（电路与系统专业论文）无线视频监控中的帧率控制设计与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 基于无线网络的视频监控是视频监控系统的最新发展方向，它能够将摄像头 采集到的视频通过服务器发布到无线网络上，从而能够使其他人员通过一台连接 到无线网络的电脑或手持终端进行观看，从而对监控现场进行监管和控制。无线视 频监控相比传统有线视频监控而言，具有灵活机动，成本低廉，组网及维护简单等 多种优点，因此其将成为未来发展趋势。所以如何有效对无线视频监控进行完善， 则是讨论的重点和热点。 文章介绍了w i m a x 协议的历史及优势以及其实际应用，并对其物理层和 m a c 层进行了描述。文章同样介绍了h 2 6 4 的编码原理与主要特点，以及基于 h 2 6 4 编解码压缩标准的视频实现与应用，介绍了几种常见的h 2 6 4 编解码器的 解决方案。文章之后还介绍了视频监控的原理，特点及应用。然后，文章重点介 绍了无线视频采集传输方案，论述了无线环境下的视频传输问题，包括视频丢帧问 题，视频播放过快问题，视频停顿或黑屏问题，并给出了分析与解释。因此，如 何通过某种机制改善这些问题是文章讨论的重点。 文章针对无线网络的不稳定性，提出了一种通过对视频帧率进行控制，从而 改善视频流畅度的方法。首先文章将该机制中的所有相关参数作了简单介绍，包 括视频缓存，当前视频帧数，网络状态参数，视频加速门限，视频减速门限，延 时帧数，视频帧率，视频基准帧率以及视频帧率变化量。然后文章详细论述了帧 率控制机制的原理，并对细节部分进行了讨论，包括帧率变化量问题，缓存中无 视频帧问题，网络状态问题和网络中断时间较长问题。 文章最后通过基于w i m a x 网络的视频监控应用，对该机制的实际效果进行 测试。首先介绍了相关的硬件环境与软件环境，然后描述了测试过程，并最终给 出了三种不同的测试结果。在网络状态分别为好，中，差时，通过软件自动记录 的日志文件，以及相关的数据统计表明，帧率控制机制有效的改善了视频流畅度， 减少了网络不稳定对视频的影响，证明了该方法的可行性与正确性。 关键词：无线网络w i m a xh 2 6 4 视频监控帧率控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i d e os u r v e i l l a n c eb a s e do nw i r e l e s sn e t w o r ki st h el a t e s td e v e l o p m e n td i r e c t i o no f v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m a f t e rv i d e oi n f o r m a t i o n f r o mr e c o r d e db yt h ec a m e r ai s i s s u e dt ow i r e l e s sn e t w o r k ，w i r e l e s sv i d e os y s t e mc a nm a k ep e o p l ew h os t a yf a ra w a y f r o mt h es c e n ew a t c ha n dc o n t r o lt h es c e n e 谢maw i r e l e s so n l i n ep e r s o n a lc o m p u t e ro r m o b i l ei n t e r n e td e v i c e c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lw i r e dv i d e os u r v e i l l a n c e ，w i r e l e s sv i d e o s u r v e i l l a n c ei sm o r ef l e x i b l ea n dm o t o r i z e d ，a n dl o w e rc o s t , m o r es i m p l en e t w o r ka n d e a s i e rm a i n t e n a n c e t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v ew i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es h o u l db ea f o c a la n dh o tp o i n tt ob ed i s c u s s e d t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h eh i s t o r y , a d v a n t a g ea n da c t u a la p p l i c a t i o no fw i m a x s t a n d a r d ，a n dp r e s e n t e dt