（通信与信息系统专业论文）高速公路视频监控系统的设计与应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 高速公路视频监控系统和收费系统与通信系统相配合，构成了现代高速公路智能系统 的主体。视频监控系统的视频传输是利用通信系统进行的，从而完成视频监控任务。本文简 要介绍了通信系统的组成。 视频压缩技术是视频监控系统的核心技术。本文对几个视频编码标准如m p e g - 1 、 m p e g - 2 ，m e p g - - 4 、h 2 6 3 、h 2 6 4 进行研究比较，指出了在本系统中采用m p e g - 2 标准比 较合适。 文中提出了基于m p e g - 2 的视频处理器设计方案，组成处理器的五个硬件模块是p a l 解码器、前处理模块、m p e g - 2 编码器、输出单元、主控c p u 。比较详细地论述了各部分 的设计原理，数据打包以及口接口的应用设计 文中给出了高速公路视频监控系统的设计实例。对几种高速公路联网收费视频监控系 统技术方案进行了比较，并根据襄荆高速公路沿线站点分布及管理机构设置的实际情况， 选定采用基于光纤网络的全数字视频监控系统中的通过s d h 传输利用收费系统的宽带综 合业务接入网络的以太网口以i p 通信方式传送视频的方案。详细阐述了襄荆高速公路联网 收费系统的数字视频监控传输系统中收费分中心、收费站级视频监控系统的各组成部分和 工作原理。同时也简要说明了系统的工作流程、硬件口地址设置、v l a n 的划分及系统的 功能和特点。 最后通过对系统运行情况的跟踪研究，得出本系统设计符合设计要求的结论。文中还 给出了实际应用监控图像。 关键词：视频监控系统数字视频视频处理器高速公路通信系统 华中科技大学硕士学位论文 e x p r e s s w a yv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m 、c h a r g i n gs y s t e ma n dt o r e r o m o a t i n gs y s t e m m a k eu pm a i nb o d yo fe x p r e s s w a yb r a i n p o w e rs y s t e mi nm o d e mt i m e s v i d e oi nv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e mi st r a n s m i t t e db ym a k i n g u s eo fc o m m u n i c a t i n gs y s t e m , t h e r e f o r ev i d e o m o n i t o r i n gs y s t e mf u l f i l l st h et a s ko f v i d e om o n i t o r i n g t h ec o m p o n e n t so fc o m m u n i c a t i n g s y s t e ma l ei n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r v i d e oc o m p r e s s i o na n dc o d i n gi st h ek e yt e c i m o l o g yi nv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m s e v e r a lv i d e oc o d i n gs t a n d a r d ss u c ha sm p e g - 1 、m p e g - 2 、m e p g - 4 、i - l 2 6 3 、h 2 6 4a r e s t u d i e da n de o m p a r e d , a u t h o rm a k e st h ec o n c l u s i o nt h a tt h es t a n d a r d - m p e g - 2i ss u i tf o r t h i ss y s t e m t h ed e s i g ns c h e m eo fv i d e op r o c e s s o rb a s e do nm p e g - 2 i sp u tf o r w a r di nt h i s p a p e r f i v e h a r d w a r em o d u l e so fv i d e op r o c e s s o ra r ep a ld e c o d e r ，p r e - t r e a t m e n t m o d u l e ，m p e g - 2e n c o d e r 、o u t p u tu n i ta n dc p u d e s i g np r i n c i p l eo fe v e r ym o d u l e 、 d a t ap a c k i n ga n da p p l i c a t i o no fi pa r es e tf o r t hi nd e t a i l t h ed e s i g ne