（通信与信息系统专业论文）数字硬盘录像系统设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 厂_ j 弋随着计算机科学和数字技术的飞速发展，数字硬盘录像技术以其强大的功能和先 进的技术开始崭露头角，它集多媒体技术、计算机通信技术、高速硬盘技术和传感器 技术于一身。与传统的模拟录像机相比，它具有回放清晰度高、存储容量大、监控距 离远、易于后期管理等优点? y 本文围绕着数字硬盘录僚系统的设计和开发而展开。该系统具有多单画面远端监 控、数字压缩存储、历史记录回放、远端云台控制、报警处理等多种功能。我们基于 模块化的设计方法，对系统进行了划分，并给出了各个模块的实现方案。 首先，我们介绍了系统的结构和技术特点。根据实际要求，提出系统软件的设 计目标，进行了软件的总体结构设计，对系统开发的软硬件平台等进行了比较和选 择。 接着阐述了本硬盘录像系统的人机交互模块、控制模块、视频模块、报警模块、 数据库模块的具体开发，对其中的关键技术进行了研究和探讨，包括：利用v f w 来 采集和回放视频数据、j p e g 编解码技术、通过r s 2 3 2 串口通信技术实现云台控制、 图像报警的实现、基于c d 4 0 6 7 芯片的矩阵切换器设计等。通过对这些模块的设计， 较好地实现了既定的设计目标，并对将来硬盘录像系统的进一步提高进行了探讨。 该系统成功实现了远端图像监控，报警自动录像，历史记录回放等多种主要功能， 为本硬盘录像系统今后的进一步研究奠定了基础。 关键词：数字硬盘录像视频监控 j p e gv f w数据库矩阵切换器 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = 目= = = = ；= = = = = = = = ；= = = ；= = 一 a b s t r a c t a st h ec o m p u t e rs c i e n c ea n dd i g i t a l t e c h n o l o g yd e v e l o pr a p i d l y ，d i g i t a lv i d e o r e c o r d e r t e c h n o l o g y c o m e st ot h e s t a g e w i t hh i s p o w e r f u l f u n c t i o n sa n da d v a n c e d t e c h n o l o g y ，i t i st h ec o m b i n a t i o n o f m u l t i m e d i a 、c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n 、h i g hs p e e d h a r dd i s k 、s e n s o r s t e c h n o l o g y c o m p a r e d t ot h et r a d i t i o n a la n a l o gr e c o r d e r ，i th a ss u c h m e r i t sa s ：h i g h - d e f i n i t i o nr e v i e w 、m a s s s t o r a g e 、r e m o t ec o n t r o l 、a n de a s ym a n a g e m e n t t h i sp r o p o s e dr e s e a r c ht o p i ca i m e dt oi n v e s t i g a t et h ed e s i g no ft h e d i g i t a lv i d e o r e c o r d e r s y s t e m t h i ss y s t e m h a dt h ef u n c t i o n so f m u l t i s i n g l ep i c t u r e r e m o t e s u r v e i l l a n c e 、d i g i t a lc o m p r e s s e ds t o r a g e 、h i s t o r yr e v i e w 、r e m o t ec a l n e r ac o n t r o l 、a l a r m h a n d l i n g w ed i v i d e dt h es y s t e mb a s e do nm o d u l a r i z a t i o n - o r i e n t e dm e t h o d ，a