（计算机应用技术专业论文）数字化综合安防系统的设计及应用研究.pdf

四j i i 大学顿士学位论文 摘要： 数字化综合安防系统的设计及应用研究 专业：计算机应用技术 硕士生：卢建斌指导教师：刘正熙 随着经济和科技水平的飞速发展，人们对安全防范系统提出了越来越高的 要求。近年来多媒体技术、嵌入式技术、图象编码压缩技术、计算机网络及通 信技术的快速发展以及国内各企业事业单位网络基础设施建设的日益完善，大 大促进了安全防范系统的研究和发展。安全防范系统在经历了模拟视频监控和 基于p c 或嵌入式的半数字化两个阶段的发展后，现正向以数字化、网络化为 主要特征的第三代数字化综合安防系统过渡。一般来说，第三代数字化综合安 防系统应具有“前端一体化、处理数字化、传输网络化、系统集成化”的特征。 本文结合某校园安防系统的建设，提出了一种基于嵌入式系统的全数字化 综合安防系统的设计及实现方法。该系统在功能上可分为视频监控、语音对讲、 应急报警、车辆出入控制、人员进出管理、设备控制、环境监测等；从组成结 构上，该系统分为前端服务器和远端客户端两部分：在前端，完成图像、声音、 报警信息、i c 卡信息、环境参数等信息的采集、a d 转换、编码压缩及网络传 输：在远端客户端，实现了前端各种数据的接收、解码、显示、存储，以及对 前端设备的控制等。 该系统的前端服务器( 嵌入式安防服务器) 是采用基于m i p s 微内核的嵌 入式处理器a d m 5 1 2 0 和集音视频编解码为一体的v w 2 0 1 0 芯片作为硬件 平台，嵌入式l i n u x 操作系统为软件平台而进行丌发设计的。论文详细介绍了 前端安肪服务器的硬件构架、硬件电路设计、内存分配以及设备驱动程序的原 理和实现方法。该系统采用m p e g 一2 的压缩标准对前端音视频信号进行编码压 缩后，以实时传输协议( r 1 p r t c p ) 进行打包，并在1 0 0 0 兆以太光纤专用网 络上传输。 朋川大学硕十学位论文 论文第一章主要说明第三代数字化综合安防系统的特征、本课题研究的背 景、目的及意义。 第二章主要介绍了数字化综合安防系统开发中涉及到的主要技术，如嵌入 式技术、l i n u x 技术、音视频编码压缩技术、网络传输技术等。 第三章主要介绍了某校园数字化综合安防系统的整体设计及实现，建设内 容主要包括署视频监控系统、应急报警处理系统、车辆出入控制系统、人员进 出管理系统等。 第四章主要介绍了整个数字化综合安防系统的实现，包括前端服务器、控 制中心客户端以及应用系统软件的开发等。 第五章详细介绍了前端嵌入式安防服务器的开发与实现过程，包括总体构 架、开发平台的搭建、硬件开发、电路设计、内存分配、驱动程序设计以及系 统测试等。 第六章对整个系统进行了总结回顾，提出了系统的一些不足之处及下一步 需要改进的工作。 关键词：安全防范系统嵌入式系统前端服务器硬件平台设备驱动程序 四川大学硕十学位论文 t h e i m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a ls e c u r i t y p r e c a u t i o ns y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o nr e s e a r c h a b s t r a c t ： m a j o r ：c o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y m a s t e rc a n d i d a t e ：j i a nb i n 。l u a d v i s o r ：z h e n gx i ，l i u w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r e s o p h i s t i c a t e dd e m a n d sa r eb r o u g h to u tb yp e o p l ew i t ht h es e c u r i t yp r e c a u t i o n s y s t e m r e c e n t l y , t h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n t o ft h em u l t i m e d i at e c h n i q u e ， e m b e d d e ds y s t e m ，i m a g ec o d i n ga n dc o m p r e s s i n gt e c h n i q u e ，c o m p u t e rn e t w o r ka n d d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e t h ec o n s o l i d a t i o no fn e t w o r kf o u n d a t i o i l si na i l k i n d so fe n t e r p r i s em a d et h er e s e a r c ho ft h es e c u r i t yp r e c a u t i o ns y s t e mg a i n e da g i a n tp r o g r e s s