x a m p l eo fv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi sp o i n t e do u ti nt h i sp a p e r t h a ti s t h ed e s i g no fx i a n g - j i n ge x p r e s s w a yv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m a c c o r d i n gt oc h a r g i n g g a t e sd i s t r i b u t i o na l o n gt h ex i a n g i i n g - e x p r e s s w a ya n dt h em a n a g i n gs e t u p ，s e v e r a l t e c h n o l o g y s c h e m e so fv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi nt h ex i a n g j i n g - e x p r e s s w a ya r e c o m p a r e d , a sar e s u l tp u r ed i g i t a lv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mt h a ti sb a s e do nf i b e r - n e ti s a d o p t e ：( ! i t t r a n s m i t sv i d e ow i t ht h em o d eo fi pc o m m u n i c a t i o na n dm a k i n gu s eo f e t h e r n e to ft h eb - i s d nt h r o u g hs d h c o m p o n e n tp a r t so ft h es y s t e ma n dt h e i rp r i n c i p l e s a r e s e t f o r t h i n d e t a i l w o r k i n g p r o c e d u r e 、s e t u p o f 口a d d r e s s 、d i v i s i o n o f v i _ a n 、f u n c t i o n a n dc h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e ma r ei n t r o d u c e ds i m p l y a tt h ee n dt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ed e s i g no ft h i ss y s t e ms a t i s f i e st h ed e s i g nd e m a n di s m a d eb ym e a n so ft h el a t e rs t u d yo ft h ew o r ko ft h es y s t e m p r a c t i c a lm o n i t o r i n gp i c t u r e s n 华中科技大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：v i d e om o n i t o r i n gs y s t e m d i g j t a lv i d e o v i d e op i d 础i s 甜e x p r e s s w a y c o m m u n i c a t i n gs y s t e m i l l 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，除文中己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，均己在文中以明确方式标明。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： 勃芬 日期：历硒年7 月f g 日 关于论文使用授权的说明 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子版，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 本论文属于 不保密团 ( i l 在以上方框内打“4 ”) 在年解密后适用本授权书。 学位论文作者签名： 琵磬 指导老师签名 日期：z ，为年钥8 日 日w i 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1高速公路视频监控技术的发展状况 我国高速公路发展迅速，已经形成了纵横交错的高速公路网，极大地促进了经 济的发展。对高速公路进行有效的管理，使其发挥最大的效益就非常有必要。对高 速公路进行管理和控制，最常用和最有效的方法就是对高速公路进行实时监控。作 为安防的重要手段，视频监控技术的发展经历了模拟监控、数字监控正在向大规模 网络监控发展。 