n dg a v e s o m es c h e m e so f v a r i o u sm o d u l e r e a l i z a f i o n f i r s t ，w ei n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dc o n s t i t u t i o no ft h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h e c u s t o m e r sd e m a n d ，w ep r o p o s e dt h ed e s i g ng o a lo ft h es o t t w a r e ，d e s i g n e dt h et o t a l s c h e i n eo ft i f f ss o t ! t w a r e ， c o m p a r e da n dc h o s e nt h ep l a t f o r mo fs o r - w a r ea n dh a r d w a r e t h e nw ei n t r o d u c e dt h ed e s i g no f m a n m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e 、c o n t r o lm o d u l e 、v i d e o m o d u l e 、a l a r mm o d u l e 、d a t a b a s em o d u l ea n dd i s c u s s e dt h e k e yt e c h n o l o g yo f i t ，i n c l u d i n g ： i n t r o d u c i n gt h ev f w t oc a p t u r ea n dd i s p l a yv i d e o 、j p e gc o d e c t e c h n o l o g y 、u s i n g r s 2 3 2t oc o n t r o lc a l r l e r a 、v i d e oa l a r md e t e c t i o n 、m a t r i x s w i t c h i n gb a s e d o nc d 4 0 6 7 c h i p b yd e s i g n i n gt h e s em o d u l e s ， w ea c h i e v e dt h eo r i g i n a ld e s i g ng o a la n dg i v et h e 矗l r t h e r d i s c u s s i o no f t h i sd i g i t a lv i d e or e c o r d e r s y s t e m t h i s s y s t e mh a ss u c c e s s f u l l y r e a l i z e dt h em a i nf u n c t i o n ss u c ha s ：r e m o t ev i d e o s u r v e i l l a n c e ，a u t o - r e c o r d i n gu p o na l a r m ，h i s t o r y r e c o r dr e v i e w ，i th a sb e e nac o m p l e t e s y s t e ma n dl a i dg r o u n d f o rt h ef u t u r ep r o g r e s so f t h ed i g i u av i d e or e c o r d e rs y s t e m k e y w o r d s ：d i g i t a l v i d e or e c o r d e rv i d e os u r v e i l l a n c ej p e gv f w d a t a b a s em a t r i xs w i t c h i n g i i 华中科技大学硕士学位论文 = = = 口= = t = = = = = = = ；= = = = 。= = = ；= = = ；一一 1 绪论 随着视频，音频数字化技术的发展，电脑性能的不断提高以及价格的不断降低， 通过电脑来采集，存储和传输视频音频成为监控技术的一项发展趋势。近几年刚刚崭 露头角的数字硬盘录像机( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r 简称d v r ) j l t 是视频数字化大潮 涌现出来的又一新丁。