h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h ep h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e rf o r w i m a xs t a n d a r d s t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e dt h ep r i n c i p l e ，f e a t u r ea n da p p l i c a t i o no f h 2 6 4s t a n d a r d ，a n dam o b i l ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e do nh 2 6 4i sp r e s e n t e di n t h i sp a p e r ab r i e fo v e r v i e wo fh 2 6 4c o d e cs o l u t i o n si sp r e s e n t e d t h i sp a p e r d i s c u s s e dt h ep r i n c i p l e ，f e a t u r ea n da p p l i c a t i o no fv i d e os u r v e i l l a n c e t h e nt h ep r o j e c to f v i d e os u r v e i l l a n c ea n dw i r e l e s st r a n s f e r sw a si n t r o d u c e di nd e t a i l t h i sp a p e r d i s c o u r s e s do nt h ev i d e ot r a n s m i s s i o np r o b l e mo v e rw i r e l e s se n v i r o n m e n t ，i n c l u d i n g v i d e of r a m el o s ss e r i o u s l ya p p e a r a n c e , v i d e os p e e de x c e s s i v ei n c r e a s ea p p e a r a n c ea n d v i d e op a u s eo rb l a n ks c r e e na p p e a r a n c e t h e r e f o r e , h o wt ob u i l dam e c h a n i s mt o i m p r o v et h o s ei s s u e sw i l lb ed i s c u s s e df o c a l l y i nt h i sp a p e r i nd e a l i n gw i t ht h ei n s t a b i l i t yo fw i r e l e s sn e t w o r k ，t h i sp a p e r p r o p o s e sam e t h o d t o i m p r o v et h ev i d e of l u e n c y , u s i n gv i d e of r a m e r a t ec o n t r 0 1 t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e d r e l a t e dp a r a m e t e r so ft h em e t h o d ，i n c l u d i n gv i d e ob u f f e r , p r e s e n tv i d e of r a m en u m b e r , n e t w o r ks t a t u sp a r a m e t e r , v i d e oa c c e l e r a t i o nt h r e s h o l d ，v i d e od e c e l e r a t i o nt h r e s h o l d ， t i m ed e l a yf r a m en u m b e r , v i d e of r a m er a t e ，v i d e os t a n d a r df r a m er a t ea n dv i d e o f r a m e r a t ev a r i a t i o n t h e nt h ep r i n c i p l eo ft h ef r a m e - r a t ec o n t r o lm e t h o di sp r e s e n t e d ，a n dt h i s 2 山东大学硕士学位论文 p a p e ra l s od i s c u s s e dt h ed e t a i lr e l a t e d ，i n c l u d i n gf r a m er a t ev a r i a