a f t e rt w os t a g ed e v e l o p m e n to fa n a l o gv i d e om o n i t o rs y s t e ma n d h a l f - d i g i t a lm o n i t o rs y s t e mb a s e do np co re m b e d d e ds y s t e m ，t h es e c u r i t y p r e c a u t i o ns y s t e ma r ed e v e l o p i n gi n t oi t st h r e eg e n e r a t i o nw i t i lt h ep r i m a r y c h a r a c t e ro f n e t w o r k i n ga n dd i g i t a l i z a t i o n g e n e r a l l y , t h e t h i r d g e n e r a t i o n s e c u r i t yp r e c a u t i o ns y s t e ms h o u l dh a v et h e s ef o u rc h a r a c t e r i s t i c ：f o r m e r - p a r t s h i g h l y i n t e g r a t e d ，a l lt h es i g n a ls h o u l db ed i g i t a lp r o c e s s e d ，t r a n s m i t t e dv i an e t w o r k ， a n da l lt h es u b - s y s t e mb ei n t e g r a t e d b a s e do nt h ec o n s t r u c t i o no fac a m p u ss e c u r i t yp r e c a u t i o ns y s t e m ，a c o m p r e h e n s i v ed i g i t a l s e c u r i t y p r e c a u t i o n s y s t e m a n di t s d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o na r eb r o u g h to u ti n t h i st h e s i s t h i ss y s t e mc a nb ef u n c t i o n a l l y d i v i d e di n t ot h e s ef o l l o w i n gs u b - s y s t e m ：v i d e om o n i t o r , v o i c ei n t e r - s p e a k ，a l a r m i n g p r o c e s s ，v e h i c l e a n ds t u f fi na n do u tc o n t r o l ，d e v i c ec o n t r o l ，e n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r ss u p e r v i s i o na n de t e c o n s t i t u t i o n a l l y , t h i ss y s t e ma r ec o n s i s t e do ft w o p a r t s ：t h ef o r m e rs e r v e ra n dr e m o t ec l i e n t s ，i nt h ef o r m e rs e r v e r , a l lt h el o c a l d a t a s u c ha si m a g e sf r o mc a m e r a s ，v o i c e s ，a l a r ms i g n a l s ，i n f o r m a t i o nf r o mi cc a r d sa n d 四川大学硕士学位论文 o t h e rl o c a le n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sa r eb e i n gg a t h e r e d ，a dt r a n s f e r r e d ，c o d e da n d c o m p r e s s e d ，t h e n , t r a n s m i t t e dt ot h er e m o t ec l i e n t st h r o u g hn e t w o r k ；i nt h er e m o t e c l i e n t ，a l lt h ed a t af i o mt h ef o r m e rs e l w e ra r eb e i n gr e c e i v e d ，e n c o d e d ，d i s p l a y e da n d s t o r i e d ，t h er e m o t ec l i e n tc a na l s om a k ec o n t r o lo f d e v