（计算机应用技术专业论文）嵌入式网络实时视频传输系统的研究和实现.pdf

摘要 本课题重点研究基于嵌入式的网络实时传输系统，在深入分析和研究了嵌入式 操作系统及视频压缩编码算法后，针对现有的各种数据传输协议存在的不足，提出 了一种新的基于用户体验的网络实时视频传输控制策略，为视频传输控制提供了一 种新的思路；为方便用户的访问，实现了轻量级w e b 服务器l i g h t t p d 在本系统嵌入 式平台上的移植；同时，针对目前视频传输系统中普遍缺乏的用户访问控制与用户 权限控制，将h t t p s 与c g i 技术相结合，在嵌入式平台上引入了客户端认证和基 于角色的访问控制，大大提高了系统的安全性。 关键词：视频监控，实时视频传输，嵌入式系统，h 2 6 4 a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u s e so ne m b e d d e dr e a l - t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e m a f t e ri n - d e p t ha n a l y s i s a n dr e s e a r c ho fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m sa n dv i d e oc o m p r e s s i o na l g o r i t h m s ，an e w u s e r - e x p e r i e n c eb a s e dr e a l t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o nc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e dt oo v e r c o m e t h es h o r t c o m i n g so fv a r i o u se x i s t i n gd a t at r a n s f e rp r o t o c o l s f o rt h ec o n v e n i e n c eo ft h eu s e r s a c c e s st ot h es y s t e m ，l i g h t w e i g h tw e bs e r v e rl i g h t t p di sp o r t e d c u r r e n t l y , v i d e ot r a n s m i s s i o n s y s t e m sg e n e r a l l yl a c ku s e ra c c e s sc o n t r 0 1 w i t ht h ei n t r o d u c t i o no fc l i e n t - s i d ea u t h e n t i c a t i o n i l lh 订p sa n dr o l e - b a s e da c c e s sc o n t r o lt h r o u g hc g i ，t h e s et w op t o c 0 l sa r ec o m b i n e dt o i m p r o v et h es e c u r i t yo fs y s t e m y a n gb a n g l i a n g ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f x ul e i k e yw o r d s ：s u r v e i l l a n c e ，r e a l t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，h 2 6 4 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t 。i 第一章绪论l 1 1 选题的背景及意义1 1 2 国内外发展现状2 1 2 1 视频监控发展状况。2 1 2 2 视频传输发展现状4 1 3 本文主要工作和章节安排5 第二章嵌入式视频传输技术基础7 2 1 嵌入式操作系统7 2 2 视频编码平台方案。1 0 2 3 视频压缩编码标准1 1 2 3 1 视频压缩可行性1 l 2 3 2 视频压缩基本概念1 l 2 3 3 常用视频压缩编码标准12 2 5 浏览器服务器模式1 6 第三章开发平台与系统概述。