t i o ni s s u e , n ov i d e o f r a m ei nb u f f e ri s s u e , n e t w o r ks t a t u si s s u ea n dn e t w o r ki n t e r r u p tl o n gt i m ei s s u e t h r o u g ht h ev i d e os u r v d l l a n c ea p p l i c a t i o nb a s e d0 nw i r e l e s sn e t w o r k , t h i sp a p e r t e s t e dt h er e a le f f e c to ft h em e c h a n i s m ，t h e ni n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e e n v i r o n m e n to ft h et e s t i nt h ef o l l o w i n gt h ep a p e rd e s c r i b e dt h et e s tp r o c e d u r ea n d f i n a l l yg i v e do u tt h r e ed i f f e r e n t t e s tr e s u l t s n om a t t e rt h en e t w o r ks t a t u si sg o o d ， m e d i u mo rb a d ，t h r o u g ht h ed e b u gl o gf i l eo ft h et e s ts o f t w a r ea n dt h es t a t i s t i c so ft h e r e l a t e dd a t a , t h ep r a c t i c ep r o v e st h a tt h ef r a m e - r a t ec o n t r o lm e t h o di m p r o v e dt h ev i d e o f l u e n c ya n dd e c r e a s e dt h ei n f l u e n c eo f n e t w o r ki n s t a b i l i t y , a n dt h em e t h o di sf e a s i b l e a n dt r u e k e yw o r d s ： w i r e l e s sn e t w o r kw i m a xh 2 6 4v i d e os u r v e i l l a n c ef r a m e - r a t e c o n t r o l 3 山东大学硕士学位论文 符号说明 w i m a xw o r l di n t c r o p c r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s全球微波互联接入 c b r c 己 m a c t d m a a v c c 玳r r s s i c p e b s l b r v c l n a l f p s 4 c o n - s t a n tb i tr a t e c o m - m i t t e dr a t e m e d i aa c c e s sc o n t r o l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s a d v a n c e dv i d e oc o d i n g c a r t i e rt oi n t e r f e r e n c e + n o i s er a t i o r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n c u s t o m e rp r e m i s ee q u i p m e n t b a s es t a t i o n l o wb i tr a t e v i d e oc o d i n gl a y e r n e t w o r ka b s t r a c t i o nl a y e r 固定带宽 承诺带宽 媒体访问控制 时分复用 高级视频编码 载波与干扰噪声比 接收的信号强度指示 用户端设备 基站 低码率 视频编码层 网络提取层 每秒显示帧数 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名：辟己旎日期： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着无线宽带技术的普及，各种各样基于无线模式的应用成为了科技热点。 如无线视频传输，无线视频会议，无线上网，无线资源共享等等。而其中无线视 频传输则有非常广泛应用前景，原有的有线视频传输模式因为灵活机动性差，只 能在有限范围内进行观看，并且无法摆脱线缆的约束，所以已经逐渐不能满足人 们的需要。