i c e si nt h ef o r m e rs e r v e ra r e a t h ef o r m e rs e r v e ro ft h i ss y s t e m ，a ne m b e d d e ds e c u r i t ys e r v e r , a r ed e s i g n e d w i t ht h eh a r d w a r ep l a t f o r mc o n s i s t i n go fae m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ( a d m 5 1 2 0 ) b a s e do nm i p s ，a n dac h i p ( v w 2 0 1 0 ) i n t e g r a t e dw i t hc o d i n g d e c o d i n go fb o t l l i m a g ea n dv o i c e ，w i t ht h es o f t w a r ep l a t f o r mo fe m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e m t h ef u n c t i o na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e ma r eb r i e f l yi n t r o d u c e df i r s t l y , a n d t h e nt h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ，c i r c u i td e s i g n ，m e m o r ya l l o c a t i o na n dt h et h e o r ya n d r e a l i z a t i o no fd e v i c ed r i v e ra r ei l l u s t r a t e di nt h et h e s i s i nt h es y s t e m ，i m a g e sa n d v o i c e sa r ec o m p r e s s e du n d e rt h es t a n d e ro fm p e g 2 ，t h e np a c k a g e di nr e a l - t i m e t r a n s f e rp r o t o c o l ( r t p r t c p ) ，b a n s m i t t e di naf i b e rf a s te t h e m e tw i t h10 0 0m b p s i n t h i sp a p e r , t h ef i r s t c h a p t e rh a si n t r o d u c e dt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h i r d g e n e r a t i o no fs e c u r i t yp r e c a u t i o ns y s t e m ，t h eb a c k g r o u n do ft h i sr e s e a r c h ，t h ea i m a n dm e a n i n go f t h er e s e a r c hi nt h et h e s i s t h es e c o n dc h a p t e rh a si n t r o d u c e dt h em a i nt e c h n o l o g yi nt h es e c u r i t y p r e c a u t i o ns y s t e m f o re x a m p l e ，t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y , v o i c ea n dv i d e o e n c o d i n g c o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y , a n dt h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , e t c t h et l l i r dc h a p t e rh a si n t r o d u c e dt h ed e s i g n i n ga n di m p l e m e n t a t i o no fa c a m p u ss e c u r i t yp r e c a u t i o ns y s t e m v o i c ea n dv i d e om o n i t o r , a l a r mp r o c e s s i n g ， v e h i c l ea n ds t u f fi na n do u tc o n 仃o la n de t ca r ei n c l u d e d t h ef o u r t hc h a p t e rh a si n t r o d u c e dt h ep r o c e s so fr e a