 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e om o n i t o r i n gi sa p p l i e dw i d e l yi ni n d u s t r yp r o d u c t i o na n dd a i l yl i f e a t p r e s e n tn e wa n dd e v e l o p i n gn e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e d t e c h n o l o g yh a v et h ea d v a n t a g e so fs m a l l e rv o l u m e ，l o w e rc o s t ，h i g l l e rs t a b i l i t ya n d b e t t e rr e a lt i m en a t u r et h a nt r a d i t i o n a lv i d e om o n i t o r i n g , a n dh a v ef i n ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p p i n gp r o s p e c t s or e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g ae m b e d d e dn e t w o r kv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e mh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n sae m b e d d e dn e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n m p e g - 4o i lt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gc u r r e n tv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m t h cv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e mi sc o m p o s e do ft w op a r t s o n ei st h ef o r e e n de m b e d d e dn e t w o r k v i d e ot e r m i n a ls u b s y s t e m t h eo t h e ri st h eb a c k e n dc l i e n ts u b s y s t e m n et w o s u b s y s t e m st r a n s m i ti n f o r m a t i o na n de x c h a n g ed a t ab yt r a n s f e rn e t w o r kw h i c hc a nb e i n t e r n e to ri n t r a n e t f i r s t l yt h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ep r o g r e s so ft h ev i d e om o n i t o r i n g n 圮 c o r r e l a t i v et e c h n o l o g i e so ft h ee m b e d d e dn e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e ma r e d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h ed i g i t i z a t i o na n dc o d i n go fa u d i oa n dv i d e o ，t e c h n o l o g yo f e m b e d d e ds y s t e ma n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n t h e nw er e s e a r c ha n dd i s c u s st h eo v e r a l l s t m c t a r eo fe m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o ft l l ef o r e e n da n db a c k e n ds u b s y s t e m s o nt h i sb a s i st h em o d u l e so fh a r d w a r e s y s t e ma r ed e t a i l e dd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h