而以基于i e e e8 0 2 1 6 标准的w i m a x 技术为代表的，新一代无线宽带技 术在全球范围内的推广，使得通过无线环境进行高质量，高速率视频传输变成了 热点话题【l 】。p r o v i s i o r 通信公司技术总监d a v i db u l l 曾经说过：“不管是专业级的还 是消费类的，现在全世界各种应用都在快速转向无线方案。一 而无线视频传输中，极其热门的应用则是无线视频监控。以往的视频监控系 统大多是基于有线环境的，虽然视频质量好，效果稳定，但是由于摆脱不了有线 的限制，所以仍然在某些特殊应用上无能为力。比如说对于车，船，甚至是直升 机等移动目标，此外还包括有线网络无法覆盖和到达的地点，以及随机地点进行 视频监控的需求，都是传统有线解决方案不能解决的问题。同时传统有线视频监 控的建设成本高，运行费用以及消耗成本也较高，同时监控点撤离时即麻烦又容 易造成浪费。 因此，相比较而言，基于无线技术的视频监控则拥有更加机动，上行端与下 行端均可灵活部署的优势。比如可以采用单点对多点的无线通信模式，只需要在 中心位置安放一个单点无线基站，就能对周边大范围地区的若干个监控点进行信 号覆盖。同时采用无线监控时所需施工时间短，不需要布线等复杂劳动，也不会 对现有环境和建筑设旖进行破坏。而且如果需要增添新的无线监控点，不需要像 传统有线模式那样对网络进行大面积改造，只需要简单的对网络进行调试添加即 可，可扩展性非常强。因此相比之下，无线视频监控比传统有线模式要优秀的多。 然而无线传输却有着无法避免的问题，那就是其网络的不稳定性。无论是目 前已成熟的基于i e e e8 0 2 11 的w i f i 技术，还是新兴的w i m a x 技术，都不可避免的 5 山东大学硕士学位论文 存在此问题。由于网络的不稳定性，会造成数据的不定时丢失，因此对于视频而 言，可能会造成丢帧，甚至停止播放的现象。因此要在无线环境下进行视频监控， 就要针对其网络不稳定性作一系列的调整与优化，争取将网络不稳定性对视频的 影响减小到最低。本文所研究的视频帧率控制，就是为了克服网络不稳定性而设 计的。 1 2 论文安排 本文主要通过对无线视频监控中出现的问题进行陈述，设计出一种帧率控制 机制，从而有效改善视频流畅度，并通过实际环境测试对该机制进行了实践论证， 从测试结果可以看出是正确可行的。 本论文的主要章节内容安排如下： 第一章绪论，简单介绍了本文的研究目的。 第二章介绍了w i m a x 的概念、结构、特点和应用，探讨了流媒体h 2 6 4 与视 频监控的特点与应用，简要介绍了无线视频监控的特性，并阐述了无线视频监控 中存在的问题。 第三章详细介绍了帧率控制机制的参数与设计理念，陈述了基本思路与拓展 研究，并进行了细节分析与设计。 第四章则通过搭建真实的无线测试平台，对帧率控制机制进行实际论证与测 试，并通过多种测试方法与比较，证实了该机制的正确性与实际表现力。 第五章对本文的研究工作进行了总结，指出了存在的不足，并对下一步工作 进行了展望。 6 山东大学硕士学位论文 第二章无线视频监控 所谓基于无线环境的视频监控，主要有三个特征词：一个是无线环境，意味 着与传统的有线环境不同，无线环境则更具有网络不稳定等劣势，也具备灵活性， 机动性等优势。以目前国内成熟的w i f i 技术而言，无线环境已经在各大城市有了 广泛的应用。而作为w i f i 技术的下一代技术，在传输速率和距离上均有大幅度提 高的w i m a x 技术，则更具有广泛的应用前景。本章节将对w i m a x 技术作简单的 介绍；第二个是视频，这个在网络环境中，主要以流媒体为主，具备视频流畅度 高，占用带宽低等优势。本章以目前主流的流媒体视频编码方式h 2 6 4 为例，简明 介绍流媒体视频的特点与优势；最后一个是视频监控，这个在当今社会中，是具 有非同一般的政治与治安意义的。在各大中小城市的企业，政府，银行，学校， 家庭中，视频监控起到了非常重要的安全作用。因此本章也重点介绍了视频监控 的特点与应用情景。 2 1 相关知识介绍 2 1 1 下一代无线网络w i m a x 技术 1 w i 原理 w i m a x 全称为w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c e s ，即全球微波接入 互操作性，是基于i e e e8 0 2 1 6 标准的，针对微波和毫米波频段提出的一种新空中 接口标准。w i m a x 是i e e e 8 0 2 1 6 技术在市场推广方面采用的名称，即w i m a x 是i e e e8 0 2 1 6 d e 技术的别称。 由于i e e e8 0 2 1 6 仅对物理层和m a c 层给出了明确定义和说明，而对于网络 层和端到端解决方案并没有进行论述，因此，w i m a x 论坛成立了n w g ( n e t w o r k g r o u p ) 组织，专门负责对i e e e8 0 2 1 6 协议范围外的上层架构和接口规范进行定义。 其主要目标是对w i m a x 端到端网络架构进行定义，其主要内容包括架构原则、 参考模型和参考点等。