l8 3 1 开发平台18 3 2 系统构成2 0 3 2 1 视频监控系统的构成2 0 3 2 2 视频传输系统的构成一2 0 3 2 3 嵌入式w 曲服务器实现2 l 3 3 系统流程2 2 第四章视频实时传输控制2 4 4 1 现有传输协议分析2 4 4 1 1t c p 2 4 4 1 2u d p 2 5 4 1 3r t p r t c p 2 6 4 2 基于用户体验的网络实时视频传输控制策略2 8 4 2 1 自适应传输策略目标2 8 4 2 2 快降谨升策略2 9 4 3 传输控制策略的测试3 l 4 3 1 测试对象3l 4 3 2 理论分析3 2 4 3 3 测试方案3 3 4 3 4 测试结果3 4 第五章访问认证与角色分配3 7 5 1 访问认证与角色分配的必要性3 7 5 2 访问认证3 7 5 2 1 访问认证方式3 7 5 2 2 客户端认证的实现3 8 5 3 角色分配3 8 l i 3 9 3 9 3 9 4 2 4 3 4 5 4 6 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 视频监控是各企业和工厂主要的安防手段，但目前普遍使用的视频监控系统仍 处于第一代全模拟系统或第二代部分数字化阶段，具有铺设费和设备费高、施工周 期长等缺点。目前监控系统正朝着第三代完全数字化阶段发展。 相较于一、二代监控系统，第三代完全数字化视频监控具有许多优点【l 】： ( 1 ) 便于计算机处理。由于对视频图像进行了数字化，所以可以充分利用计算 机的快速处理能力，对其进行压缩、分析、存储和显示。 ( 2 ) 适合远距离传输。数字信号抗干扰能力强，不易受传输线路信号衰减的影 响，而且能够进行加密传输，因而可以在数千公里之外实行实时监控。 ( 3 ) 监控方式灵活。只要视频监控网络与企业计算机网络连在一起，那么系统 前端的视频信号就可以直接进入以太网、i n t r a n e t 网【2 1 ，甚至i n t e r a c t 网【3 】，被授权 的用户只要有i n t e r a c t 连接就可以在任何地方任何时候进行现场监控，极大地方便 了终端用户。 ( 4 ) 监控网络的建设费和维护费低廉。由于数字化视频监控可以铺设在技术成 熟、网络普及的i p 网【4 】上，因此其在监控网络的建设和维护费用上相较于一、二代 要低廉许多。 然而虽然第三代视频监控系统在功能和性能上得到了极大的提高，但是由于一 些传统设计的影响，使其在安全性和实用性上都大打折扣。 本系统是基于嵌入式的网络实时视频传输系统，是在现有的计算机网络平台 上，将网络技术、嵌入式技术和视频图像处理技术相结合的系统，能够大量节省传 统视频监控网络建设的设备费、线路费、维修费和工程费等费用，缩短工程安装周 期，提高计算机网络资源的利用率，可取得显著的经济效益和社会效益，适合我国 国情。本系统具有高度的开放性、集成性、安全性和灵活性，为视频监控系统和设 备的整体性能提升创造了必要的条件，它不但适用于各类工厂、企业等工业控制场 所，而且在教育系统、科技系统、电业系统、银行系统和公安系统的视频监控方面 有着广泛的推广及应用前景。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 视频监控发展状况 图像监控一直是人们关注的应用技术热点之一，它以其直观、方便、信息内容 丰富而被广泛应用于许多场合。在电子技术与通信技术的发展过程中，图像监控系 统的技术水平，直接反映了不同阶段电子与通讯的技术状况。视频监控系统的发展 大致经历了三个阶段【5 】： ( 1 ) 在2 0 世纪9 0 年代初以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统， 称为第一代模拟监控系统。从摄像机、电视机出现的那天起，原始的图像监视系统 就已诞生。它被广泛应用于保安、生产管理等场合。本地图像监控系统主要由摄像 机、视频矩阵、监视器、录像机等组成，由视频线、控制线缆等连接。模拟监控系 统一般采用模拟方式信号传输，采用视频电缆( 少数采用光纤) ，传输距离不能太 远，主要应用于小范围内的监控，如大楼监控等。监控图像一般只能在控制中心查 看。 ( 2 ) 9 0 年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展，出现的基于 p c 机的多媒体主控台系统称为第二代数字化本地视频监控系统。这种系统利用计算 机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，利用显示器的高分辨率实现图像的 多画面显示，从而大大提高了图像质量。数字视频压缩编码技术的日益成熟，微机 的普及化，为基于p c 的多媒体监控创造了条件。这种监控系统是一般采用下面的 结构：在远端监控现场，有若干个摄像机、各种检测、报警探头与数据设备，通过 各自的传输线路，连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，系统利用视频压缩卡和通信接口卡，通过通信网络，将这些信息 传到一个或多个监控中心。基于p c 的多媒体监控系统功能较强，但稳定性不够好， 功耗高，需要有人值守，同时，软件的开放性也不好。 ( 3 ) 9 0 年代末，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 各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字化的网络时代，称为第三代 远程数字视频监控系统。