eh o s tc o n t r o lm o d u l eb a s e do n m c f 5 3 0 7 ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c em o d u l eb a s e do ne t h e m e ta n dr s 4 8 5 a u d i oa n d v i d e oc o l l e c t i o nm o d u l eb a s e do ns a a 7 1 1 4 ha n dc s 5 3 4 0 a n d i oa n dv i d e oc o d i n g m o d u l eb a s e do ni m e 6 4 0 0 t h es o f t w a r eo fs y s t e mc a nb ed i v i d e di n t ot w o p a r t s w h i c h a r ef o f e - e n dv i d e ot e r m i n a ls u b s y s t e ms o f t w a r ea n db a c k e n dc l i e n t s u b s y s t e ms o f t w a r e a b o u tf o r e e n dv i d e ot e r m i n a ls u b s y s t e ms o f t w a r et h es y s t e m s o f t w a r ed b u gb o o t l o a d e ra n dg c l i n u xe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma r ef i r s t i n t r o d u c e d o nt h i sb a s i s ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e sa p p l i c a t i o ns o f t w a r ew h i c hi s r u n n i n go ng c l i n u x ，i n c l u d i n ga u d i oa n dv i d e oc o l l e c t i o n ，c o d i n ga n ds e n d i n g m o d u l e ，p a n t i l ta n dc a m e r al e n s c o n t r o l l i n gm o d u l e 。u s e rm a n a g e m e n tm o d u l ea n d s y s t e mc o n f i g u r a t i o nm o d u l e b a c k e n dc l i e n ts u b s y s t e ms o f t w a r ei su s e dt o r e c e i v e ，p l a y , s a v e ，r e p l a yn e t w o r ka u d i oa n dv i d e os t r e a m ，c o n f i g u r es e r v e rs u c ha s p a n 厂n i tc o n t r o l l i n g a c c e s s i n gc o n t r o l l i n ga n dv i d i e o nf u n c t i o nc o n f i g u r a t i o n f i n a l l y ，o nt h eb a s i so fs u m m a r i z a t i o no ft h er e s e a r c hw o r k , s o m ep r o b l e m s w h i c hs h o u l db ed i s c u s s e dd e e p l ya r ep u tf o r w a r da n ds o m es u g g e s t i o n sf o rt h ef u t u r e r e s e a r c h e sa r ea l s og i y e n k e yw o r d s ：v i d e om o n i t o r i n g ，e m b e d d e ds y s t e m ，m p e g - 4 ，z c l i n u x n 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：导师签名：日期 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 视频监控系统的发展历程 当前，随着经济发展水平的提高和科学技术的成熟，宽带接入及通信己经 成为电信领域最有潜力的广阔市场。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、 传输技术的飞速发展，视频监控技术也有长足的发展。