它集画面分割器，视频切换器，磁带录影机的功能于一体，本 身可连接报警探头，还可进行移动侦测，控制云台和镜头，通过网络传输图像和控制， 报警信号。它具有录像方式灵活，检索方便，图像质量高，存储容量大，功能灵活等 优点j ，在消费电子，工业监控等领域具有广泛的应用前景。 1 1 数字硬盘录像机的突出技术特点与发展现状 所谓数字硬盘录像机简单地说就是计算机化了的录像机。它以计算机设备方式工 作，如硬盘存储、文件服务、数据库管理、以及与计算机的各种网络协议接口等，它 又有录像机的特点，如视频变速尉放像、时码记录、搜索编辑、实时显示、以及各种 输入输出信号接口等。所以，硬盘录像机实质上是兼有计算机和录像机功能的一种存 储设备。由于数字硬盘录像机是以数字技术和计算机技术为基础的，所以有较高的智 能，是许多传统录像机不能比拟的1 3 1 1 4 】。 1 ) 录像方式灵活 录像方式可选择设定为连续录像、自动定时录像、报警触发录像等多种形式，录 像速度可选，回放速度可以是录像速度或选录像速度的1 2 1 3 2 ，也可以作单帧冻结， 慢速回放在寻找破案线索时特别有用。 2 ) 检索方便 可以按日期、摄像机编号或其它信息进行检索，自动、快速地找到相应的录像文 件，不必像传统录像机那样先得找录像带，再将录像带反复地快进、快退来查阅。 3 ) 远程传送 管理硬盘的计算机入网后，网络中任意一台计算机，只要安装相应的软件且有授 权的密码，就可经各种网络调用数字图像数据，进行远程实时监控或录像回放。 4 ) 联动反应 传统录像机在接到报警信号后才启动录像，录像延迟报警数秒钟，而这数秒钟恰 华中科技大学硕士学位论文 好是最重要的，硬盘录像在接到报警信号后则能立即录像，有效地记录了有价值信息。 5 ) 多种附加功能 硬盘录像以计算机为基础的，很容易实现时间和文字的添加、多画面显示、视频 丢失报警等功能。 6 ) 存储容量扩充容易 主机不插硬盘扩充卡能带4 个硬盘，加插硬盘扩充卡能扩充为8 个硬盘。i p c 6 2 0 型2 0 槽架装式工控机箱内有8 个硬盘的安装位置，扩充起来很方便。目前一个硬盘 的普通容量是4 0 g b ，随着硬盘制造工艺的改进和计算机技术的发展，硬盘录像机的 容量将不断增加。 目前，国内外硬盘录像机正处于百家争鸣时代嘲。市面上各种品牌、型号繁多， 功能特性各异。美国r e p l a y 网络公司率先开发的硬盘录像机2 0 0 1 和t i v o 公司开发 的硬盘录像机p t v l 0 0 分别于1 9 9 8 年n 月和1 9 9 9 年4 月面市，1 9 9 9 年1 1 月在日本 东京举行的i n t e r b e e 展览会上又有英国p o s ti m p r e s s i o n s 公司的s p i d d r ，s o n y 公司 的m a v 7 0 和m a v - 5 5 5 、美国g v g ( 草谷) 公司的p r o f i l e 、品尼高公司的t h u n d e r 等诸多厂家几十种不同规格和性能的数字硬盘录像机视频服务器精品亮相。各种新技 术的采用是这些产品的突出特点。 l 。2 数字硬盘录像系统中的关键技术 1 2 1系统结构 目前的硬盘录像机系统结构分两大类：基于p c 架构和脱离p c 架构。 基于p c 结构- 这种架构的硬件基础为p c ( 个人电脑) 结构或i c ( 工业电脑) 结 构，软件操作平台主要有：w i n d o w s ，l i n u x 。基于p c 结构的硬盘录像机的优点 在于：录像清晰度较高，存储空间较大( 容易扩展存储硬盘) ，适宜长时间录像，能 适用于各种场合，可全面取代传统的多画面分割器、录像机、矩阵等模拟产品。缺点 是稳定性略差。 脱离p c 结构：这种结构基于嵌入式电脑技术，大大提高了系统的稳定性，现在 市场上占有一定的份额。这种硬盘录像机因为技术的限制，现在功能较为简单。压缩 算法通常采用m p e g 1 压缩算法，适用于一些需求较为简单的场合，市场上大规模应 用还有待时只。 2 华中科技大学硕士学位论文 在本系统中，为了实现一个拥有较多功能的录像监控系统，同时从节约开发时间 帮箴本综合考虑，我们采鬻了基于p c 懿基本絮擒。 1 2 2 压缩算法 对于数字视频处理来说，数字视频信息必须经过压缩才能进行传输和存储。如对 予路图像大小为3 5 2 x 2 8 8 ( 象素) ，2 5 女髟s 懿p a l 剿彩色数字褪鬏，如果每静颜惫 的每个象素用8 b i t 表示，则码率高达5 8 m b i t s 。如果存储1 小时这样未经压缩的视 频，要占用磁矗空阕2 6 g b 。