近两年随着远程监控系统被越来越多的应用于各个领域， 对视频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 实用的视频监控系统的开发和设计正越来越多地受到人们的瞩目。基于嵌入式技术 的网络化视频监控系统应运而生f 6 】。 目前，国外的数字视频监控技术正朝着多元化和网络化方向发展，技术水平较 高的是美国、以色列等国。其中e l i 于美国在集成电路、数字通信和图像压缩技术上 2 华北电力人学硕士学位论文 的优势和长期的积累，在这一领域处于明显的领先地位。如美国的d i g i g u a r di 型数 字监控系统是一个功能全面、突出远程传输的数字安全防范系统，具有多画面同时 监控录像回放、软件图像检测和硬件感应器触发报警，可在5 6 k b p s 普通电话线条 件下，传输q c i f ( 3 8 4 x 2 8 8 ) 格式图像，其帧速率可达1 0 f p s 以上，并可在远程计算 机上实时监视、控制、记录监控端采集的视频信号：d i g i g u a r di i 型系统支持局域网 和i n t e r a c t 方式。在1 0 m b p s 局域网中，传输q c i f ( 3 8 4 x 2 8 8 ) 格式图像，帧速率可 达2 5 帧秒，每一个监控端可达1 6 路视频信号输入，切换与轮巡方式显示，1 6 路 警报信号输入，2 路继电器输出，l 路音频对讲，支持远程操作及控制等功能；以 色列d i m e x 公司的d 2 v r 数字视频网络监控系统具有图像自动压缩功能，压缩比可 在2 1 0 0 之间由用户自定义，视频信息可通过网络实现共享、实现远程监视，捕获 的图像质量高，回放时不会出现闪烁不稳定情况，可同步输入4 到1 6 路视频信息， 并具有“w a t c hd o g 监控机制，在系统遇到意外中断时能自动重新启动等优良性能。 但这些系统由于价格昂贵，不适合我国国情，难以在我国推广应用【_ 7 1 。 国内视频监控技术水平比国外要相对落后一些。首先，由于受i c 集成电路设 计制造水平的限制，目前国内较少有自主版权的视频编码压缩专用芯片；另外，在 数字视频采集压缩的板卡产品中，国内市场也大多数是进口产品，较有影响的数字 视频压缩卡研发公司有北京的银河公司，但在市场上处于低档产品，市场占有率也 不大，缺乏影响力；其次，国内从事视频监控系统开发具有代表性的公司，如三泰 电子公司、厦华电子公司等，其产品与国外先进水平相比，也存在以下几方面明显 的差距f 8 】： ( 1 ) 系统可靠性差、功能弱。目前国内视频监控终端机都是采用工控p c 机加上 视频数据压缩卡( 或采集卡) 方案进行构造，并没有按视频监控系统专用设备的要求 进行优化设计。因此易造成板卡和插槽等接触不良而导致系统可靠性降低；另外， 很多国产系统没有事件报警、远程监控和信息处理功能。 ( 2 ) 视频数字化处理关键基础件对国外公司依赖性强。除进口外，国产的数字 视频监控系统关键基础件一一数字视频编码压缩模块设计都是基于国外公司生产 的专用硬件芯片( 如w i n b o n d 的m p e g 芯片) 。因此系统的性能、价格、升级等受到 国外公司的很大牵制，并存在国外芯片厂家被认购并而导致无法供货或无法技术支 持等风险。 ( 3 ) 多画面视频播放器效率低，影响远程监控的图像清晰度和质量。远程监控 系统的监视器，一般要同时播放8 路、1 6 路，甚至更多的监控信息，目前的视频播 放器没有有效解决多路视频信号实时播放问题。 ( 4 ) 网络传输实时性和视频流系统复合同步性较差。目前视频监控系统的网络 传输采用t c p i p 协议，但单纯的t c p i p 难以适应连续监控视频流的通信要求，易 产生信号网络传输较大延时，并影响视频流的同步和视频图像质量。 3 华北电力大学硕士学位论文 有资料显示，去年全球在网络视频产品的投入为5 2 个亿，而预计到2 0 0 5 年将 会超过9 8 个亿，每年增长达2 2 ，其中网络视频方面的服务性收入也将由现在的 6 8 0 0 万美元上升到1 0 亿美元。由于数字视频监控产品潜在的巨大市场和可观经济 效益，我国现有许多企业、高校和科研机构在从事与数字视频监控相关的技术研究 和系统开发，己有一批可以实用化的成果。但就目前的数字视频监控系统而言，在 视频压缩、分析、传输、存储和分级控制等方面仍有待提高和完善。因此，开发技 术含量高的，适用于各种i p 网络环境的多媒体视频传输系统己是势在必行【9 1 。 1 2 2 视频传输发展现状 近年来，如何提高i n t e m e t 上实时视频传输质量的研究面临着许多挑战，主要 集中在解决以下几个问题： ( 1 ) 带宽。为了获得用户可接收的视频质量，网络视频流式传输需要一定的带 宽。但目前的i n t e m e t 并不给此类应用提供带宽预留，而且传统的路由器并不积极 参与网络拥塞控制，过高的通信量会导致拥塞，使得实时传输难以进行。 ( 2 ) 丢包。丢包使得接收视频质量下降，实时多媒体的传输可以允许一定的丢 包率，但必须进行严格的控制。i n t e m e t 不对丢包率提供保证，当网络拥塞时会造成 丢包率的上升，难以保证实时视频流式传输的质量。 ( 3 ) 延时。普通的数据传输没有严格的延时限制，但实时传输对端到端的延时 是有严格限制的，比如小于1 5 ，否则就谈不上实时传输了。为了保证视频的连续播 放，每个数据包必须及时到达服务请求端，供解码并播放，如果数据包在限制时间 之后才到达，那么就被认为是无用包，将被丢弃。i n t e m e t 不提供延时保证，其上的 网络拥塞、数据包传输的路径不同，都会造成延时，不能满足实时传输的需要。 到目前为止i n t e m e t 中有很多的q o s e m 】控制机制，从总体上来说，大致分为基 于网络和基于终端系统两种。基于网络的方法是由网络中的路由器、交换机等提供 q o s 支持，比如增加带宽、根据优先级进行通路优先算 法( d i f f s e r v ) 1 1 】、资源预留服 务( r s v p ) 1 2 等。其中，资源预留是最直接的方法，但它要求沿途所有的路由器都支 持该协议，否则q o s 得不到保障，而目前大多数的路由器都没有此功能：此外，为 了提供q o s 保障，r s v p 经常造成网络资源的过度分配，未能充分利用网络资源。 根据优先级进行通路优先算法则是对不同的网络应用分配不同的优先级，优先保证 优先级最高的应用所需要的网络资源。但如何根据不同的网络应用设置不同的优先 级，并将优先级映射到不同的路由器优先级，以及该方法所带来的性能增益仍在研 究之中【13 1 。 基于终端系统的方法是在应用层对q o s 进行控制，由服务器和客户端采取q o s 控制措施来提高视频质量，通过对网络状态的估测来获取网络状态信息，然后按某 4 种策略调节源端的输出业务流量与可用带宽匹配来防止拥塞的发生，减少丢包，降 低时延，这种方法的好处在于并不需要对当前的网络和路由器进行任何改造，只是 由端系统的应用程序来实现q o s 控制，因此可以适应于现有的和未来的网络。 目前的i p v 4 协议在制定之初并没有考虑到实时传输业务的需求，尽管后续做了 很多的改进和扩充，但其仍不适合实时多媒体视频通信。要在i p 网络上传输实时视 频信息，必须在对视频数据传输的特点进行具体分析的基础上，充分研究i p 网络上 现有的传输协议，从中选择适合进行视频传输的协议，或者是制定新的适合实时视 频传输的协议，保证视频的传输质量。这也是本文重点研究和解决的问题之一。 1 3 本文主要工作和章节安排 针对嵌入式这一特定平台上的实时视频传输系统，本文重点研究与之相应的若 干核心技术，主要体现在g ( 1 ) 深入研究和分析了u c l i n u x 操作系统，在剖析其内核结构基础上，重点研究， 了t c p i p 协议栈。 ( 2 ) 对新一代的视频编码标准h 2 6 4 m p e g 4a v c 进行了分析，将其与已有的 视频编码标准进行了对比，为提出一种新的视频传输策略做好理论准备。 ，、 ( 3 ) 结合本系统的实际性能与功能需求，实现了轻量级w e b 服务器l i g h t t p d 的 移植，极大方便了终端用户的使用。 ( 4 ) 在分析现有的视频传输控制策略基础之上，结合图像自身应用的特点，提若， 出了一种新的视频传输控制策略，并在实验环境中测试了新的控制策略，获得了不 错的效果。 ( 5 ) 针对目前视频传输系统中普遍缺乏的访问与权限控制，将h t t p s 与c g i 技 术相结合，提高了系统安全性与可控性。 本文共分六章： 第一章绪论。这一章首先介绍了本课题的研究背景和意义，同时概述了监控 系统的发展历史并突出了本课题在其中的重要作用。 第二章嵌入式视频传输技术基础。这一章主要对本课题中涉及到得技术基础 做了分析研究，主要包括嵌入式操作系统、视频编码平台、视频压缩编码标准和浏 览器服务器模式四个方面。 第三章开发平台与系统概述。这一章论述了系统开发平台的选择以及在此平 台上系统的总体架构和流程。 第四章视频实时传输控制。这一章在分析了已有的传输协议基础上提出了一 种新的基于用户体验的网络实时视频传输控制策略，并对其加以测试分析，基本达 5 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章嵌入式视频传输技术基础 2 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统【1 4 】是安装于专用系统或设备中、具有通用操作系统的基本功 能、执行计算和数据处理功能的操作系统。与通用操作系统相比，嵌入式操作系统 具有配置专一、结构紧凑、坚固可靠等特点。近年来，嵌入式操作系统得到了飞速 的发展，从仅支持单一品种的微处理器到支持多品种的微处理器；从仅包含任务调 度、内存管理、进程间通讯等基本功能到不仅提供可以与通用操作系统相比的普通 功能外，还提供其他如文件系统、t c p i p 网络协议、窗口系统等特殊功能。 