网络视频监控系统使用 现有的网络通信系统，实现整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负 载的共享，将是视频监控系统发展的必然趋势。迄今为止视频监控系统的发展 大致经历了三个发展阶段，即从模拟视频监控系统发展到基于p c 的模拟数字 混合型视频监控系统，乃至现在的基于嵌入式技术的网络视频监控系统【1 1 。 1 1 1 模拟视频监控系统 在2 0 世纪9 0 年代初及前溯，主要是以模拟设备为主构成闭路系统，称为 第一代视频监控系统，即模拟视频监控系统。简单的监控系统由一架摄像机和 一台监视器组成，中间用传输线连接，不需要特殊处理，仅适用于近距离单点 监控，应用受到很大限制。由于计算机、网络以及视频数字化处理技术方面的 不足，初期的视频监控方案中的视频、音频信号的采集、传输、存储均为模拟 形式，没有实现数字化，更不能通过网络来交换数据。模拟视频监控系统具有 良好的实时性和图像质量，但是系统的灵活性差，缺陷比较明显，表现为以下 几点： ( 1 ) 通常只适合于小范围的区域监控。模拟视频信号的传输工具主要是同轴电 缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1 k m ，双绞线的距离更短，这 就决定了模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所。 ( 2 ) 系统的扩展能力差。对于己经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是 牵一发而动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中。 ( 3 ) 无法形成有效的报警联动。在模拟监控系统中，i hj 。备部分独立运作，相 互之f h j 的控制挑议很难互通，联动只能在有限的范阔内进行。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 成本较高。每个监控中心都需要配置一套监控设备且信息的存储是利用录 像带、磁带等设备，这些存储设备成本较高。 由于存在以上的缺点，传统的模拟视频监控系统已远远不能满足越来越高 的生产和管理监控的需求。 1 1 2 基于p c 的模拟数字混合型视频监控系统 9 0 年代中后期，计算机网络开始普及并得到迅速发展，视频技术的发展也 日新月异，这些技术的发展特别是视频压缩技术的出现和发展，使数字视频的 存储和传输成为可能。计算机技术的日益成熟，微机的普及也为基于p c 的模拟 ，数字混合型视频监控创造了条件。 基于p c 的视频监控系统先将麦克风和摄像头采集的模拟音视频信号通过电 缆传输到监控终端的主机上，利用专用压缩卡将其转换为数字信号并对数字信 号进行压缩编码，然后通过网络传输到远程的显示主机，显示主机利用专用的 解压卡对数据进行解压后，就能够重现远端的图像和声音了。 数字信号的可靠性较高，且数字化的视频流可以通过各种方式被连接到网 络的计算机共享。与模拟视频监控相比基于p c 的模拟数字混合型视频监控系 统具有传输距离远、图像质量好、数据的保存成本低等特点。而且监控人员无 须在现场就可以对监控现场进行实时监控，大大提高了监控工作的效率和灵活 性。因此基于p c 的模拟数字混合型视频监控系统自出现以来得到了广泛的应 用，占据了监控系统的主要市场。 随着微处理器和微机的功能、性能的增强和提高以及多媒体技术的应用， 模拟数字混合视频监控系统在功能、性能、可靠性、结构方式等方面都发生了 很大的变化，视频监控系统的构成更加方便灵活，与其它技术系统的接口趋于 规范，人机交互界面更为友好。但由于模拟数字混合视频监控系统中信息流的 形态没有变，仍为模拟的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、单向、 集总方式的信息采集网络，要求介质专用，同时，这种监控系统通常只适合于 小范围的区域监控，系统的扩展能力较差，无法形成有效的报警联动。因此， 要满足更高的要求，数字化是必由之路。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 基于嵌入式技术的网络视频监控系统 目前基于p c 的视频监控系统仍然占据监控系统的主要市场，但是它具有结 构复杂，价格高昂、操作繁琐等缺陷。近两年随着监控系统被越来越多的应用 于各个领域，对监控系统的要求也越来越高，操作简单、实时可靠、多功能、 数字化、经济实用的数字视频监控系统的开发和设计正越来越多的受到人们关 注，因此基于嵌入式技术的网络视频监控系统应运而生1 2 j 。 基于嵌入式技术的视频监控系统主要的原理是：在监控现场采用嵌入式技 术，对摄像机传送来的视频信号进行数字转换后，使用高效的编码芯片( 或软件 压缩算法1 进行视频压缩，然后通过嵌入式处理器把视频流发送到网络上，网络 上的用户可以直接使用监控终端软件收看监控现场的视频，授权用户还可以控 制摄像机云台镜头的动作或对系统进行配置。 在监控现场利用嵌入式技术，采用编码芯片( 或软件压缩算法) 和嵌入式操作 系统，有效的提高了系统的实时性和稳定性，而且把视频压缩和网络传输功能 集成到一个体积很小的设备内，可以直接接入到以太网和i n t e r n e t ，达到即插即 用，省掉了各种复杂的电缆，安装方便，无需专人值守。