标准化工作分为三个阶段：第一阶段是明确功能需求、性 7 山东大学硕士学位论文 能需求以及应用场景；第二阶段是基本完成网络架构、参考模型；第三阶段是重 点对标准、流程、协议的细节进行完善，比如小区选择，动态的q o s 与接纳控制， 端到端的认证与鉴权等。图1 是w i m a x 草案定义的网络参考模型盼1 ，其中c s n 连 接服务网络) 为w i m a x 系统核心网，为w i m a x 用户提供端到端的i p 连接功能； a s n ( 接入服务网络) 为w i m a x 系统接入网，为w i m a x 用户提供无线接入服务功 能口1 。w i m a xn w g 组织还设计了两种网络架构：第一种是基于n g n 的网络构架， w i m a x 可以融合于软交换网络，并实现无缝功能：第二种是基于3 g p pi m s 平台 的网络架构。 c s np c f ： m s s | + 一b s h a s n g w 卜 一c s n h a 卜卜一i n t e r n e t ： m s s 卜一b sh a s ng w i - lc s nh a i c s n 图1w i m a x 网络参考模型 典型的w i m a x 节点的电路框图如图2 所示h 1 。其组成为d 与d a 转换单 元、射频收发单元、包处理单元、微控制器单元、基带处理单元、存储单元、外 设单元等几部分。并且由于i e e e8 0 2 1 6 e 标准还在不断的完善，所以基带处理单 元、包处理单元和微控制器单元一般采用基于处理器方法。由于w i m a x 协议的 复杂性，所以采用多核加协处理器的方式实现数据的收发网。 山东大学硕士学位论文 图2 典型w i m a x 节点框图 2 w i m a x 特点 ( 1 ) o f d m o f d m a 的应用 o f d m o f d m a 技术与以c d m a 技术为支撑的3 g 技术相比较，则具有频谱 效率高，频域资源分配方便，带宽扩展性强的优点，同时也具有抗多径衰落和易 与m i m o 技术联合运用的优点等。 ( 2 ) 以互联网为支撑的技术 w i m a x 是以互联网为支撑的技术，所以互联网可以依托于强大的电信网基础 设施，通过v o l p 实现不受限制的语音通信，这是电信行业的发展之路。而且其峰 值速率达到了下行8 m b s ，上行2 5 6 k b s ，提供了高速的互联网数据连接速度。并 且，基于互联网的应用，可以提供移动电视、游戏、办公等等多种先进的互联网 服务及应用。 ( 3 ) m e s h w i m a x 为无线m e s h 网标准，是一种多跳为无线m e s h 网标准。该标准中定 义了两类结点：移动无线基站和中继站。并定义了三种应用模式：移动平台应用 模式、固定基础设施应用模式、楼内应用模式。而且通过m e s h 方式，可以有效地 增强接入网覆盖问题。同样通过中继站结点，可以消除网络中一些s n r 非常低的 地方。因此这项标准对解决w i m a x8 0 2 1 6 e 系统全覆盖问题起着非常重要的作用。 ( 4 ) 汇集了多种类型的编码技术 9 山东大学硕士学位论文 w i m a x 系统设计中继承了以往移动通信设备研究及有关编码技术的诸多成 果，如块t u r b o 码、a m c 、卷积码、空时码、卷积t u r b o 码以及l d p c 码等。并 且m i m o 还可以与空时编码相结合，从而利用空间和时间上的编码实现一定的空 间分集和时间分集，从而增大系统容量，或降低信道误码率。 ( 5 ) a a s 与m i m o 自适应天线( a a s ) 可以实现系统参数自动调整，获得信噪比( s n r ) 增益，减少 同频干扰问题。a a s 在实现时既可以采用多波束选择的方式，也可以采用自适应 方式。而且自适应天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波 束对准期望信号到达的方向，同时对干扰进行抑制，实现期望信号的最佳接收效 果。而且采用a a s 技术可以提高通信的可靠性、扩大覆盖范围、提高系统容量、 降低运营成本。m i m o 技术利用在基站和终端使用多天线来抑制信道衰落，从而 大幅度地提高了信道的容量、覆盖范围和频谱利用率。根据收发天线的数量，m i m o 还可以包括单输入多输出( s i m o ) 和多输入单输： i ( m i s o ) ，多输入多输出( m i m 0 ) 。 i e e e8 0 2 1 6 协议支持的m i m o 模式分为3 种：分集与复用相结合模式、空间复用 模式和空时发射分集模式。具体介绍请参考相关文献，本文不再论述。 3 w i m a x 相关介绍 w i m a x 论坛于2 0 0 1 年6 月成立，成员单位7 家，至2 0 0 7 年8 月达4 8 6 家。其中芯片与器件供应商8 3 家，系统设备提供商1 1 7 家，运营商1 4 6 家，业务 应用与内容提供商1 2 9 家1 。所以由成员成分可见：w i m a x 论坛包含了整个完整 的产业链，而且各个环节均有相关厂商；同时运营商占了最大的比例；在会员中 有非常强大的内容提供商与业务应用商支持。由以上分析可见，这样庞大即完善 的组合，非常有利于w i m a x 技术的普及与发展，并且对其市场开拓也有着相当 帮助。 