l i z i n gt h es y s t e m ，t h e f o r m e rs c v e r , t h er e m o t ec l i e n ta n dt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ea r ed e t a i li l l u s t r a t e d n l cf i f t hc h a p t e rh a si n t r o d u c e dt h ed e v e l o p i n ga n dr e a l i z a t i o no ft h ef o r m e r e m b e d d e ds e c u r i t yp r e c a u t i o ns e v e r , i t st o t a la r c h i t e c t u r e ，t h eb u i l d i n go ft h e d e v e l o p i n gp l a t f o r m ，h a r d w a r ea n dc i r c u i td e s i g n ，m e m o r ya l l o c a t i o n ，d e v i c ed r i v e r p r o g r a m m i n ga n dt e s t i n go f t h es y s t e ma r ec a r e f u l l yi n t e r p r e t e d a tl a s t ，ab r i e fs u m m a r i z a t i o no ft h eo v e r a l ls y s t e ma r em a d e ，s o m e s h o r t c o m i n g so f t h es y s t e m ，a n dt h ef u r t h e rw o r kt oi m p r o v ei ta r es u g g e s t e d 四川大学硕十学位论文 k e yw o r d s ：s e c u r i t yp r e c a u t i o ns y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m ，f o r m e rs e r v e r , h a r d w a r ep l a t f o r m ，d e v i c ed r i v e rp r o g r a m 阴j i i 大学硕士学位论文 第1 章综述 1 1 引言 进入2 l 世纪后，随着多媒体技术、嵌入式技术、图像编码压缩技术、计算 机网络技术的快速发展，安全防范系统有了良好的技术发展环境。同时，市场 也对安全防范系统也提出了越来越高的要求：不仅要求在不同的地方能看到异 地高清晰的图像，而且还能与现场进行语音对讲、对现场的报警信号、环境参 数等进行采集、对现场的设备进行遥控以及与其它系统( 如门禁系统) 进行联 动控制等。 为了满足类似这些不断变化的需求，我们就必须彻底打破原来“闭路电视 系统”模拟方式的结构，从根本上改变了视频监控系统从信息采集、传输处理、 系统控制的方式和结构，采用更多先进的技术设计一套全数字化的综合安防系 统。一般说来该系统应具备以下四个基本特征【1 1 ： 前端一体化：安防系统前端一体化意味着多种技术的融合，多种适应性更 强的不同探测控制设备的整合，前端应采用嵌入式的构架从而为系统集成化奠 定了基础。 传输网络化：安防系统的网络化意味着系统的结构将由集总式向集散式系 统发展，集散式系统采用多级分层的结构形式，将使整个网络系统硬件和软件 资源以及任务和负载得以共享。争取每个一体化的前端设备都能直接入网进行 传输和控制，这也是系统集成与整合的重要基础。 处理数字化：信息处理数字化意味着信息流的数字化、编码压缩应采用开 放式的协议和具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统，以实 现抢先任务调度算法的快速响应，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、人机界面友好的特点，系统安装、调试和维修应简单化， 系统运行应互为热备份，容错可靠。 系统集成化：系统集成化正是由于构建系统的各子系统均实现了网络化和 数字化，特别是使视频监控系统与安防系统其它各子系统间实现了无缝连接， 从而实现了在统一的操作平台上进行管理和控制。 四川大学硕士学位论文 数字化综合安防系统是本文的课题背景，本章首先介绍了全数字化综合安 防系统应具有的特征，接着介绍了某校园数字综合安防系统的需求背景，最后 介绍了本论文的研究的目的和意义以及研究内容。 1 2 课题项目背景 随着某高校的两次强强合并以及新校区的建成并投入使用，校园面积、人 口和交通量的显著增加给校园安全防范工作带来了新的挑战。事实证明，仅靠 增加保卫人员和零散的购置安防设备己不能保障校园的安全，而大力加快建设 基于先进技术的全数字化综合安全防范系统才是根本的解决之道。该大学经过 招标，确定本文作者所在的实习单位为该项目的承建单位。 该公司在视频监控、安全防范领域一直处于业界前沿，公司有着丰富的科 研和工程经验，曾从事了众多安防产品的研发。“全数字化的综合安防系统”正 是应该项目的需求而立的项。 