传统的模拟闭路电视监控系统经过多年的发展，已经非常成熟，在高速公路获 得了极其广泛的应用。随着高速公路的日益增长，对监控提出了更高的需求主要 表现在 1 l ：各地的高速公路在完成路段联网的同时，也需要图像的联网；监控系统采 集到路段现场情况，不但要传输到路段中心，同时还需要传输到地区中心、省中心， 有时还需要将不同路段的监控图像相互交换；图像的路数要尽可能的多，便于日后 进行系统扩展；图像质量越清晰越好。 监控点数量多且分散；海量数据传输和存储的需求；设备管理重要性增强甚至 超过图像监控本身；管理者流动性增强；施工、布线成本昂贵，要求简化布线降低 投资；信息安全受到普遍关注。市场的需求呼唤视频监控技术变革。 随着计算机技术、网络技术、视频压缩技术等网络数字视频技术的发展，网络 数字视频技术解决大规模、长距离、高度分散系统的视频监控问题。数字网络监控 系统彻底打破了传统的闭路电视系统的结构，从根本上改变了视频监控系统信息采 集、数据处理、传输与转贮及系统控制等过程的方式和结构。 目前，视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字 系统过渡的阶段。 视频监控技术发展方向为分布采集集中管理、高品质图像压缩处理、开放标准 统一接口、统一认证确保安全、操作人性化，以及功能集成化、结构模块化和传输 多样化。在相关技术上：1 、压缩技术需要不断发展使图像能够低成本地在各种网 华中科技大学硕士学位论文 络上传输。2 、网络技术、光纤技术进一步发展，交换机不断升级和宽带的广泛应用， 使网络视频才能够伸展到各个角落。 中国的数字化网络视频监控产品在技术上将会向两个方向发展 2 1 ，第一个方向 是高清晰度，对图像质量的追求，始终是人们努力的方向，更是监控业内在的要求， 因此随着存储设备容量的不断增大，价格不断降低，新的存储技术的发展，采用 m p e g 和其他高画质图像标准的产品将投入市场，成为数字化网络视频监控的重 要产品。第二个方向是基于h 2 6 4 或更新的图像压缩标准的产品，h 2 6 4 技术对数字 化监控产品提供了新的发展空间，h 2 6 4 技术尤其适合网路监控，它的出现和应用， 将使数字化网络视频监控迈向一个新的时代。 网络化数字视频监控将成为高速公路视频监控的主流。 1 2 视频监控技术应用研究现状 目前全球安防市场分成三类，一是以日本、欧美大公司为代表的企业，主要生 产高档产品，销量占全球3 0 左右；二是韩国为代表的企业，从7 0 年代到9 0 年代， 经历了急速的扩张，实力几乎能够与日本抗衡，以中档产品为主，占全球份额的4 0 以上；三是以中国为代表的企业，以中低档产品为主，几乎垄断这一部分市场。目 前的状况是日本、欧美继续保持安防产品生产龙头地位，韩国企业则因为不惜血本 竞争，带来大量负资产，竞争力已经削弱，其中低档市场极有可能为中国企业所取 代。 国际反恐形势、西部开发与东北振兴、2 0 0 8 奥运与上海世博会、国内城镇化与 快速城市建设、平安城市建设、部分应用领域安全事故频发有力地促进了安防行业 的发展，也有力地促进了作为安防的重要手段的视频监控及相关技术的发展。 视频监控系统的现状是；在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频 监控和数字视频监控两类产品。前者技术发展已经非常成熟，性能稳定，并在实际 工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后 者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统 2 华中科技大学硕士学位论文 解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。目前，视频监控 系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段闭。在 监控领域，集中了多媒体技术、数字图像处理及远程网络传输等最新技术的数字监 控正在逐步取代传统的模拟监控，它代表了监控系统的发展潮流。 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究。视频技术的 研究和应用是目前最热门的话题之一近年来，国外研究学者一方面致力于低码率 的新视频压缩标准h 2 6 4 的算法优化及相关视频处理器等高端安防产品的研究与开 发，另一方面网络通信技术是远程监控技术中最为关键的技术，在远程监控系统网 络化方面投入了大量精力。 在国内，研究人员更多的关注投在视频编码的算法研究与优化，而在高端安防 产品的研制方面进展较慢。 监控技术的发展始终与最新技术的发展息息相关，使用者不断对远程监控的简 便性及实时性提出了更高的要求。因此必须要更好地、更及时地应用最新技术，这 样才能使得远程监控不断地发展，不断地满足人们的需求。 1 3 本论文研究的问题及作者的主要工作 高速公路视频监控系统是现代高速公路智能系统中非常重要的组成部分它是 现代高速公路管理、监测、控制的重要手段。由于视频监控系统处理的数据量巨大， 而图像处理技术尚处于发展中，对于海量数据的实时压缩解压缩等技术有待进一步 完善；而通信网络的传输能力亦是有限的，如何解决网络传输能力的不足，在有限 的带宽上进行海量数据的传输，亦是亟待解决的问题p j 。 