美国的c i e a r w i r e 则被称为w i m a x 先驱，该公司是2 0 0 4 年成立的，作为 w i m a x 网络的专营公司，得到了i n t e l 和m o t o r o l a 的大量资金支持，专门用于 1 0 山东大学硕士学位论文 w i m a x 的网络建设。第一个全球移动w i m a x 运营网是由韩国w i b r o 建立的， 同时这也是一个地区性网络，并且明显带有试验网的性质。而美国的s p r i n tn e x t e l 则是w i m a x 技术的最大投入公司。其投资了3 0 亿美元与c i e a r w i r e 共同进行覆 盖全美国的w i m a x 网络。在该网络中，移动w i m a x 能给用户提供平均 2 m b s - 4 m b s 的传输速度。 移动w i m a x 的产品认证分为w a v e l 和w a v e 2 两个阶段两者最主要的差别 是w a v e 2 增加了m i m o 的属性。而w i m a x 系统核心网络侧接口和网络功能的标 准主要由n w g ( 网络工作组) 负责制定，主要包括n w gr 1 0 口1 和n w gr 1 5 两个阶 段的标准。而w a v e 2 又分为两个步骤来实施：p h a s e l 和p h a s e 2 w a v e l 的测试在 2 0 0 7 年已经关闭，由于0 7 年之前商用的移动w i m a x 只存在于韩国市场，因此 w a v e l 阶段则只对韩国应用的p r o f i l e1 a ( 2 3g h z 频段8 7 5m h z 带宽) 的产品进行 了认证测试口1 。而w a v e 2p h a s e l 的认证工作在2 0 0 8 年年初已启动，目前正在进行 中，目标是完成测试m i m o 、p r o f i l e3 a 和r c t p c t h o t 的部分认证。 w i m a x 移动通信系统主要定位于分组数据的业务传输，其峰值数据传输速 率可达到7 5m b i t s ，比3 g 系统要高出很多。但其主要应用为固定、便携或者低 速移动的用户接入，在网络建设初期和中期阶段并不支持高速移动下的无缝漫游 功能。3 g 移动通信系统具有支持快速漫游，以及可以提供全网覆盖的通话业务功 能的优势。如果在组网时将w i m a x 和3 g 两大系统结合起来，w i m a x 重点实 现宽带无线化，满足热点地区的高速数据业务的需求。而3 g 重点实现移动通信 的语音通信高质量和无缝漫游要求，可以实现两大系统的取长补短、优势互补， 从而能节省二者的投资成本，达到共赢的局面，并且能满足用户一卡多用的需求。 因此3 g 和w i m a x 联合组网是可行的，而且是一种很有优势的混合组网体制嘲。 4 w i m a x 实际应用 ( 1 ) 移动互联网服务 不受限制的话音通信、高速互联网服务、移动电视、游戏和博客、移动办公 山东大学硕士学位论文 等。具体还包括无线视频同传，无线视频监控，无线视频会议等应用。 ( 2 ) 服务能力 小区覆盖因天线配置和移动性而异，基站天线高度城区3 0 m ，郊区4 0 m ，乡 村8 0 m 最大覆盖范围在乡村，可达2 5 k m ，最大基站用户数在城区，可达5 0 0 用户。 最大用户数基站( s u b s s i t e ) 数据量：1 5 8 2 g b s i t e m o n t h ，若为2 g b s u b m o n t h ，则最大可承载7 9 1 用户( s u b ) 。分类业务：基站能力比特率为3 1 0 m b s ， 用户数据率1 5 5 1 2k b s ，最大可承载8 7 8 用户。 ( 3 ) 服务成本 由于依托于骨干网，可以节省大量投资的交换与传输设施建设费用。并且 w i m a x 系统的易扩展性可以节省网络扩建的投资，w i m a x 有十倍于3 g 的高频 谱效率。用户的资源分担费用大减，而且由于o f d m 系统的射频功率峰均比得以 改善，所以减轻了射频设计压力。最佳的频谱配置给用户应用的灵活性，从而使 频谱资源的应用更加经济化。 ( 4 ) 组网方案 随着i e e e8 0 2 1 6 w i m a x 标准的进一步发展，其商用的步伐也不断加快，而 且其网络在移动性支持方面大大增强，使其网络规划和组网方案显得日益重要； 但标准只是针对空中无线接口技术，因此，组网方案的问题是网络商用所必须讨 论的热点n 们。由于w i m a x 组网方案非常复杂，所以本文在此不再介绍。 ( 5 ) w i m a x 网络中的q o s 针对w i m a x 实时业务q o s 的研究主要集中在包调度算法和带宽分配算法， 并可以细分为大致五种方法：第一种方法是将u g s 和r t p s 两种服务结合起来， 从减小静默压缩占用的带宽着手，提高系统吞吐量，但没有讨论算法对时延的影 响n 玎1 1 2 1 ；第二种方法是利用高斯模型对语音流进行建模，分析了语音流的上限阻 塞概率n3 | ；第三种方法是提出了动态调整带宽分配，资源充足时，适当提高业务 流的q o s ，使用户达到更好的效果，而在资源紧张时，适当降低业务流的q o s ， 1 2 山东大学硕士学位论文 提高系统带宽利用率，增加业务量n 铂；第四种方法中讨论了队列长度和数据速率 之间的关系，动态调整实时业务的带宽分配大小和速率，提高系统的性能n 司；第 五种方法提到了使用流量预测的方法提高实时业务的时延特性阳，但仅采用前两 次历史记录进行算术平均的方法进行预测，不适用具有长时相关和自相似性的突 发网络实时业务流。 