目前，主流的嵌入式操作系统有v x w b r k s ，q n x ，w i n d o w sc e ，p s o s 及由l i n u x 发展起来的嵌入式l i n u x 等。其中，v x w o r k s 使用最为广泛，市场占有率最高。其 突出特点是实时性强( 采用优先级抢占和轮转调度等机制) ；q n x 是基于p c 的实时 多任务、可扩展的操作系统。它具有微内核结构，用户可根据需要选择其中一些组 件来定制操作系统。其核心加上实时p o s i x 环境和一个完整的窗口系统还不到 1 m b ：m i c r o s o f tw i n c e 的核心体积庞大，实时性能也不是很好，但由于w i n d o w s 系列友好的用户界面和为程序员所熟悉的a p i 仍占据着很大的市场份额。 嵌入式“n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) 是指对普通l i n u x 经过小型化裁剪后，能够固化 在容量只有几百k 字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场 合的专用l i n u x 操作系统。相较于其他嵌入式操作系统，嵌入式l i n u x 操作系统具 有如下得天独厚的优势： ( 1 ) l i n u x 是开放源代码的，不存在黑箱技术，遍布全球众多的l i n u x 爱好者又 是l i n u x 开发的强大技术后盾。开放源代码意味着对新设计、制造的嵌入式芯片的 快速支持。嵌入式系统的应用领域通常要求系统高度个性化、高度细分，因此，对 新芯片的快速支持是一个好的适合推广的嵌入式操作系统必须具备的能力； ( 2 ) l i n u x 拥有大量的且不断增加的开发工具，这些工具为嵌入式系统的开发提 供了良好的开发环境。大量的免费工具和网上资源可以利用，节省了用户的开发投 入，也缩短了产品的研发周期； ( 3 ) l i n u x 的开放源码易于定制和裁剪，灵活的模块化定制方式，保证更快速地 定制出符合客户需求的嵌入式系统。个性化的市场需求、个性化的设计，l i n u x 先 天的模块化设计提供了无与伦比的定制能力。目前同样的是2 0 0 k b 大小的核心， l i n u x 系统比w i n d o w sc e 具备更强大的功能； ( 4 ) l i n u x 的内核小，功能强大，运行稳定，系统健壮，效率高。l i n u x 内核只 7 华北电力大学硕士学位论文 占用很小的内存空间，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 t i u mc p u 系统的1 0 0 k b 内存。只要有5 0 0 k b 的内存，一个有网络栈和基本实 用程序的l i n u x 系统就可以在一台8 位总线的i n t e l3 8 6 微处理器上运行。l i n u x 系 统甚至可以仅使用2 5 6 k br o m 和5 1 2 k br a m 进行工作； ( 5 ) l i n u x 不仅支持x 8 6c p u ，还可以支持其它数十种c p u 芯片； ( 6 ) l i n u x 以稳定著称，而系统稳定可靠、性能优异是嵌入式产品必不可少的品 质之一； ( 7 ) l i n u x 沿用了u n i x 的发展方式，遵循国际标准，可以方便地获得第三方软 硬件厂商的支持； ( 8 ) l i n u x 在价格上极具竞争力。成本一直是开拓市场的重要因素，嵌入式l i n u x 继承了这一优点，继续向嵌入式领域的用户提供价廉物美的操作系统； ( 9 ) l i n u x 内核的结构在网络方面是非常完整的，它提供了对十兆、百兆、千兆 以太网，无线网络，令牌网，光纤网以及卫星等多种联网方式的全面支持。强大的 网络功能是嵌入式系统的未来发展方向，而l i n u x 号称“网络之子 ，正是伴随着网 络一步步发展起来的，其完善的网络功能是其它操作系统所不能比拟的。 此外，在图像处理、文件管理及多任务支持等诸多方面，l i n u x 的表现也都非 常出色，因此它不仅可以充当嵌入式系统的开发平台，其本身也是嵌入式系统开发 的好工具。正因为l i n u x 具有众多的优点，使得l i n u x 嵌入式操作系统备受青睐， 在嵌入式领域中得到了飞速发展，目前常见的嵌入式l i n u x 操作系统主要有如下7 个： ( 1 ) r t - l i n u x 这是由美国墨西哥理工学院开发的嵌入式l i n u x 操作系统。到目前为止，r t - l i n u x 已经成功地应用于航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控和电影特技图像 处理等广泛领域。r t - l i n u x 开发者并没有针对实时操作系统的特性而重写l i n u x 的内核，因为这样做的工作量非常大，而且要保证兼容性也非常困难。