由此萋来，援频罄像蒋不经_ 过题缭，瓣宅的存赣和传埝 有着很大的朋难，翼说不上商什么蜜用价值嘲。如果采用合适的压缩方式及编码器参 数，霹撵一踌援频，锯然鸯嶷舞戆震壁，羁攀只毒约2 0 0 k b i t s 。压缭蜃大大萤省了传 输带宽和存储空间。活动的视频每幅图像都有空间冗余和心理视觉冗余，可采用合 适翳峻内压缝箨法去滁菝肉强余。慰予活动程频来诞，还存在援铝黧像瓣爨夺在爨稳 似性，因而产生帧间冗余，可采用邋动补偿的编码方法去除帧间冗余 7 1 。把以上两种 压鲮算法络会起来壤霜，藏安瑷了数字攫频熬莲缝。 目前应用于录像系统的常见的魇缩算法1 8 1 1 9 1 1 1 0 】【l l 】有m p e g - - 1 j p e g ，m p e g - 2 ， 知 g 乓及h 。2 6 3 。 m p e g 1 压缩技术：目前在国内应用景为广泛，这种算法发展成熟，数据压缩翠 程魄m 3 p e g 要褒。霭像瀵激度略裹予摸缀录爨撬，容易啜戮多鼹熨楚录像，毽数攘 量述是较大，若用于银行长时间实时录像，占用硬盘空间太大。网络传输占用带宽较 大，不大逶鼯予援频嚣像远程簧竣f t 2 1 。 j p e g 鞠片压缩技术1 1 3 】：压缩厝图像清晰度较好。在本系统中因为采用了低帧翠 塑像存镣( 整路枣稼| 鸯醚秒) ，存德爨苓是缀大，羼黪瞧戈7 缣涯攀帧塞像鬟墨，综会 考虑后决定使用j p e g 压缩技术，本文第3 章将对j p e g 技术给出详细介绍。 泌e 2 箕漩u 4 1 ：瓣像演鳜度缀离健数据豢太大，苓大逶耀予国蠹保安系统 长时间录像的要求。 m p e g - - - 4 压缀算法；舞羲袭瓣肉盛用还不多。这秘蕊缭算法较鸯走遴，图像蓬 缩比较高，图像清晰度也较高，网络传输占用带宽较小，能通过各种传输方式送行远 程锾叛强像传羧。蒺予这耱莲缝箕法戆硬纛录像捉藤景较怒。 h 2 6 3 ：是会议电视用的标准，所以适用子变化不太大的实时图像。 华中科技大学硕士学位论文 。t 一i ，, i # = = = # ；= ；# = = j # = = = # # = = = 1 3 本谍题研究豹目的耘论文籀要 本论文主要围绕着数字硬盘录像浆统的研制和开发进行，主要包括对硬盘录像系 统的目标、功艟进行了深入的分析，提出了一套完整的系统设计方案。还包括了系统 的具体设计和实现。 本文的章节具体安排如下： 第一牵绪论，介绍目前因内外数字硬盘录像系统的现状鞠其关键技术。 第二章数字硬盘录像系统的总体设计，介绍系统总体构成及要实现的功能，同 时给出系统各模块的实现方案。 第三章硬盘漾像系统的软件设计，介绍了w i n d o w s 下视频采集的实现过程、视 频显示、j p e g 视频压缩编码标准、r s 2 3 2 串t 3 通信技术及图像报警的实现。 第四章系统硬件设计与实现，介绍了视频切换器的设计和云台摄像机的控制规 程。 第五蠹：实验结果与讨论，给出系统的实验结果和系统的性能评估，并加以分析： 指出系统已达到的指标和还存在的不足之处，并对以后的工作提出建议。 最后是全文的总结。 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = = 目= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! = = = = = _ ：= ：= 2 1 系统概述 2 数字硬盘录像系统的总体设计 我们设计的数字硬盘录像机由软件系统和硬件平台两部分构成。系统软硬件平台 的选择是通过对系统性能、体积、价格、开发的难易程度等多方面综合考虑之后得到 的 1 5 1 【1 6 】【1 7 1 。 2 1 1 硬件系统结构 硬件平台是基于i n t e l ) 8 6c p u 的系统。对于本系统的基本配置而言，是以一台 具有p e n t i u m m m x 或者以上级别c p u 的个人电脑为基础，并配有专用的视频采集卡， 我们使用了一块l i f e v i e w 公司的f l y v i d e oi i 视频捕获卡。另外，我们基于c d 4 0 6 7 芯片自行设计了一个1 6 路视频矩阵切换器，此切换器由p c 通过i s a 插口进行控制。 根据应用场合的不同需要，系统配置也可以改变或者扩展。例如，可以采用不同性能 的c p u ，加装更多类型的输人输出接口。 这样的硬件结构其优点是显而易见的t 1 s l 1 9 】。首先，i n t e l 8 6 体系结构的高性能 保证了它能胜任对视频的处理，这主要归功于其内部集成的m m x ( 多媒体扩展) 指 令集。其次，由于x8 6 体系结构的广泛应用，其软硬件资源十分丰富，我们对它也非 常熟悉，因此选择x8 6 c p u 作为系统的核心，能够降低开发难度，缩短开发周期。