视频监控系统的市场及技术的发展非常迅猛【4 1 ，根据襄荆高速公路的实际情况和 全省联网收费的实际要求，考虑未来路网的扩展可能，适当采用先进技术使系统具 有可扩充性。 本文作者从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 研究几种视频编码标准的算法，并比较其性能，为视频压缩选择适合的压 3 华中科技大学硕士学位论文 缩标准； ( 2 ) 进行视频处理器方案的设计，并参与设备的选型； ( 3 ) 分析了襄荆高速的实际情况，了解全省收费联网对襄荆高速公路视频监控 系统的要求。 ( 4 ) 提出了适合襄荆高速公路联网收费视频监控系统的技术方案，并研究其具 体实现。 ( 5 ) 对系统的运行情况进行跟踪研究。 1 4 主要内容安捧 论文所研究内容按以下顺序论述： 第l 章概述了高速公路闭路电视监控系统的发展及视频监控技术应用研究现状。 第2 章介绍了湖北襄荆高速公路通信系统的组成。 第3 章对几种视频压缩编码标准进行研究、比较，为视频压缩选择适合的压缩 标准。 第4 章制定了视频处理器设计方案，论述视频处理器各组成部分的原理、数据 打包、口接口。 第5 章给出高速公路视频监控系统的设计实例，通过对几种监控系统技术方案 的比较，选择了合适襄荆高速公路联网收费视频监控的技术方案，并阐述此方案中襄 荆高速公路联网收费系统的数字视频监控系统组成、工作流程，m 地址设置、v l a n 的划分和系统的功能和特点。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 湖北襄荆高速公路通信系统 2 1 通信系统概述 高速公路机电系统由监控、收费、通信三大子系统构成其中通信属于基础予 系统，为收费、监控系统提供信息( 话音、数据、图像) 传输平台。 本路段通信系统为襄樊至荆门高速公路的管理、监控、收费和援助提供不问断 的语音、图像、数据的综合通信功能。通信系统的总带宽为6 2 2 m ，分三大通道：收 费系统收费往来数据、闭路电视监视系统、办公自动化。其中视频监控系统的视频 传输带宽开销为4 m 。 2 2 通信系统组成 通信系统分以下5 个子系统：光纤数字传输系统、数字程控交换系统、紧急电 话系统，视频图像传输系统、通信电源系统 5 1 如图2 1 。 2 2 1 光纤数字传输系统 图2 1 通信系统网络拓扑图 华中科技大学硕士学位论文 根据湖北省高速通信系统联网规划，襄荆高速公路通信系统采用。s d h + 综合业 务数字接入网”的高速公路通信系统平台的解决方案。通信系统主干环的传输速率 为1 5 5 m b i 垤，接入网的传输速率为1 5 5 m b i t s ，主干环网和接入网光纤环网都采用1 + 1 备用方式，环网采用4 芯光纤。 光传输系统不仅为数字程控交换机语音传输提供通道，而且为收费、监控系统、 通信电源监控提供数据、图像传输通道，它是通信系统的基础和平台，在整个通信 系统中占有重要的地位 襄荆高速公路光纤数字传输系统包括光缆线路工程、s d h 光传输系统和综合业 务接入网系统。 光缆线路工程 光缆线路工程为襄荆公路全线收费，监控系统的语音、数据、图像传输提供可 靠的物理媒介。 s d h 光传输系统 s d h 光传输系统采用s 1 m - 4 的传输速率与相邻高速公路通信系统相接，在荆门 通信分中心设1 5 5 m b i t s 级a d m ( 分插复用器) ，此a d m 可平滑升级至6 2 2 m b 临。 监控、收费系统数据通过荆门通信分中心的路由器将监控、收费系统数据经 a d m2 m 口上传至上级管理部门，视频图像采用2 个2 m 口级联的方式将编码的数 字视频图像上传至上级通信中心。 综合业务接入网系统 综合业务接入网系统在每个无人值守通信站内设置了一套1 5 5 m b s 级别的o n u ( 光网络单元) 。各o n u 之间采用跳站相接的方式构成1 + 1 光纤自愈保护环。o n u 作为接入两用户端设备为高速公路监控系统、收费系统数据传输提供2 m 数据通道 和各种低速数据接口。收费站收费数据经路由器和通信设备2 m 口上传至荆门监控 分中心。监控外场设备数据在外场设各处通过m o d e m 将监控数据就近传输至通信 站，在通信站内经m o d e m 将调制的数据解调，解调的监控数据通过经o n u 提供 的串行r s 2 3 2 接口上传至荆门分中心。 除以上所述，接入网系统还为高速公路沿线各站之间的公务联络提供业务电话语 6 华中科技大学硕士学位论文 音通道。 2 2 2 数字程控交换系统 数字程控交换系统为襄荆高速公路全线的运营、管理、维护提供不问断的语音 服务数字程控交换机采用主从同步方式。在整个湖北省交通专网形成后，以湖北 省通信中心交换机的时钟为主时钟，荆门通信分中心交换机时钟应从于省中心交换 机时钟。此外，数字程控交换机还具有计费和话务员功能 2 2 3 紧急电话系统 襄荆高速公路紧急电话系统为独立子系统，它为本路沿线驾驶员及路上管理人 员提供一个安全，方便快捷、可靠的紧急救援的通信手段，以报告在高速公路上 任何路段发生的紧急事故、抛锚或其它故障 2 2 4 视频图像传输系统 本系统中，外场监控摄像机采用视频图像一对一传输，视频传输用光端机设置 在外场设各处。