2 1 2 流媒体编码h 2 6 4 1 h 2 6 4 编码原理 首先简单介绍下h 2 6 4 的发展过程：在视频压缩标准的不断演变下，各种压 缩标准都推荐了自己的码率控制算法，如m p e g 2 的t m 5 n 刀，h 2 6 3 的t m n 8 以 及m p e g - 4 的v m 5 。而h 2 6 4 的码率控制算法是m p e g - 2 的t m 5 发展来的，称 为h 2 6 4t m 5 。其由以下四个步骤构成。 第一步是给每一帧分配适当的比特数，并初始化量化参数q p ：第二步是用 r d o ( r a t e d i s t o r t i o no p t i m i z a t i o n ) 模型来选择宏块的编码模式，并进行运动估计；第 三步是根据缓冲器的状态，和实际的编码比特数更新q p ：第四步是用r d o 模型 选择新的运动矢量和宏块的编码模式。尽管h 2 6 4t m 5 有较好的码率控制性能， 但是在不同的应用环境和条件下也暴露了它的弱点。由于不同宏块的q p 可能不同 而导致同一帧图像内部图像质量不同，因此在场景发生剧烈变化时，还可能导致 跳帧现象，在跳帧时会引起编码图像的不连续，使信噪比大幅度下降。 在视频通信中，待传输的原始视频信息首先要进行图像压缩，以使总数据量 降低到信道可以承受的范围。作为这种有损压缩的重要组成部分，码率控制的目 标是在满足信道带宽约束的前提下取得更好的图像。j v t - g 0 1 2 是当前最新视频压 缩标准h 2 6 4 所使用的码率控制算法n 引。该算法在实际码率、压缩后图像质量和 编码器缓冲区占用度之间取得了良好的平衡，但其中也存在一些有待改进的地方： 首先，j v t - g 0 1 2 算法的帧层目标比特分配没有考虑到各帧之间的复杂度区别；其 次，当可用信道带宽比较匮乏，且待编码视频序列编码复杂度较高时，j v t - g 0 1 2 1 3 山东大学硕士学位论文 算法控制下的码率常常超出了信道所能承受的范围。 视频流传输已经成为“尽力而为”的因特网和无线网络的基本应用，这两种 网络的传输条件稳定性能较差。因此为了满足视频流切换的要求，h 2 6 4 提出了 s p s i 帧技术，即交换的p i 帧，从而解决了视频流应用中，终端用户可用带宽不 断变化，不同内容节目拼接时数据量的激增，快迸快退以及错误恢复等问题n 们。 2 h 2 6 4 算法介绍 针对j v t - g 0 1 2 算法的不足，人们提出了多种基于相对复杂度的改进算法。这 些算法可以分成两类，一类是基于m a d 嘲( m e a na b s o l u t ed i f f e r e n c e ) 的，另一类 是基于图像原始灰度信息的船。首先可以根据m a dr a t i o 为各帧分配一个加权后比 特，然后通过一个二阶率失真模型，计算出量化参数( q p ) 乜副，最后根据相对复杂 度对q p 或目标比特进行调整。 在h 2 6 4 算法部分中，要考虑的因素有算法压缩后视频码流的大小，算法移 植和优化的难度，d s p 的运算能力等瞳3 1 。一般来说，算法移植和优化可以按下的 步骤进行：第一步是在p c 机上进行算法的验证和评估，优化程序的流设计和数据 结构设计；第二步是进行代码级优化，利用内联函数，编译选项等基本的优化方 法对算法进行进基本的优化，并从c 代码中抽出对性能影响很大的代码，用线形 代码改写这些代码段，利用汇编优化器优化；最后一步则是优化内存的访问效率。 h 2 6 4 标准只定义了解码规范，因而允许采用各种优化算法降低编码复杂度、 提高压缩效率以及增强系统容错性乜们。并且，为能更精确描述视频序列中的运动 信息，h 2 6 4 采用了多模式运动估计。总之，基于应用的h 2 6 4 编解码器的设计 必须满足应用环境对编码效率、实时性、容错性等方面的要求嘲。 目前d s p 是实现h 2 6 4 视频编解码的主流。d s p 芯片采用多总线多功能单 元的哈佛结构，加上带有强烈针对性的指令集设计，实际的处理能力非常高防。 但是由于h 2 6 4 算法的复杂性，需要更快的d s p ，这样将会导致价格提高和功耗 增大。对于h 2 6 4 便携式实时编解码器来说，d s p 架构往往不能同时满足编解码 1 4 山东大学硕士学位论文 速度和功耗这两方面的要求。另外，对于h 2 6 4 编解码软件，虽然有开源的编解 码器可以参考，但代码的修改、移植过程仍然相当复杂。 3 h 2 6 4 的特点 ( 1 ) 小尺寸，多模式帧内预测嘲 与以往的视频标准不同，h 2 6 4 引入帧内预测的概念。帧内编码时利用被预 测块的左或上边已经编码块的邻近像素点，将实际块与预测块的残差进行编码， 减少了空间相关性，提高了编码的压缩效率。