在监控终端，远程监 控人员只需拥有一台安装了监控终端软件的p c 机，无需安装特殊的硬件设备， 就可以在任何地方对监控现场进行实时远程监控。这样就大大降低了系统的成 本，极大的方便了整个监控系统的操作和维护。 1 2 嵌入式系统及其发展现状 1 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 有多种定义方法，这些定义方法或从嵌入式 系统的应用或从嵌入式系统的组成或从计算机的分类来定义。一般的，嵌入式 系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减、适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入 式系统以其体积小、实时性高、稳定十生受、支持以太网等优点，成为工业控制 预域的热点p j 。 简言之，嵌入式系统就是硬件和软什的集合体。硬件包括嵌入式微处理器 武汉理t 大学硕士学位论文 微控制器数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 、存储：器r ( r o m r a m f l a s h 等) 及外设器件、输入输m ( t o ) 端1 = 1 、图形控制器等，有时还包括一些机械部件， 如机电一体化装置、微机电系统等。软件部分包括操作系统软件( 嵌入式操作系 统) 和嵌入式应用软件。应用软件控制系统的运作和行为，嵌入式操作系统进行 系统多任务调度，管理分配系统资源，提供应用程序接口及控制应用软件与硬 件的交互作用等，应用领域不同，应用软件千差万别。 嵌入式系统以应用为中心，以半导体技术、控制技术、计算机技术和通讯 技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，硬件与软件可剪裁，以满足系 统对功能、性能、成本、体积和功耗等的要求。 1 2 2 嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史了，嵌入式技术也历经了几个 发展阶段。进入9 0 年代后，以计算机为核心的数字化技术取得了迅猛发展，不 仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱 乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。多媒体技术与 互联网技术的应用迅速普及，消费电子( c o n s u m p t i v ee l e c t r o n ) 、计算机 ( c o m p u t e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) - - 体化趋势日趋明显，嵌入式技术成为研究的 热点【”。 综观嵌入式技术的发展，大致经历了以下4 个阶段： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、 伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业 控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控 制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相 对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式 系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是己经远远 不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等 领域的需求。 第二阶段足以嵌入式c p u 为基础、以简尊操作系统为核心的嵌入式系统。 这。阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较差；系统斤销小，效 率一；6 ：操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件比较专业，用户界面不 4 武汉理工大学硕士学位论文 够友好；操作系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要 特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操 作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录 管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大 量的应用程序接n ( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e r n c t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r a c