从外场到收费站视频图像采用模拟传输；从收费站到收费分中心、 省中心则采用全数字传输。 2 2 5 通信电源系统 通信电源系统主要为本路段通信分中心及沿线各无人通信站的通信设备提供可 靠的供电，为系统稳定运行提供保障。通信电源系统采用4 8 v 高频开关整流模块电 源，它将交流配电、直流配电、高频开关整流器、集中监控模块等集中设置在一个 机架内，该机架与通信系统的交换、传输设备及蓄电池放在一个机房内。通信电源 设备由通信分中心进行管理维护，可对无人通信站的电源进行遥测、遥控、遥信。 7 华中科技大学硕士学位论文 3 视频编码压缩理论 3 1 视频压缩的必要性 传统的模拟闭路电视监控系统的局限性：首先，有线模拟视频信号的传输对距 离十分敏感，当传输距离大于1 0 0 0 米时，信号容易产生衰耗、畸变、群延时，并且 易受干扰，使图像质量下降；其次，有线模拟视频监控无法联网，只能以点对点的 方式监视现场，并且使得布线工程量极大；最后，有线模拟视频信号数据的存储会 耗费大量的存储介质( 如录像带) ，查询取证时十分烦琐。 而数字化视频监控的优点正好克服了模拟闭路电视监控的局限性：首先，数字 化视频可以在计算机网络( 局域网或广域网) 上传输图像数据，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；其次，数字视频可利用计算机 网络联网，网络带宽可复用，无须重复布线；另外，数字化存储成为可能，经过压 缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘中，查询十分简便快捷。 数字化后的视频影像数据信息量十分巨大，从而很容易导致硬盘容量不足。例 如在收费站，车道数最少为2 入2 , 4 1 ，通常设置4 台车道摄像机、4 台收费亭摄像机 和2 台收费广场摄像机。如果所有摄像机均进行连续录像( s p 达到2 5 帧秒) ，采用 m p e g - i 压缩方式，收费站录像的保存时问通常在3 0 - x 以上，按照以上的条件进行计 算，一路图像一小时需要3 0 0 m b ，十路图像一天需7 2 g b ，3 0 天至少需2 1 6 0 g b 4 1 。 高速公路闭路电视监控系统需要传输的数据量之大，单纯用扩大存储器容量、增 加通信干线的传输速率的办法是不现实的，数据压缩技术是个行之有效的解决办法。 数字视频能否生存的关键在于图像压缩技术。通过数据压缩手段把信息的数据量压 下来，以压缩形式存储和传输，既紧缩节约了存储空间，又提高通信干线的传输率。 3 2 视频压缩标准 视频编码压缩技术基本是由i s o i e c 制定的m p e g x 和r r u t 制定的h 2 6 x 两 8 华中科技大学硕士学位论文 大系列视频编码国际标准的推出 3 z 1u p e l l 广l m p e g - 1 标准是：在数字存储介质中实现对活动图像和声音的压缩编码，编码码 率最高为每秒1 5 兆比特，标准的正式规范在i s o 衄c 1 1 1 7 2 中。 m p e g 1 限于一种基本上固定的码率1 5 m b p s 左右，主要应用于c d - r o m 的图 像压缩存储和音频压缩标准，不具有广播图像所要求的质量。尽管其图像质量仅相 当于v h s 视频的质量，还不能满足广播级的要求，但已广泛应用于远程数字图像监 控、智能小区管理、动力监控环境、交通监控、通信机房监控以及会议电视系统中 3 2 2i 驴卜2 m p e g 2 1 9 1 1 1 0 】是由m p e g 开发的第二个标准。1 9 9 3 年1 1 月汉城会议正式通过了 关于m p eg 2 标准的建议。这个建议包括4 个部分：系统、视频、音频和一致性 m p e g - 2 的编码结构如图3 1 化寰控制 运袱 图3 1m p e g - 2 的编码结构图 m p e g - 2 视频压缩方案中包含以下关键技术环节： 9 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 禺散余弦父珙d c t d c t 是一种空间变换，在m p e g - 2 中d c t 以8 x 8 的像块为单位进行，生成的 是8 x 8 的d c t 系数数据块。 二维离散d c t 变换( f d c t ) 及其逆过程( i d c t ) ，定义如下【9 】： fo，v)=!co-i手y7厂g，y)c缸垦兰坐c缸(2y+l弘r1l f = i c g 叫厂g ，y ) 锄半。鼢下i 叶 ly = 0 x = oy = o - u1 u l 瓜小糍7 嘶) c ( v 帅，v ) 磐当i t lx = oy = o 1 v1 v l 其中c 伽m ：p ，当u 尸。时。p 。， 经过d c t 变换对于一般的图像都能够将像块的能量集中于少数低频d c t 系数 上，即生成8 x 8 d c t 系数块中，仅左上角的少量低频系数数值较大，其余系数的数 值很小，这样就可能只编码和传输少数系数而不严重影响图像质量。 2 ) 量化器 量化是针对d c t 变换系数进行的，量化过程就是以某个量化步长去除d c t 系 数。 c 。c u ，v ，= m i r o u n d ( ( 3 2 ) 式中q ( 1 1 v ) 是量化器的步长，c ( i i ，v ) 是图像经过d c t 变换后的系数，c q ( u v ) 为量化后的系数。