1 3 本论文研究的目的和意义 数字化综合安防系统将先进的嵌入式技术、音视频压缩技术、网络传输技 术有效地结合在一起。在监控现场，通过嵌入式专用芯片和实时操作系统，把 音视频压缩、信号采集、设备控制和网络传输功能集成到一个体积很小的嵌入 式设备中，设备直接连入以太网。在监控终端，只需一台安装了监控终端软件 的p c 机，就可以在任何地方，对监控现场进行实时远程监视、语音对讲、信 号采集和设备控制。这样，系统不仅施工简单、操作方便、维护便利，而且系 统也更加稳定，整个系统投入和运行费用也将大幅度下降。 数字化综合安防系统能有效地改善了传统视频监控系统的缺陷，可以很好 地解决基于p c 机的视频监控系统中存在的问题，如视频数据量大，直接存储 和传输将耗费大量的资源，实现图像实时存储和网络传输困难等。 介于以上原因，数字化综合安防系统必将具有广泛的应用与发展前景，由 它代替当前普遍应用的基于p c 的视频监控系统已成必然趋势。该系统对于类 似的校园安防系统有着广泛的借鉴意义，所以研究并开发一套基于嵌入式技术 的综合数字安防系统具有重要的工程实践和现实意义。 阴i i 大学硕士学位论文 1 4 本文研究内容和作者的工作 数字化综合安防系统对学校、工厂、电站、银行、交通、仓库、楼宇等场 所的安全防范都有着重要的实用价值。近年来随着多媒体技术、计算机技术的 突飞猛进，以计算机为核心、网络为传输媒介的数字化综合安防系统越来越引 人注目。本课题根据音视频数据及各种信息在计算机网络中的传输原理，运用 嵌入式l i n u x 技术，采用模块化的设计，结合某校园安防系统建设的实践，实 现了一套全数字化的综合数字安防系统。 作者自2 0 0 4 年7 月至今一直在该公司实习，参与安防产品的研发和项目的 设计工作。在综合数字安防系统的项目中本文作者主要从事了该项目的整体方 设计、系统的硬件设计及部分软件开发工作。 四j i l 大学硕士学位论文 第2 章系统采用的主要技术简介 在全数字化的综合安防系统中，采用了许多先进的技术。主要有嵌入式 ( l i n u x ) 技术、数字视频压缩编码技术、网络传输技术等。在下面将分别详细 介绍。 2 1 嵌入式系统 随着信息技术的发展和数字化产品的普及，i n t e m e t 得到了广泛深入的应 用；从消费电器到工业设备，从民用产品到军用器材，嵌入式系统被应用到网 络、手持通信设备、国防军事、消费电子和自动化控制等各个领域。嵌入式系 统的广泛应用前景和发展潜力使其成为2 l 世纪最重要的应用之一。 嵌入式系统( e m b e d e ds y s t e m ) 1 2 】是以应用为中心、以计算机技术为基础，软、 硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格 要求的专用计算机系统。它可以实现对其他设备的监视，控制或管理等功能。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微 处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系 统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两 种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应 用程序编程与硬件的交互作用。 2 1 1 嵌入式系统硬件 嵌入式系统的硬件通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备等组成。 l 、嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的 最大不同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把 通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设 计趋于小型化，并具有高效率、高可能性等特征。嵌入式处理器可分为低端的 嵌入式控制器、中高端的嵌入式微处理器、常用于计算机领域的嵌入式d s p 处 理器和高度集成的嵌入式片上系统。现今市面上有1 0 0 0 多种嵌入式处理器芯 四川大学硕士学位论文 片，其中以a r m ，p o w e r p c ，m c 6 8 0 0 ，m i p s 等使用的最为广泛。 嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特点【2 j ： ( 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模 块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储 区保护功能，同时也有利于软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入 式微处理器。 ( 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其足用于便携式的无线及移动的计算 和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至w 级。 