t 之外，但随着i n t e r a c t 的发展以 及i n t e r a c t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与 i n t e r a c t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 1 3 视频监控系统的发展趋势 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化、管理智能化很好地 对近几年视频监控系统的研究发展进行了总结，同时也是视频监控系统公认的 研究发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所 以，目前视频监控研究发展的最大特点就是数字化、网络化和智能化1 5 1 。 ( 1 ) 数字化 视频监控系统的数字化首先是系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模 拟状态转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术 为中心”的结构，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系 统控制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使 视频监控系统与其它系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和 控制，这也是系统集成化的含义。 ( 2 ) 网络化 视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过 渡，集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多 用户、分布式操作系统实现抢先任务调度算法的快速响应，组成集散式监控系 统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通 用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面 友好以及系统安装，调试和维修简单，系统运行互为热备份，容错可靠等优点。 5 武汉理工大学硕士学位论文 系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界 限。系统网络化将使整个网络系统实现硬件和软件资源的共享以及任务和负载 的共享。 ( 3 ) 智能化 智能化可以使用户方便地实现视频切换、镜头云台控制、报警输入等操作， 进而达到对事件的分析、统计、处理智能化，实现视频监控的智能化管理。 1 4 本文内容与结构安排 本文首先介绍视频监控的发展历程和嵌入式网络视频监控系统中的相关技 术，随后对嵌入式视频监控系统总体结构进行研究分析，并对前端嵌入式网络 视频终端子系统以及后端客户端子系统的硬件及软件结构进行论述。论文的主 要内容包括： 介绍视频监控系统和嵌入式系统的发展状况，并论述嵌入式视频监控系统 中涉及到的相关技术。 i i , 研究并设计嵌入式视频监控系统硬件平台，包括基于m c f 5 3 0 7 的主控模 块、基于以太网和r s 4 8 5 的通信接口模块、基于s a a 7 1 1 4 h 和c s 5 3 4 0 音视频 采集处理模块和基于i m e 6 4 0 0 的音视频编码压缩模块。 研究分析前端视频终端子系统软件结构，介绍系统软件d b u gb o o t l o a d e r 和g c l i n u x 嵌入式操作系统，并在此基础上研究分析运行在g o i n u x 上为完成前 端视频终端子系统功能的应用软件，主要有音视频采集、音视频压缩、音视频 发送、云台与镜头控制、用户管理和系统配置等模块。 研究分析后端客户端子系统软件功能，其主要实现网络视频、音频流的接 收、播放、保存、回放，以及实现相应的视频监控系统服务器的配置，如云台 控制、对客户端访问的控制以及前端摄像机的功能配置。 全文共分六章，各章节安排如下： 第1 章为绪论，介绍视频监控系统和嵌入式系统的发展历程和发展状况， 说明本文的主要研究内容。 第2 章介绍嵌入式况频监控系统 一的十 天技术，包括视频及音频的数字化 及编码、嵌入式系统技术以及视频的网络f 输技术等。 第3 章介绍嵌入式视频监控系统总体分析与设计，对前端嵌入式网络视频 武汉理工大学硕士学位论文 终端子系统以及后端客户端子系统的硬件及软件总体结构进行说明。 第4 章介绍系统硬件的各组成模块，包括基于m c f 5 3 0 7 的主控模块、通信 接口模块、音视频采集处理模块和音视频编码压缩模块等。 第5 章介绍系统的软件结构，包括前端视频终端子系统软件和后端客户端 子系统软件。 第6 章为总结与展望，在总结全文的基础上，提出若干有待进一步深入研 究和探讨的问题，并对今后的研究工作提出一些建议。 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章嵌入式网络视频监控系统中的相关技术 2 1 视频和音频的数字化及编码 自2 0 世纪5 0 年代电视技术普及以来，电视一直是视频和声音的主流载体。 