r o u n d ( ) 函数为四舍五入运算，i n t ( ) 函数为取整运算。 量化步长的大小称为量化精度，量化步长越小，量化精度就越细，包含的信息 越多，但所需的传输频带越高。不同的d c t 变换系数对人类视觉感应的重要性是不 同的，根据视觉感应准则，对一个8 x 8 的d c t 变换块中的6 4 个d c t 变换系数采用 不同的量化精度，以保证尽可能多地包含特定的d c t 空间频率信息，又使量化精度 不超过需要。d c t 变换系数中，低频系数对视觉感应的重要性较高，因此分配的量 1 0 华中科技大学硕士学位论文 化精度较细；高频系数对视觉感应的重要性较低，分配的量化精度较粗，通常情况 下，一个d c t 变换块中的大多数高频系数量化后都会变为零 3 ) 之型扫描与游程编码 d c t 变换产生的是一8 x 8 的二维数组，为进行传输，还须将其转换为一维捧列 方式。之型扫描是最常用的一种二维到一维的转换方式。如图3 2 所示。 ， a c 系数开始 图3 2d c r 变换系数之型扫描图 经量化后，大多数非零d c t 系数集中于8 x 8 二维矩阵的左上角，即低频分量区， 之型扫描后，这些非零d c t 系数就集中于一维排列数组的前部，后面跟着长串的量 化为零的d c t 系数。 游程编码中，只有非零系数被编码一个非零系数的编码由两部分组成：前一 部分表示非零系数前的连续零系数的数量( 称为游程) ，后一部分是那个非零系数。之 型扫描在大多数情况下出现连零的机会比较多，游程编码的效率就比较高。当一维 序列中的后部剩余的d c t 系数都为零时，只要用一个一块结束”标志( e o b ) 来指示， 就可结束这一8 x 8 变换块的编码，产生的压缩效果是非常明显的。 钔熵编码 量化仅生成了d c t 系数的一种有效的离散表示，实际传输前，还须对其进行比 特流编码，产生用于传输的数字比特流。熵编码是基于编码信号的统计特性，使得 平均比特率下降。熵编码中使用较多的一种是霍夫曼编码，m p e g - 2 视频压缩系统中 采用的就是霍夫曼编码。霍夫曼编码中，在确定了所有编码信号的概率后生成一个 1 1 华中科技大学硕士学位论文 码表，对经常发生的大概率信号分配较少的比特表示，对不常发生的小概率信号分 配较多的比特表示，使得整个码流的平均长度趋于最短。 5 1 运动估计 运动估计使用于帧间编码方式时，通过参考帧图像产生对被压缩图像的估计。 运动估计以宏块为单位进行，计算被压缩图像与参考图像的对应位置上的宏块问的 位置偏移。这种位置偏移是以运动矢量来描述的，一个运动矢量代表水平和垂直两 个方向上的位移。运动估计时，p 帧和b 帧图像所使用的参考帧图像是不同的。p 帧图像使用前面最近解码的i 帧或p 帧作参考图像，称为前向预测；而b 帧图像使 用两帧图像作为预测参考，称为双向预测，其中一个参考帧在显示顺序上先于编码 帧( 前向预测) ，另一帧在显示顺序上晚于编码帧( 后向预测) ，b 帧的参考帧在任何情 况下都是i 帧或p 帧。 6 1 运动补偿 利用运动估计算出的运动矢量，将参考帧图像中的宏块移至水平和垂直方向上 的相对应位置，即可生成对被压缩图像的预测。在绝大多数的自然场景中运动都是 有序的。因此这种运动补偿生成的预测图像与被压缩图像的差分值是很小的 3 z 3 m p e ( 广4 运动图像专家组m p e g 于2 0 0 0 年年初正式将m p e g - 4 成为国际标准。 m p e g - 4 儿1 的编码理念是：m p e g - 4 标准同以前标准的最显著的差别在于它是采 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问和空间上相互联系 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。 i v i 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 - 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。与m p e g - l 、m p e g - 2 相比。m p e g - 4 i - 1 4 1 具有如下独特的优点： 1 ) 基于内容的交互性 华中科技大学硕士学位论文 m p e g - 4 提供了基于内容的多媒体数据访问工具，如索引、超级链接、上下载、 删除等。利用这些工具，用户可以方便地从多媒体数据库中有选择地获取自己所需 的与对象有关的内容，并提供了内容的操作和位流编辑功能，可应用于交互式家庭 购物，淡入淡出的数字化效果等。 高效的压缩性 m p e g - 4 基于更高的编码效率。同已有的或即将形成的其它标准相比，在相同的 比特率下，它基于更高的视觉听觉质量，这就使得在低带宽的信道上传送视频、音 频成为可能。 3 ) 通用的访问性 m p e g - 4 提供了易出错环境的鲁棒性，来保证其在许多无线和有线网络以及存储 介质中的应用。 这些特点无疑会加速多媒体应用的发展，从中受益的应用领域有：因特网多媒 体应用；广播电视；交互式视频游戏；实时可视通信；交互式存储媒体应用；演播 室技术及电视后期制作；采用面部动画技术的虚拟会议；多媒体邮件；移动通信条 件下的多媒体应用；远程视频监控；通过a t m 网络等进行的远程数据库业务等。 