为此，r t - l i n u x 提出了精巧的内核，并把标准的l i n u x 核心作为实时核心的一个进程，同用户的实 时进程一起调度。这样对l i n u x 内核的改动非常小，并且充分利用了l i n u x 下现有 的丰富的软件资源。 ( 2 ) u c l i n u x u c l i n u x 是l i n e o 公司的主打产品，同时也是开放源码的嵌入式l i n u x 的典范 之作。u c l i n u x 主要是针对目标处理器没有存储管理单元m m u( m e m o r y m a n a g e m e n tu n i t ) 的嵌入式系统而设计的。它已经被成功地移植到了很多平台上。 由于没有m m u ，其多任务的实现需要一定技巧。u c l i n u x 是一种优秀的嵌入式 l i n u x 版本，是m i c r o c o n t r 0 1 l i n u x 的缩写。它秉承了标准l i n u x 的优良特性，经 过各方面的小型化改造，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式l i n u x 。虽然 r 华北电力大学硕士学位论文 它的体积很小，却仍然保留了l i n u x 的大多数的优点：稳定、良好的移植性、优秀 的网络功能、对各种文件系统完备的支持和标准丰富的a p i 。它专为嵌入式系统做 了许多小型化的工作，目前已支持多款c p u 。其编译后目标文件可控制在几百k b 数量级，并已经被成功地移植到很多平台上。 ( 3 ) e m b e d i x e m b e d i x 是由嵌入式l i n u x 行业主要厂商之一l u n e o 推出的，是根据嵌入式应 用系统的特点重新设计的l i n u x 发行版本。e m b e d i x 提供了超过2 5 种的l i n u x 系统 服务，包括w e b 服务器等。系统需要最小8 m b 内存，3 m br o m 或快速闪存。e m b e d i x 基于l i n u x2 2 内核，并已经成功地移植到了i n t e lx 8 6 和p o w c r p c 处理器系列上。 像其它的l i n u x 版本一样，e m b e d i x 可以免费获得。l u n e o 还发布了另一个重要的 软件产品，它可以让在w i n d o w sc e 上运行的程序能够在e m b e d i x 上运行。l u n e o 还将计划推出e m b e d i x 的开发调试工具包、基于图形界面的浏览器等。可以说， e m b e d i x 是一种完整的嵌入式l i n u x 解决方案。 ( 4 ) x l i n u x x l i n u x 是由美国网虎公司推出，主要开发者是陈盈豪。他在加盟网虎几个月后 便开发出了基于x l i n u x 的、号称是世界上最小的嵌入式l i n u x 系统，内核只有 1 4 3 k b ，而且还在不断减小。x l i n u x 核心采用了“超字元集”专利技术，让l i n u x 核 心不仅可能与标准字符集相容，还含盖了1 2 个国家和地区的字符集。因此，x l i n u x 在推广l i n u x 的国际应用方面有独特的优势。 ( 5 ) p o k e t l i n u x p o k e t l i n u x 由a g e n d a 公司采用、作为其新产品“v r 3p d a ”的嵌入式l i n u x 操作 系统。它可以提供跨操作系统构造统一的、标准化的和开放的信息通信基础结构， 在此结构上实现端到端方案的完整平台。p o k e t l i n u x 资源框架开放，使普通的软件 结构可以为所有用户提供一致的服务。p o k e t l i n u x 平台使用户的视线从设备、平台 和网络上移开，由此引发了信息技术新时代的产生。在p o k e t l i n u x 中，称之为用 户化信息交换( c i e ) ，也就是提供和访问为每个用户需求而定制的“主题”信息的能 力，而不管正在使用的设备是什么。 ( 6 ) m i d o r i l i n u x 由t r a n s m e t a 公司推出的m i d o r i l i n u x 操作系统代码开放，在g u n 普通公共 许可( g p l ) 下发布，可以在其项目主页上立即获得。该公司有个名为“m i d o r i l i n u x 计划”。“m i d o r i l i n u x ”这个名字来源于日本的“绿色”m i d o r i ，用来反映其l i n u x 操作系统的环保外观。 ( 7 ) 红旗嵌入式l i n u x 由北京中科院红旗软件公司推出的嵌入式l i n u x 是国内做得较好的一款嵌入式 操作系统。目前，中科院计算所自行开发的开放源码的嵌入式操作系统e a s y 9 华北电力大学硕士学位论文 e m b e d d e do s ( e e o s ) 也已经开始进入实用阶段了。该款嵌入式操作系统重点支持 p - j a v a 。