受限于当时的技术水平，电视技术一直沿着模拟信号处理的方向发展着。传统 的视频和音频数据的传播和存储，都是以模拟的方式进行的。 随着数字化对代的到来和计算机技术的兴起，数字信号的处理、传输、存 储技术变得越来越成熟，数字技术在各个方面的巨大优势促使人们将文字、图 形、图像、声音、动画和电视转换成数字信号，在计算机系统之上进行浏览、 传输和存储，最终形成所谓的多媒体技术和多媒体计算机系统【6 1 。 作为多媒体核心的视频和音频，尤其是视频的数字化及其传输、存储，一 直是多媒体技术中的难点。为了实现高质量的数字化视频和音频，人们做了大 量的努力和探索，采用各种复杂的方法和技术，制定了一系列的国际标准。 嵌入式网络视频监控系统就是基于这些国际标准，利用嵌入式技术，实现 视频和音频的数字化与网络传输。 2 1 1 视频的数字化 数字视频是由模拟视频信号，即模拟电视信号数字化得来。因此先介绍一 下模拟电视信号1 7 1 。 ( 1 ) 模拟视频 电视信号的模拟视频可用不同的方式来实现。实现电视的一种特定方式， 称为电视的一种制式。在黑白电视和彩色电视发展过程中，分别出现过许多种 不同的制式。目前世界上彩色广播电视制式最主要的有三种：n t s c 制、p a l 制 和s e c a m 制。 n t s c 制、p a l 制和s e c a m 制都是兼容制制式。这里说的“兼容”有两层意 思：一是指黑白电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像，称为兼容性： 另一层意思是彩色 u m i 【能接收黑白电视广播，显示的也是黑自图像这叫逆 兼容性。为了既能宾观糟徉性而又要有彩色特性，因此彩色电视系绕f 二q 南足下 列几方面的要求：必；苦_ 彳乏用与黑白电视相同的一些基本参数，如 l 拙厅式、 8 武汉理工大学硕士学位论文 扫描行频、场频、帧频、同步信号、图像载频、伴音载频等等。需要将摄像 机输出的三基色信号转换成一个亮度信号及代表色度的两个色差信号，并将它 们组合成一个彩色全电视信号进行传送。在接收端，彩色电视机将彩色全电视 信号重新转换成三个基色信号，在显像管上重现发送端的彩色图像。这三种电 视制式的两个色差信号对副载波采用不同的调制方式。 不同的电视制式有不同的扫描特性，电视的扫描有直线扫描，圆扫描和螺 旋扫描等几种，其中直线扫描又分为隔行扫描( i n t e r l a c e ds c a n n i n g ) 和非隔行扫描 之分，非隔行扫描也称逐行扫描。上述3 种电视制式都使用隔行扫描。计算机 显示图像时一般都采用非隔行扫描。 考虑到与黑白电视的兼容性，在彩色电视信号中，必须传递一个亮度信号。 除了亮度信号外，还必须选择另外两个信号来代表彩色的色度信息。因此在彩 色电视中，用y ，c 1 ，c 2 彩色表示法分剐表示亮度信号和两个色差信号，c 1 ， c 2 的含义与具体的应用有关。在n t s c 彩色电视制中，c 1 ，c 2 分别表示i ，q 两个色差信号；在p a l 彩色电视制中，c 1 ，c 2 分别表示u 、v 两个色差信号。 用亮度信号和色差信号代替三基色信号作为彩色传送信号，实现了亮度和色度 的分离，有利于恒定亮度原理的实现，这对兼容是有利的，但是亮度信号和两 个色差信号带宽之和是黑白电视信号带宽的3 倍。为了兼容，必须对由它们组 成的彩色电视信号的频带进行压缩。 采用恒亮输出方式和高频混合措施后，彩色电视信号带宽等于8 6 m h z ( y 为 6 m h z ，饵一y ) 暑q l ( r - - y ) 各为1 3 m h z ) ，它还是大于黑白电视信号的带宽，还需 要进行频带压缩。根据黑白电视原理，黑白电视的亮度信号虽然占据了6 m h z 的带宽，但它并没有占满。其能量只集中在行频及其谐波附近一段较小的范围 内。基于这一事实，人们将色差信号用一个副载波进行调制，把色差信号的频 谱搬到视频高端，精确选定副载波的频率，使己调色度信号的频谱，正好插入 亮度信号的频谱空隙处，以形成频谱交错。通过高频混合原理和频谱交错两项 措施，将彩色电视信号的频带压缩到与黑白电视信号的带宽相同( 如6 m h z ) 。 在彩色电视中使用y ，c 1 ，c 2 有两个重要优点：y 和c 1 ，c 2 是独立的， 因此彩色电视和黑白电视可以同时使用，y 分量可由黑白电视接收机直接使用而 不需做任何进一步的处理，町以利f h 人的说觉特性来节省信号的带宽和功率， 通过选择合适的颜色模型，可以使c i ，c 2 的带宽明显低于y 的带宽，而又不 明显影响重显彩色图像的观看。 9 武汉理工大学硕士学位论文 现今广泛使用的彩色电视信号有复合电视信号、色差分量信号和s - v i d e o 信 号。 ( 2 ) 视频的数字化及其国际标准 为了将视频技术应用到计算机系统中，必须将模拟的视频信号转换成数字 信号。针对视频的数字化，人们制定了一系列的标准【8 1 。 将模拟信号数字化的第一步就是对模拟信号进行采样，并规定了一些采样 格式。对彩色电视图像的采样可以采用两种方法。一种是使用相同的采样频率 对图像的亮度信号和色差信号进行采样；另一种是对亮度信号和色差信号分别 采用不同的采样频率进行采样。