3 2 4h 2 6 3 h 2 6 3 ”】是基于运动补偿的d p c m 的混合编码，在运动补偿的d p c m 混合编码， 在运动搜索的基础上进行运动补偿，然后运用d c t 变换和“之”字形扫描编码，从 而得到输出码流。h 2 6 3 在h 2 6 1 建议的基础上，将运动矢量的搜索增加为半象素点 搜索；又增加了无限制运动矢量、基于语法的算术编码、高级预测技术和p b 帧编码 等四个高级选项1 6 1 ；从而达到了进一步降低码速率和提高编码质量的目的。 3 2 5h 2 6 4 h 2 6 4 是1 1 1 j - t 的v c e g ( 视频编码专家组) 和i s o i e c 的m p e g ( 活动图像编 码专家组) 的联合视频组( j v t ：j o i n tv i d e ot e a m ) 开发的一个新的数字视频编码标 准，它既是i t u t 的h 2 6 4 ，又是i s o i e c 的m p e g - 4 的第l o 部分。 h 2 6 4 a v c 项目最初的目标1 1 7 】0 9 是希望新的编解码器能够在比相对以前的视 华中科技大学硕士学位论文 频标准( 比如m p e g - 2 或者h 2 6 3 ) 低很多的码率下( 比如说，一半或者更少) 提供 很好的视频质量；同时，并不增加很多复杂的编码工具，使得硬件难以实现 1 ) h 2 6 4 编码模型 图3 3h 2 6 4 编码模型 2 ) h 2 6 4 编码主要分四个阶段 ( 1 ) 把每帧图像分割成多个像素块，使得处理能够在区块层级上进行。 ( 2 ) 利用帧内的空间冗余性，对某些原始块通过空间预测、变换、量化以及 熵编码( e n t r o p y - c o d i n g ) 或是可变长度编码技术进行编码 ( 3 )利用帧内剩余的任何空间冗余性，对残值块( r e s i d u a lb l o c k s ) 进行编码； 残值区块是原始块和预测块之间的差值，编码方式还是通过变换、量化以及熵编码 技术。 ( 4 )利用帧间的时间相关联性( t e m p o r a ld e p e n d e n c i e s ) ，这样就只需对连续 帧之间的变动部份进行编码，这可由运动估计( m o t i o n e s t i m a t i o n ) 和补偿来完成 3 ) h 2 6 4 的技术特点： ( 1 ) 分层设计 h 2 6 4 a v c 标准系统层结构如图3 4 。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 文件格 p 口格式 图3 4h 2 6 4 a v c 标准系统层结构 h 2 6 4 的算法在概念上可以分为两层：视频编码层( v c l ：v i d e oc o d i n gl a y e r ) 负责高效的视频内容表示，网络提取层( n a lzn e t w o r ka b s t r a c t i o nl a y e r ) 负责以 网络所要求的恰当的方式对数据进行打包和传送。在v c l 和n a l 之间定义了一个 基于分组方式的接口，打包和相应的信令属于n a l 的一部分。这样，高编码效率和 网络友好性的任务分别由v c l 和n a l 来完成。 ( 2 ) 高精度、多模式运动估计 t 2 6 4 支持1 4 或1 8 像素精度的运动矢量。在1 4 像素精度时可使用6 抽头滤 波器来减少高频噪声，对于1 8 像素精度的运动矢量，可使用更为复杂的8 抽头的滤 波器。在进行运动估计时，编码器还可选择”增强”内插滤波器来提高预测的效果。 ( 3 ) 4 4 块的整数变换 h 2 6 4 与先前的标准相似，对残差采用基于块的变换编码，但变换是整数操作而 不是实数运算，h 2 6 4 之前的视频编码标准大都采用n x n2 - d 浮点d c t 变换，包含 大量乘法运算，占用较多运算时间，并需要进行舍入，造成d c t 和i d c t 变换中误 差的积累。 h 2 6 4 采用4 4 整型相似d c t 变化式1 1 9 1 如下： y = c f x c f o e f 1 5 华中科技大学硕士学位论文 l ll 2l l l 一1 一l 1 22 2i11 、 一= 孙 一2 l 一1 j j a 2a b 2 a 2a b l 2 a b l 2b 2 4 a b 2b 2 4 a 2 a b l 2 a 2a b 2 a b 2b 2 4 a b 2b 2 4 式中口= j 1 ，6 = ；。 ( 3 3 ) 核心运算本身不需要进行乘法运算，将大大提高系统运算速度，同时却可以获 得基本等同于d c t 变换的压缩效率。变换的单位是4 x 4 块，而不是以往常用的8 x 8 块 由于用于变换块的尺寸缩小，运动物体的划分更精确，这样不但交换计算量比较小， 而且在运动物体边缘处的衔接误差也大为减小。 ( 4 ) 统一的v l c h 2 6 4 中熵编码有两种方法，一种是对所有的待编码的符号采用统一的v l c ( u v l c ：u n i v e r s a lv l c ) ，另一种是采用内容自适应的二进制算术编码( c a b a c ： c o n t e x t - a d a p t i v eb i n a r ya r i t h m e t i cc o d i n g ) 。 ( 5 帧内预测 在先前的h 2 6 x 系列和m p e g x 系列标准中，都是采用的帧间预测的方式。在 h 2 6 4 中，当编码i n c a 图像时可用帧内预测。 ( 6 ) 面向m 环境 h 2 6 4 草案中包含了用于差错消除的工具，便于压缩视频在误码、丢包多发环 境中传输，如移动信道或l p 信道中传输的健壮性i 。 3 3 比较分析 1 ) 算法的性能比较 以上各种标准中算法的性能比较如图3 5 吲所示图中横坐标为编码器输出的比 特率，纵坐标表示图像质量，用亮度分量的峰值信噪比p s n r 来度量。 1 6 一 忱 。乇，o 华中科技大学硕士学位论文 p $ 1 1 嚯笛 t a n ) 3 t 3 8 猫 勰 岛 轮 3 1 街 2 a 嚣 2 7 嚣 篇 j 第，。 z ， 囊z 二 ， t j 。 荔 覆 o f * * h j _ 一e m 薛譬2 - 摊0黼 量一 8翮毓瓣 啪2 0 0 0 嚣啊嗣瑚；跚 比特率(ibits) 图3 5 四种视频编码标准中算法性能比较 由图可以看出，在图像编解码效率上，h 2 6 4 算法最为领先，m p e g - 4 和h 2 6 3 算法基本相当，m p e g - 2 算法效率最低在同样的图像清晰度要求( p s n r 值) 下， h 2 6 4 所需要的带宽比m p e g - 2 节省将近一半同样，不论在高带宽、还是低带宽， h 2 6 4 的清晰度( p s n r 值) 都远远大于其他编码标准。 h 2 6 4 的高效性是建立在其实现的高复杂度的算法基础上，就其基本规范 ( b a s e l i n ep r o f i l e ) 而言，解码器复杂度将是h 2 6 3 解码器的3 倍左右，而编码器的 复杂度更是高达l o 多倍；m p e g - 2 相比，h 2 6 4 的计算复杂度也要提高两倍以上。 这对当前的多媒体处理芯片性能提出了极大的挑战，意味着生产成本的提高。 2 ) 应用性能比较 以上各种标准应用性能比较如表3 1 。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 表3 1 监控图像应用性能比较嘲 注：h 2 6 4 兼顾h 2 6 3 和m p e g - 4 适用范围，其传输带宽也相应分为两种。 3 4 标准选择 在标准与算法选择时，一个复杂的平衡关系存在于以下因素之间：视频的质量、 用来表示视频所需要的数据量( 通常称之为码率) 、编码算法和解码算法的复杂度， 针对数据丢失和错误的鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 、编辑的方便性，随机访问、编码算法设 计的完美性、端到端的延时以及其它一些因素 m 班好2 是一种图像编解码标准，既可以用于计算机通信网络，又可以用于电视 广播网中，提供高质量的压缩数字图像。尽管不断有新的码率压缩方法出现，但 m p e g - 2 在实用化方面已远远走在前面。m p e g 2 标准的制定基于高质量图像和高压 缩比之间平衡的考虑，所制定的算法不仅达到了很高的压缩比，而且仍保持了很好 的图像质量，并且能够满足随机存取的要求。m p e g - 2 作为数字图像压缩的项世界 先进技术，以及其广泛的应用前景，已吸引了许多研究机构和企业进行技术研究和 华中科技大学硕士学位论文 产品开发。 通过对几种图像压缩算法的比较，可以看出m p e g - 2 图像压缩标准在图像质量 和图像应用领域具有很大的优势。而且m p e g - 2 编码技术已相当成熟。 综合以上因素，在湖北襄荆高速公路路段的闭路电视监控系统中，视频编码部 分采用m p e g - 2 标准 1 9 华中科技大学硕士学位论文 4 1 视频处理器概述 4 视频处理器方案设计 视频处理器是数字化网络视频监控系统中核心部分，其主要功能是对采集的视 频图像数据进行压缩，在保证一定质量的前提下，以最少比特数表示视频图像，以 便降低对视频图像传输时的带宽要求。 采用的m p e g - 2 编解码技术和i p 、s d h 宽带通信技术可提供高品质的数字图像 及音频，话音和数据业务，满足对图像质量要求较高的应用需求。 4 2 基于m p e g - 2 的视频处理器硬件框图 基于m p e g 2 的视频处理器硬件主要分为以下五个模块【3 1 】：蝴码器，前处理 模块、m p e g 2 编码器、输出单元、主控c p u 。 硬件原理图如图4 1 1 3 0 - 3 5 1 。 1 1 蝴码器 图4 1 肝e g - 2 视频处理器硬件原理图 华中科技大学硕士学位论文 p a l 解码器主要功能是对输入的p a l 复合信号( 来自收费站的各摄像机) 进行解 码，输出y c h c t 分量信号( 4 ：2 ：2 。p a l 解码器的质量通常对整个处理系统的性能指 标有非常重要的作用，并将影响最终的图像质量，采用8 倍色副载波对输入的模拟信 号进行采样，再用数字梳状滤波器来完成亮色分离。 2 1 前处理模块 前处理模块位于p a l 解码器与m p e g - - 2 编码器之间，主要功能： ( 1 ) 给p a l 解码器和m p e g - - 2 编码器提供象素接口控制信号，其参数受c p u 的控 制； ( 2 ) 对p a l 解码器输入的视频信号进行必要的限幅，使其满足c c l r