2 、嵌入式外围设备指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件以外的 完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的 功能可以分为以下3 类【2 l ： ( 1 ) 存储类型：静态易失型存储器( r a m ，s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 非易失型存储器( r o m ，e p r o m ，e e p r o m ，f l a s h ) 。其中，f l a s h ( 闪存) 以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等优点在嵌入式领域得到广 泛的应用。 ( 2 ) 接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用，但 是以下几种接口，其应用最为广泛，包括r s 2 3 2 接口( 串口) 、i r d a ( 红外线接 口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、1 2 c ( 现场总线待定) 、u s b ( 通用串行接口) 、 e t h e m e t ( 以太网接口) 和普通并口。 ( 3 ) 显示类型：c r t ，l c d 和触摸屏等外围显示设备。 硬件部分提供整个系统开发可见或可触摸的“实体”。嵌入式系统的开发对 硬件要求非常高，这与其他类型系统的开发有所不同。许多嵌入式的开发部足 针对具体应用，针对项目中特定的硬件资源，比如微处理器、f l a s h ，外围接 口等。这样，开发者需要熟悉系统中的硬件资源，比如涉及一些底层编程，就 需要知道系统处理器提供的指令集；要对f l a s h 编程，就需要知道f l a s h 编 程的指令系列和流程等。 四川大学硕士学位论文 2 1 2 嵌入式l i n o x 操作系统 在嵌入式开发中，随着微处理器的产生，价格低廉、结构小巧的c p u 和外 设接口提供了稳定可靠的硬件架构。这样，限制嵌入式系统的瓶颈突出表现在 软件方面，对于上层应用开发者而占，嵌入式系统需要的是一套高度简练，界 面友善，质量可靠，应用广泛，易开发，多任务，并且价格低廉的操作系统。 而功能强大、源代码开放的l i n u x 操作系统很快就成为嵌入式操作系统一个极 有吸引力的选择。 l i n u x 是一个类u n i x 的、以内核为基础的、有完备内存保护机制的、对 任务进程的操作系统。它支持广泛的计算机硬件，包括x 8 6 ，a l p h a ，m i p s ， p p c ，a r m ，n e c ，m o t o r o l a 等现有的大部分芯片。其源码全部公开，任何人 都可以修改并在g n u 通过公共认可下发行。l i n u x 用户遇到问题时可以通过 i n t e m e t 向网上成千上万的l i n u x 开发者请教，这使最困难的问题也有办法解决。 l i n t l x 带有u n i x 用户所熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统的应 用软件都己移植到了l i n u x 上。l i n u x 还提供了强大的网络功能，有多种可选 择的窗口管理器( ) ( w i n d o w ) 。其强大的语言编辑器g c c ，g + + 等也可以很容易 得到。g c c ，g h 编译器不但成熟完善，而且使用方便。 使用l i n u x 作为一个嵌入式操作系统具有许多优点【3 】： ( 1 ) 典型的压缩包装l i n u x 系统经过打包，在拥有硬盘和大容量内存的p c 机上运行，嵌入式系统可不要这么高的配置。一个功能完备的l i n u x 内核要求 大约1 m b 内存。而l i n u x 微内核只占用其中很小一部分内存，包括虚拟内存和 所有核心的操作系统功能在内，只需占用p e n f i u mc p u 系统的1 0 0 k 内存。只 要有5 0 0 k 的内存，一个有网络栈和基本实用程序的完全的l i n u x 系统就可以 在一台8 位总线( s x ) 的i n t e l3 8 6 微处理器上运行的很好了。由于内存要求常 常是需要的应用所决定的，比如w e b 服务器或者s n m p 代理，l i n u x 系统甚至 可以仅使用2 5 6k br o m 和5 1 2k br a m 进行工作。因此它是一个瞄准嵌入式 市场的轻量级操作系统。 ( 2 ) 与传统的实时操作系统( r t o s ) 相比，采用象嵌入式l i n u x 这样的开放 源码的操作系统的另外一个好处是l i n u x 开发团体看来会比r t o s 的供应商更 快地支持新的i p 协议和其它协议。例如，用于l i n u x 的设备驱动程序要比用于 四川大学硕十学位论文 商业操作系统的设备驱动程序多，如网络接1 3 号( n i c ) 驱动程序以及并口和串口 驱动程序。 ( 3 ) 核心l i n u x 操作系统本身的微内核体系结构相当简单。网络和文件系统 以模块形式置于微内核的上层。驱动程序和其它部件可在运行时作为可加载模 块编译到或者是添加到内核。这为构造定制的可嵌入系统提供了高度模块化的 构件方法。而在典型情况下该系统需结合定制的驱动程序和应用程序以提供附 加功能。 ( 4 ) 嵌入式系统也常常要求通用的功能，为了避免重复劳动，这些功能的实 现运用了许多现成的程序和驱动程序，它们可以用于公共外设和应用。l i n u x 可以在外设范围广泛的多数微处理器上运行，并早己经有了现成的应用库。 ( 5 ) l i n u x 用于嵌入式的因特网设备也是很合适的，原因是它支持多处理器 系统，该特性使l i n u x 具有了伸缩性。因而设计人员可以选择在双处理器系统 上运行实时应用，提高整体的处理能力。例如，你以在一个处理器运行g u i ， 同时在另一个处理器上运行l i n u x 系统。 最基本的嵌入式l i n u x 系统需要3 个基本元素：系统引导程序，用于完成 机器加电后的系统定位引导；l i n u x 系统内核，为嵌入式应用提供一个软件环 境，为应用程序完成基本的底层的资源管理工作：初始化过程，完成基本的初 始化。为了使这个最小嵌入式系统具有一定的实用性，还需要加上硬件的驱动 程序及一个或几个应用进程以提供必要的应用功能支持。如果应用比较复杂， 要求会随之增加，可能还需要添加一个可能在r o m 或r a m 中使用的文件系 统、t c p ，i p 网络协议栈等。在p d a 领域，还需要加上一个g u l 支持。 2 2 音视频编码技术 由于流媒体信息源所产生的数据量非常大，如果直接进行传输或存储，则 会对网络带宽和存储空间带来很大的负担。因此，流媒体数据在传输或存储之 前，先要进行压缩处理，传送到目的地后再解压播放出来。 数据压缩处理一般由两个过程组成：一是编码过程，即对原始数据进行编 码压缩，以便存储和传输；二是解码过程，即对压缩的数据进行解压，恢复成 可用的数据。 在数据压缩过程中，将变换编码，预测编码，熵编码等编码方法有机结合 四j i l 大学硕士学位论文 起来，最终实现数据压缩。而在图像压缩中普遍采用的方法有：行程编码、哈 夫曼编码、离散余弦变换编码( d c t ) 、差分脉冲编码调制和运动补偿预测编码 等。 常用的图像压缩编码标准主要有：h 2 6 1 、h 2 6 3 、m p e g 1 、m p e g 2 、 m p e g - 4 以及m p e g 7 等。m p e g l 4 】是动态图像专家组( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t g r o u p ) 的英文缩写，此专家组专门负责制定视频和音频标准。现在泛指的 m p e g x 版本是指一组由i t u 和i s o 制定并发布的音、视频数据压缩标准，现 在并存4 种m p e g 压缩标准：m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g _ 4 和m p e g - 7 标准。 现列表将主要的三种标准作个对比： m p e g 一1m p e g - 2m p e g 一4 标准创建时间 1 9 9 21 9 9 5 1 9 9 9 最高分辨率 3 5 2 x 2 8 81 9 2 0 x 1 1 5 2 7 2 0 x 5 7 6 最佳声音频率 4 8 k h z9 6 k h z9 6 k h z 最多声音通道 2 路8 路8 路 最高数据流量 3 m b p s8 0 m b p s5 t 0 1 0 m b i a s 一般数据流量 1 3 8 0 k b p s ( 3 5 2 x 2 8 8 )8 5 0 0 k b p s ( 7 2 0 x 5 7 6 )8 8 0 k b p s ( 7 2 0 x 5 7 6 ) 支持隔行扫描 否是是 灵活性差好好 图象质量一般非常好好 编码硬件要求低高非常高 解码硬件要求非常低中等高 表2 - 1m p e g 系列标准主要技术性能比较 根据本论文项目建设的实际情况：采用千兆光纤网络，对图像的质量较高， 故本论文采用具有较高图像质量的m p e g 一2 标准进行音视频的编码压缩。 m p e g 2 国际标准【5 】共分为9 个部分，统称为i s o i e c l 3 8 1 8 国际标准， 8 - 四川大学硕士学位论文 各部分的内容简要描述如下：第一部分- - i s o i e c l 3 8 1 8 - l ，s y s t e m ：系统，描 述多个视频，音频和数据基本码流合成传输码流和节目码流的方式；第二部分 一i s o i e c l 3 8 1 8 2v i d e o ：视频，描述视频编码方法；第三部分一 i s o i e c l 3 8 1 8 3 ，a u d i o ：音频，描述与m p e g 1 音频标准反向兼容的音频编码 方法；第四部分- - i s o i e c l 3 8 1 8 - 4 ，c o m p l i a n c e ：符合测试，描述测试一个编 码码流是否符合m p e g 2 码流的方法；第五部分一i s o i e c l 3 8 1 8 - 5 ，s o f t w a r e ： 软件，描述了m p e g 2 标准的第一、二、三部分的软件实现方法；第六部分一 i s o i e c l 3 8 1 8 6 ，d s m c c ：数字存储媒体一命令与控制，描述交互式多媒 体网络中服务器与用户间的会话信令集。以上六个部分均已获得通过，成为正 式的国际标准，并在数字电视等领域中得到了广泛的实际应用。此外，m p e g - 2 标准还有三部分：第七部分规定不与m p e g 1 音频反向兼容的多通道音频编码； 第八部分现已停止；第九部分规定了传送码流的实时接口。 