如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号 使用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样( s u b s a m p l i n g ) 。 目前广泛使用的采样格式有如下4 种：4 ：4 ：4y c b c r 格式4 ：2 ：2y c b c r 格式4 ：1 ：1y c b c r 格式4 ：2 ：oy c b c r 格式。 为了在p a l 制式，n t s c 制式和s e c a m 制式之间确定共同的数字化参数， 国际无线电咨询委员会( c c i r ) 铜j 定了演播室质量的数字电视编码标准，称为 i t u rb t 6 0 1 建议，在美国称为d 1 标准。r r u rb t 6 0 1 用于对隔行扫描电视 图像进行数字化，对n t s c 和p a l 制彩色电视的采样频率和有效显示分辨率， 以及r g b 和y c b c r 两个彩色空间之间的转换关系等都作了规定。其主要特性如 下： 卜彩色空间转换 i t u rb t 6 0 1 建议采用亮度信号y 和色差信号c b ( u ) 、c r ( v ) 三个分量表示 彩色图像。其所在的彩色空间与r g b 彩色空间在数字域的转换关系如下： y= 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 g4 - 0 1 1 4 b ( 2 1 ) c r = m 5 0 0 r - 0 4 1 8 7 g 一0 0 8 1 3 b ) + 1 2 8 ( 2 - 2 ) c b = ( - o 1 6 8 7 r 一0 3 3 1 3 g + 0 5 0 0 b ) + 1 2 8 ( 2 3 ) 采样频率与采样格式 为了保证信号的同步，采样频率必须是电视信号行频的倍数。c c i r 为 n t s c 、p a l 和s e c a m 制式制定的共同的电视图像采样标准：i s = 1 3 5 m h z ， 返个累样频率正好是p a l 、s e c a m 制行频的8 6 4f 矗，n t s c 制行频的8 5 8 倍， j 。以f 宋i i ：采样时采样时t 中与行同步信号同步。 i t u rb t 6 0 1 建议采用y u v - 4 ：2 ：2 的采样 彳 ，甜n 比采样格式，亮度信 j 川f s 频率采样，两个色差信号分别用f s 2 = 6 7 5 m h z 的频率采样。采样时， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 采样时钟需要与行同步信号同步。 有效显示分辨率 根据采样频率，可算出对于p a l 和s e c a m 制式，每一扫描行采样8 6 4 个 样本点；对于n t s c 制则是8 5 8 个样本点。由于电视信号中每一行都包括一定 的同步信号和回扫信号，故有效的图像信号样本点并没有那么多，u rb t 6 0 1 规定对所有的制式，其每一行的有效样本点数为7 2 0 点。不同的制式其每帧的 有效行数不同，p a l 和s e c a m 制为5 7 6 行，n t s c 制为4 8 4 行。 数据量 n u rb t 6 0 1 规定，每个样本点都按8 位数字化，也即有2 5 6 个等级。但 实际上亮度信号占2 2 0 级，色度信号占2 2 5 级，其它位作同步、编码等控制用。 如果按f s 的采样率、4 ：2 ：2 的格式采样，则数字视频的数据量为： 1 3 5 ( m h z ) x 8 ( b i 0 + 2 x 6 7 5 ( m h z ) x 8 r b i t ) = 2 1 6 m b p s 其中，有效图像的数据率为1 6 5 9 m b p s 。 ( 3 ) 数字视频的压缩标准 从上面对玎u rb t 6 0 1 建议的数据率分析可以看出，即使只存储有效图像 的数据，按照1 6 5 9 m b p s 的速度率，一张7 0 0 m b 的光盘只能存储大约3 4 秒钟 的数字视频图像。这种数据传输速率和数据量的大小，对于现今的计算机和网 络系统来说是无法承受的。因此，数字化的视频必须经过压缩才有可能实现实 际应用。数字视频的压缩是数字视频应用中的关键问题，人们在此之上展开了 广泛的研究，出现了多种视频压缩编码方法，目前视频应用中使用最广泛的编 解码标准有国际电信联盟0 t u ) 的h 2 6 1 h 2 6 3 h 2 6 4 ，运动静止图像专家组的 m j p e g 和国际标准化组织运动图像专家组的m p e g 系列标准 9 j 。下面仅介绍本 系统所采用的数字视频压缩标准m p e g - 4 及m p e g 系列标准。 m p e g 是活动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p o r t sg r o u p ) 英文的缩写，于 1 9 8 8 年成立，是为数字视音频制定压缩标准的专家组，目i 已拥有3 0 0 多名成 员，包括i b m 、s u n 、b b c 、n e c 、i n t e l 、a t & t 等世界知名公司。