系统目标一方面是小型化，另一方面能重用l i n u x 的驱动和其它模块。由 于有中科院计算所的强大科研力量做后盾，e e o s 有望发展成为功能完善、稳定、 可靠的国产嵌入式操作系统平台。 综合可移植性、可用性及成本等因素考虑，本文选用u c l i n u x 作为系统的嵌入 式操作系统。u c l i n u x 从l i n u x2 0 2 4 内核派生而来，沿袭了主流l i n u x 的绝大部分 特性。它是专门针对没有m m u 的c p u ，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。 适用于没有虚拟内存或内存管理单元( m m u ) 的处理器。u c l i n u x 为了支持没有m m u 的处理器而对标准l i n u x 作出了必要的修改，它保留了操作系统的所有特性，为硬 件平台更好的运行各种程序提供了保证。在g n u 通用公共许可i 正( g n ug p l ) 的保 证下，运行u c l i n u x 操作系统的用户可以使用几乎所有的l i n u x a p i 函数，不会因为 没有m m u 而受到影响。 2 2 视频编码平台方案 早期的视频编码系统开发通常分为两种：一种是专用硬件设计，用于实时视频 编码；另一种是软件设计，仅用于非实时的图像或视频编码应用。但随着微处理器能 力的提升和内存容量的增大，各种视频编码应用己可以在大多数处理平台上得以实 现，这些平台有：有较高编码性能的通用处理器如个人电脑，针对专门需要设计的 多媒体处理器，嵌入式和d s p 处理器等。目前，将多媒体功能扩展加入到传统的处 理器家族中这一发展趋势，使视频编解码器的处理平台有了更广泛的选择余地。 1 、通用处理器p c 机。由于通用处理器拥有大量编译器和开发工具，以及较强 的处理能力，因此直接采用p c 机实现视频编码具有的好处是；可以利用目前最新 的p c 资源以及较成熟的软件工具。i n t e l 的s s e 2 ( s t r e a ms i m de x t e n s i o n s ) 和 m m x ( 多媒体增强指令集) 提供了较完整的多媒体指令集和流水线。但其缺点是成本 较高，功耗较大，体积臃肿，可移植性差，复杂的视频编码运算由软件完成，不能 有效保证实时视频。 2 、嵌入式处理器。嵌入式处理器具有低功耗、低成本等优点，较好的开发工 具支持，且对实时多任务有很强的支持能力，具可扩展的处理器结构等特点，被广 泛用于移动通信、网络设备和自动化控制中。嵌入式处理器的缺点是性能不太好， 字长、算法和地址空间有限等。 3 、多媒体处理专用芯片。多媒体专用芯片提供了强大的多媒体处理操作，而 且具有丰富的多媒体接口、开发包和必要的资源。但其缺点是成本高、功耗大，无 法灵活升级和应用修改，而且对特殊环境缺乏应变能力，成本上没有优势。 l o 华北电力大学硕士学位论文 4 、数字信号处理器d s p 。d s p 对复杂度较高的信号处理运算有较强的处理能 力，被广泛地应用于雷达及移动通信基站等大运算量、高实时性信号处理等领域。 d s p 的一个重要特征是可以有效地进行重复运算，如滤波和变换。这使得它非常适 合进行复杂的基于d c t 变换的视频编解码运算，包括运动补偿、d c t 变换和量化。 但它对视频相关的其它处理功能的支持( 如视频捕捉、传输和表现) 却是有限的，且 具体开发时，成本较大，周期较长。 一般而言，通用处理器p c 机和嵌入式处理器由于性能不高，一般只用于低端 市场，而多媒体处理专用芯片和d s p 由于信号处理能力强、性能高而被广泛用于各 种中高端市场，同时由于d s p 比专用芯片更具灵活性，已获得越来越多的青睐。出 于本系统采用的视频压缩编码标准的高性能编码平台需求考虑，本论文研究的系统 采用了时下越来越被广泛应用的d s p 编码平台。 2 3 视频压缩编码标准 2 3 1 视频压缩可行性 从信息论观点来看，图像作为一个信源，描述信源的数据是信息量( 信源熵) 和 信息冗余量之和。信息冗余量有许多种，如空间冗余，时间冗余，结构冗余，知识 冗余，视觉冗余等，数据压缩实质上是减少这些冗余量。可见冗余量减少可以减少 数据量而不减少信源的信息量。从数学上讲，图像可以看作一个多维函数，压缩描 述这个函数的数据量实质是减少其相关性。另外在一些情况下，允许图像有一定的 失真，而并不妨碍图像的实际应用，那么数据量压缩的可能性就更大了。 2 3 2 视频压缩基本概念 视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据量。视频压缩 比一般指压缩后的数据量与压缩前的数据量之比。由于视频是连续的静态图像，因 此其压缩编码算法与静态图像的压缩编码算法有某些共同之处，但是运动的视频还 有其自身的特性，因此在压缩时还应考虑其运动特性才能达到高压缩的目标。在视 频压缩中常需用到以下的一些基本概念： ( 1 ) 有损和无损压缩。