并且为了对视频图像中运动物体精 确划分，像素块的尺寸由8 8 像素减小为4 4 像素。对缓慢变化的亮度图像采用 1 6x 1 6 的宏块预测模式，对复杂或者运动剧烈的亮度图像则采用4 x 4 的小尺寸宏 块预测模式，对彩色图像采用8 8 的预测模式。而每一种预测模式又提供多重方 向的空间预测方法，即9 种4x 4 亮度块，4 种1 6 x 1 6 亮度块，以及4 种8 8 色度 宏块，共1 7 种帧内空间预测方法。而预测模式的选择，则以绝对误差和为标准。 多尺寸、多方向的预测，提高了帧内编码的空域压缩率。 ( 2 ) 高精度、多尺寸、多参考帧的帧间预测汹1 与以往的视频标准一样，h 2 6 4 帧间预测仍采用基于块的运动补偿的预测模 式，区别在于块尺寸范围更广，亚像素运动矢量的使用及多参考帧的运用等。h 2 6 4 采用7 种树型宏块结构作为帧问预测的基本单元，即将过去的1 6 x 1 6 模式分割为 1 6 x 1 6 、1 6 x 8 、8 x 1 6 、8 x 8 宏块，再分割为8 x 8 、8 x 4 、4 x 8 以及4 x 4 子宏块。与以 往视频标准以单一宏块尺寸作为基本单元，来描述所覆盖的全部运动细节不同， 在多种不同尺寸和形状宏块的预测模式下，一个宏块可以用多达1 6 个矩形的运动 矢量来描述图像的运动细节，更利于贴近实际实现最佳的块匹配，提高了运动补 偿的精度。m p e g 4 标准中运动矢量的估值精度，从整像素、半像素精度提高到 1 4 像素，搜索区内块匹配误差仍然较大，影响时域内的压缩率。h 2 6 4 的运动估 计更能支持色度分量的1 8 像素精度，并定义了相应更小分像素的插值算法，如利 用6 系数f i r 滤波器产生1 2 像素等。帧间运动矢量估计精度的提高，使得搜索到 1 5 山东大学硕士学位论文 的最佳匹配点更接近原图像，减少了运动估计的残差，提高了压缩率。与单参考 帧预测不同，h 2 6 4 支持多参考帧编码，在已编码的多个参考帧中进行运动搜索， 寻找当前宏块的最佳匹配。多参考帧的使用，使得在快速变化的图像以及出现复 杂形状的物体等情况下的编码有更好的压缩效果。 ( 3 ) 整数块变换及可变量化步长啪1 传统的d c t ( 离散余弦变换) 以8 8 像素块为基本单元，并且变换过程采用复 杂的浮点运算，因取舍误差会引起像素值漂移，造成反变换的失配，增大计算量， 并且还会出现块效应。h 2 6 4 采用基于d c t 技术的新型4 x 4 块整数变换，变换过 程中并没有乘法，只有加法和位移操作，将乘法操作集成在了量化过程中，减少 了整体的乘法操作，提高了运算速度。 ( 4 ) 场景切换问题 在基于h 2 6 4 算法的视频中，场景切换会破坏相邻帧间的相关性当场景切 换发生时，由于新场景的编码复杂度和老场景不同，需要重新估计信道带宽充裕 度。场景切换有多种不同的形式，如突变、消融和淡出淡入等口。视频通信中大 多数场景切换都属于突变型场景切换。对场景切换的研究表明，根据图像原始灰 度值的变化能够有效地检测突变型场景切换。 ( 5 ) v c l 与n a l h 2 6 4 a v c 作为最新的视频编码标准，定义了视频编码层( v c l ) 和网络提取层 ( n a l ) 。从框架结构上将n a l 与v c l 分离，主要实现两个目的：第一，可以定义 v c l 视频压缩处理与n a l 网络传输机制的接口，这样允许视频编码层v c l 的设 计可以在不同的处理器平台进行移植，而与n a l 层的数据封装格式无关；第二， v c l 和n a l 都被设计成工作于不同的传输环境，异构的网络环境并不需要对v c l 比特流进行重构和重编码。从h 2 6 4 在v c l 和n a l 上优点来说，它对于复杂多 样的嵌入式应用环境是非常适用的口羽，提高了网络适应性，从而保证了视频传输 的q o s 。 1 6 山东大学硕士学位论文 综上所述，h 2 6 4 标准以其高视频压缩比、高图像质量、良好的网络适应性， 得到了市场的广泛认可。其应用目标范围较宽，可以满足不同速率，不同解析度 以及不同传输，存储场合的需求嘞1 。 2 1 3 视频监控 1 视频监控的特点 视频监控技术的发展经历了3 个主要阶段：模拟图像监控技术、基于p c 的数 字图像监控技术和基于嵌入式系统的数字图像监控技术。目前，国内还较多地使 用本地模拟图像监控系统，能够保证采集到的图像清晰、不失帧，但存在传输距 离小，系统可扩展性差，后期处理能力不强，无法实现图像数据的大容量存储， 无法利用现有的网络等方面的局限嘲1 。 传统视频监控系统通常用视频监视器、有线电缆、摄像机等模拟设备来实现， 其缺点是组网布线困难，带宽要求苛刻( 每路2 m b p s 以上带宽) ，图像压缩处理困 难，视频信息利用率低，视频存储占用空间大等啪。随着数字图像采集技术和网 络视频传输技术的发展，数字视频监控系统已日渐成熟。 2 视频监控的应用 在视频监控系统的应用场合中，有很多需要监控系统长时间工作，如夜间大 楼走廊，拐角处的监控等。在这种情况下，要让监控人员实时观察到突发情况几乎 是不可能的。这就要求报警系统具有应对突发情况实时警报的功能，并能够实时