m p e g 组 织最仞得到的授权是制定用于“活动图像”编码的各种标准，随后扩充为“及 其伴随的音频”和组合编码。后来针对不同的应用需求，解除了“用j j 数字存 储媒体”的限制，成为脱 制定“活动图像和音频编码”杯准的组彬：m p e g 组织制定的各个f ，j 、“ ：筒；f j 小| j _ | 的目标和应用。目前己提出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 等标准。 武汉理工大学硕十学位论文 m p e g 1 标准及其应用 m p e g 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。该标准包括五个部分：第一部分说明了如何 根据第二部分( 视频) 以及第三部分( 音频) 的规定，对音频和视频进行复合编码。 第四部分说明了检验解码器或编码器的输出比特流符合前三部分规定的过程。 第五部分是一个用完整的c 语言实现的编码和解码器。m p e g 1 标准从颁布的 那一刻起，取得一连串的成功，如v c d 和m p 3 的大量使用，w i n d o w s 9 5 以后 的版本都带有一个m p e g 一1 软件解码器，可携式m p e g 1 摄像机等。 m p e g 2 标准及其应用 m p e g 组织于1 9 9 4 年推出m p e g 2 压缩标准，以实现视音频服务与应用互 操作的可能性。m p e g 2 标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下 的压缩方案和系统层的详细规定，编码码率从3 m b p s 1 0 m b p s ，标准的正式规 范在i s o i e c l 3 8 1 8 中。m p e g 2 不是m p e g 1 的简单升级，m p e g 2 在系统和 传送方面作了更加详细的规定和迸一步的完善。m p e g 2 特别适用于广播级的数 字电视的编码和传送，被认定为s d t v 和h d t v 的编码标准。m p e g 2 还专门 规定了多路节目的复用方式。m p e g 2 标准目前分为9 个部分，统称为 i s o i e c l 3 8 1 8 国际标准。 m p e g 2 主要用于数字存储媒体、高清晰度电视和数字视频广播等领域。 m p e g 2 解决了m p e g 1 不能满足的月益增长的多媒体应用对分辨率和传输率 的要求，支持固定比特率传送、可变比特率传送、随机访问、分级编码、比特 流编辑等功能。m p e g 2 能够提供广播级的视频质量和c d 级的音频质量。 m p e g - 4 标准及其应用 运动图像专家组m p e g 于1 9 9 9 年2 月正式公布了m p e g 4 ( i s o i e c l 4 4 9 6 ) 标准第一版本。同年年底m p e g 4 第二版也完成，且于2 0 0 0 年年仞正式成为国 际标准。m p e g 4 与m p e g 1 和m p e g 2 有很大的不同。m p e g 一4 不只是具体压 缩算法，它是针对数字电视、交互式绘图应用( 影音合成内容) 、交互式多媒体 ( w w w 、资料撷取与分散) 等整合及压缩技术的需求而制定的国际标准。m p e g 4 标准将众多的多媒体应用集成于个完整的框架内，旨在为多媒体通信及应用 环境提供标准的算法及工具，从i 町建苞起种能破多媒体传输、存储、检索等 应用领域普遍采用的统一数扼格式。 m p e g 一4 的编码理念是：m p e g 4f ，j ：准州以前标准的最显著的差别在f 它是 武汉理工大学硕士学位论文 采用基于对象的编码理念，即在编码时将一幅景物分成若干在时间和空间上相 互联系的视频音频对象，分别编码后，再经过复用传输到接收端，然后再对不 同的对象分别解码，从而组合成所需要的视频和音频。这样既方便对不同的对 象采用不同的编码方法和表示方法，又有利于不同数据类型间的融合，并且这 样也可以方便的实现对于各种对象的操作及编辑。例如，可以将一个卡通人物 放在真实的场景中，或者将真人置于一个虚拟的演播室里，还可以在互联网上 方便的实现交互，根据自己的需要有选择的组合各种视频音频以及图形文本对 象。 m p e g - 4 系统的一般框架是：对自然或合成的视听内容的表示；对视听内容 数据流的管理，如多点、同步、缓冲管理等；对灵活性的支持和对系统不同部 分的配置。 与m p e g 1 、m p e g 2 相比，m p e g 4 具有如下独特的优点：基于内容 的交互性；高效的压缩性；通用的访问性。 这些特点无疑会加速多媒体应用的发展，m p e g 4 主要应用有：因特网音 视频广播；无线通信；静止图像压缩；电视电话；计算机图形、动画 与仿真；电子游戏等。 m p e g 7 标准及其应用 m p e g 7 标准被称为“多媒体内容描述接口”，为各类多媒体信息提供一种 标准化的描述，这种描述将与内容本身有关，允许快速有效的查询用户感兴趣 的资料。它将扩展现有内容识别专用解决方案的有限的能力，特别是它还包括 了更多的数据类型。换而占之，m p e g 7 规定一个用于描述各种不同类型多媒体 信息的描述符的标准集合。该标准于1 9 9 8 年1 0 月