m p e g 2 图像压缩的原理是利用了图像中的两种特性：空间相关性和时间 相关性。一帧图像内的任何一个场景都是由若干像素点构成的。因此一个像素 通常与它周围的某些像素在亮度和色度上存在一定的关系，这种关系叫作空间 相关性；一个节目中的一个情节常常由若干帧连续图像组成的图像序列构成， 一个图像序列中前后帧图像间也存在一定的关系，这种关系叫作时间相关性。 这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。如果我们能将这些冗余信息去 除，只保留少量 相关信息进行传输，就可以大大节省传输频带。而接收机利 用这些非相关信息，按照一定的解码算法，可以在保证一定的图像质量的前提 下恢复原始图像。 m p e g - 2 中编码图像被分三类，分别称为i 帧，p 帧和b 帧。i 帧图像的压 缩倍数相对较低，只利用了单帧图像的空间相关性，采用了帧内编码方式。此 时编码图像仅经过了d c t 、量化器和比特流编码器即生成了编码比特流。其中 涉及的关键技术是d c t 编码。 m p e g 2 的编码码流【6 1 分为六个层次。从上至下依次为：视频序列层 ( s e p u e n c e ) ，图像组层( g o p ：g r o u po f p i c t u r e ) ，图像层( p i c t u r e ) ，像条层( s l i c e ) ， 宏块层( m a c r o b l o c k ) 和像块层( b l o c k ) 。他们的关系如图所示。 四川大学硕士学位论文 ls 明1 跚i | s q l s c q s c v i d e o b i t s t r e a m q t s ig o p g o p l p a r a m sp a r a r n s m u s ；c 一 而p s ct i m ec o d e 鲫r s l p i c t r 高 b p e b u f f e rp a r a m se n c o d ep a r a m ss l i c es l i c e 一 厂s s cv e r t p o s q s c a l e m b m b l k d d i 。， h p e m o t i o nv e c t o rc b p b 0如 i 图2 1m p e f l - 2 码流层次图 2 3 网络传输技术 2 3 1 传输介质 网络传输介质口0 1 是网络中传输数据、连接各网络站点的实体。网络信息还 可以利用无线电系统、微波无线系统和红外技术等传输。目前常见的网络传输 介质有：双绞线、同轴电缆、光纤等。 ( 1 ) 光纤是最理想的传输媒介，其特点是传输容量大，传输质量好，损耗少， 但成本很高，适合网络主干线。 ( 2 ) 同轴电缆也是一种常见的网络传输媒介，有粗缆、中同轴和细缆之分。 目前有线电视采用这种传输媒介，适合短距离通信。 ( 3 ) 双绞线目前主要用于电信网络和局域网络。 四川i 大学硕十学位论文 ( 4 ) 无线通信包括长距离的卫星通信、微波通信，其传输性能、容量不如光 纤。但有较大的灵活性，可以在短时间内构造一个长距离的网络。 考虑到该项目通信网络主要传输的是大流量的m p e g 2 码流，故采用光纤 作为该系统的网络传输介质。 2 3 2 传输网络 目前运营的传输网络1 3 0 】有电信网、有线电视网、计算机网。 电信网上的多媒体通信业务有i s d n ，h d s l ，a d s l ，v d s l 等。电信网 络具有连接范围最广、服务范围最广等特点，通过电信网可以和世界上绝大多 数地方进行通信。 计算机网络目前主要有f d d i ( 光纤分布式数据接口) 、快速以太网、a t m ( 异步传输模式，电信网和计算机网相结合的技术) 等。目前局域网内常采用的 是快速以太网，传输速度为1 0 0 - 1 0 0 0 m s 。计算机网络实现了计算机的互联， 为计算机之间进行文件传送、资源共享提供服务。计算机网络是范围最小的网， 通常广域的i n t e r n e t 网需要通过电信网，以专线或者拨号的形式互联。 有线电视网络( c a t v ) 提供广播业务，包括电视、图文电视等，c a t v 采用 模拟传输方式，是一种模拟网络。电视网上提供的多媒体服务有v o d ，h f c 和c a b l em o d e m 。 本项目的网络传输系统是采用主干千兆、桌面百兆的快速以太网。 2 3 3实时传输协议 由于t c p i p 协议最初是为提供非实时数据业务而设计的，所以单纯的 t c p i p 协议并不适合于视频数据的传输，为解决网络环境中实时视频传输就需 要采用新的网络协议，目前专门的视频协议8 】主要有：实时传输协议r t p 、 实时传输控制协议r t c p 、实时流协议r t s p 及资源预留协议r s v p 。 r t p 标准 9 1 是由正t f 的a v t 小组开发，1 9 9 6 年成为r f c 正式文档，用 于v o i p 、视频等实时媒体传送的协议。r t p 协议包括r r p 和r t c p ( r t p 控制 协议) 两个关系十分密切的子协议： r t p 一负责传送具有实时属性的多媒体数据，如m p e g 流； r t c p 一监测q o s 和传送参与会议者的信息。 四川大