在视频压缩中有损( 1 0 s s y ) 和无损( 1 0 s s l e s s ) 的概念与静态图 像中基本类似，无损压缩也即压缩前和解压缩后的数据完全一致，多数的无损压缩 都采用r l e 行程编码算法或者l z w 算法。有损压缩意味着解压缩后的数据与压缩前 的数据不一致。在压缩的过程中要丢失一些人眼和人耳所不敏感的图像或音频信 华北电力大学硕士学位论文 息，而且丢失的信息不可恢复。几乎所有高压缩的算法都采用有损压缩，这样才能 达到低数据率的目标。丢失的数据率与压缩比有关，压缩比越小，丢失的数据越多， 解压缩后的效果一般越差。此外，某些有损压缩算法采用多次重复压缩的方式，这 样还会引起额外的数据丢失。 ( 2 ) 帧内和帧间压缩。帧内( i n t r a f r a m e ) 压缩也称为空间压缩( s p a t i a l c o m p r e s s i o n ) ，当压缩一帧图像时，仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信 息，这实际上与静态图像压缩类似。帧内一般采用有损压缩算法，由于帧内压缩时 各个帧之间没有相互关系，所以压缩后的视频数据仍可以以帧为单位进行编辑。帧 内压缩一般达不到很高的压缩。采用帧间( i n t e rf r a m e ) 压缩是基于许多视频或动画的 连续前后两帧具有很大的相关性，或者说前后两帧信息变化很小的特点。也即连续 的视频其相邻帧之间具有冗余信息，根据这一特性，压缩相邻帧之间的冗余量就可 以进一步提高压缩量，减小压缩比。帧间压缩也称为时间压缩( t e m p o r a l c o m p r e s s i o n ) ，它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧间压缩一般是无 损的。帧差值( f r a m ed i f f e r e n c i n g ) 算法是一种典型的时间压缩法，它通过比较本帧与 相邻帧之间的差异，仅记录本帧与其相邻帧的差值，这样可以大大减少数据量。 ( 3 ) 对称和不对称编码。对称性( s y m m e t r i c ) 是压缩编码的一个关键特征，对称 意味着压缩和解压缩占用相同的计算处理能力和时间，对称算法适合于实时压缩和 传送视频，如视频会议应用就以采用对称的压缩编码算法为好。而在电子出版和其 它多媒体应用中，一般是把视频预先压缩处理好，尔后再播放，因此可以采用不对 称( a s y m m e t r i c ) 编码。不对称或非对称意味着压缩时需要花费大量的处理能力和时 间，而解压缩时则能较好地实时回放，也即以不同的速度进行压缩和解压缩。一般 地说，压缩一段视频的时间比回放( 解压缩) 该视频的时间要多得多。例如，压缩一 段三分钟的视频片断可能需要1 0 多分钟的时间，而该片断实时回放时间只有三分 钟。 2 3 3 常用视频压缩编码标准 f 近2 0 年来，视频编码技术得到了迅速发展和广泛应用，并且日臻成熟。其标 志就是几个关于视频编码的国际标准的制定：由i s o i e c 的运动图像专家组 ( m p e g ) t 1 5 】制定的运动图像编码标准m p e g 1 、2 和m p e g 4 等；由i t u t t l 6 帛l j 定的 关于电视电话会议的视频编码标准h 2 6 1 ，h 2 6 3 ；以及i s o 】和i t u t 组成的联 合视频组( j v t ) 制定的h 2 6 4 m p e g 4a v c 标准。这些标准视频编码算法融合了各种 性能优良的视频图像编码方法，代表了目前视频编码的发展水平。这几个标准各有 自己的应用范围和工作特点，下面分别作简单的介绍和分析。 1 2 l ， 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3 1m p e g 系列 m p e g 是运动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e l sg r o u p ) 的简称。1 9 9 1 年1 1 月 i s o m p e g 提交了i s 0 1 1 1 7 2 标准“用于数字存储媒体的码率为1 5 m b i t s 的活动图 像及其声音编码( c o d i n go f m o v i n gp i c t u r e sa n da s s o c i a t e da u d i of o rd i g i t a ls t o r em e d i a a t u p t 0 1 5 m b i t s ) 建议草案，即通常所说的m p e g 1 。该标准于1 9 9 3 年8 月公布， 在影视和多媒体计算机领域中得到了广泛应用。 m p e g 1 标准主要是为了视频存贮媒体如v c d 而制定，该标准能够适应变码流 的处理，其主要目的是在1 1 5 m b i t s 的情况下，提供3 0 帧c i f ( 3 5 2 2 8 8 ) v h s 的质 量的图像。m p e g 1 的实时编码通常需要硬件才能完成，解码