同 时，x8 6 体系结构的规模效应使以它为核心的系统价格低廉，尤其是硬盘。而远端系 统的小型化也比较容易解决。 系统硬件模块框图如图2 1 ： 图2 - l系统硬件模块框图 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = # = = 一= 一 2 1 2 软件开发环境 为了便于软件的开发和扩展，我们选择了在w i n d o w s 操作系统上用v i s u a lc 十十 开发睇。这主要是考虑到w i n d o w s 已经成为事实上的工业标准，而v i s u a lc 十十也是 目盼应用最为广泛的开发环境，技术上很成熟，相关资料也很多，而且支持i n t e l 的 m m x 指令集，为我们的软件开发工作提供了很大的便利。因为m m x 技术专门针对 多媒体数据具有的简单的数据类型( 如1 6b i t 的声音，8b i t 的图像) 和高强度的循环( 如 d c t ，i d c t ) 这些特点，它的一个指令能次处理6 4b i t 的数据，即能同时处理8 个 图像数据( 8 b i t ) ，大大提高了计算效率，大幅减少算法所需的时钟周期。在j p e g 的算 法中，我们就采用了m m x 指令。 2 2 系统功能 硬盘录像机是一个功能多元化，比较复杂的系统。在综合了系统性能、开发的难 易程度和成本考虑等诸多因素后，我们提出了系统所应该具有的基本功能如下： 2 2 1 单，多画面监控 监控中心通过线路的延伸，应当可实现对整个监控区的可视化监控，系统最多可 监控1 6 路摄像机，并可以方便地远程切换画面，冻结和存储图像。监控方式可以选 择全1 6 路监控或者指定目标监控。同时，监控中心应能够通过r s 2 3 2 接口很方便地 操作远端的摄像机的动作。 2 2 2 录像功能 对于监控区出现的异常情况，系统可进行手动，自动录像，也可设置在某一固定时 问内自动记录，实现无人值守。为满足某种极限条件下的要求，系统应能同时进行1 6 路摄像机的录像操作。 2 2 3 回放功能 系统应能按操作员的不同要求，根据摄像机号、记录起止时间在数据库中进行检索， 对历史事件和图像进行回放，并熊对回放实现快进、慢进、单帧冻结及回放帧率的控制。 2 2 4 报警联动 系统可以连接多种类型的报警探测器。当报警探测器被触发时，监控中心应能立 华中科技大学硕士学位论文 即将媳视画馘切换到出事现场，同时报警声鸯通过蜂鸣器发出，系统自动记渌报警现 场豹凝像。 2 2 。5 数据露检索、餐瑾 在监控中心设鬣监控图像、信息数据滕。可以方便地进行各种信息查询和检索。 中心可以瓷蘧检索录像文传，逐骧套看帮分褥鏊像，霹虢逶褥惹藕黪强豫楚疆，热打 印、格式转换、显示现场的番种数据曲线及打印输如备种报漆也可对老旧图像进行 稠除或转移。 2 2 6 蔫声譬理 对数字硬盘录像系统的操作员避行权限分级管理，这魑维护系统安全的有效方 法。稻户鞭户塞玛将羧记录褒数援露孛，凌缀投疆只淹进程箍凌，记录等撩捧。两只 有高级用户才能进行用户权限设置，历史记录信息删除等危险操作。 2 3 系统软件模块设计与实现 2 3 1 设计恩想 入霞在谥量 个大系统鞋一般将系统分威死令，j 、系统，然后又将小系统分或一筑 更小的模块，这样屡层划分，将一个庞大的系统分成许多小模块组成，这种设计方法 称为分层摸浚纯设计秀法。模浚纯稼痔竣诗肖麴下好处； 1 ) 可以分工研制系统。 2 ) 各模块可戳独立遗进行灏试，分鬟擗除程净串静错误。 3 ) 易予修改、系统以聪手 级和扩充方便。 本系统采用分藩模块纯设计愚糠，按灏目前广为流行的面向对象的程痔设计方 法，对程序避譬亍模块划分，不冠的模块对应予不嗣噩鼋功能，划分模块对尽爨使模块躲 内部联系加强，而模块问的外部联系则尽可能地减小，以避免模块间的相互影响和举 镶。凝据模块阕懿缝合方式，模块熬分毒按控裁流鞍数据溅燃分嚣释方法，本系绕鏊 本上按数据流来划分为如下冈2 - 2 所示的几个模块。 7 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = ；= = = = ；= = = = = = = _ 2 = 即将监视画面切换剿出事现场，同时报警声啻通过蜂鸣器发出，系统自动记录报警现 场的强像。 2 2 。s 数据瘁检索、警理 在监控中心设谶监控图像、信息数据滕，可以方便地进行各种信息查询和检索。 中心哥跌姨速检索添橡交馋，逐赣褒番积分耩整像，蘑菇避李亍磊麓鹩整像楚理，懿羚 印、格式转换、显示现场的静种数据曲线及打印输出各种报褒，也可对老旧图像进行 稠豫或转移。 2 2 6 用户警理 对数字硬盘录像系统的操作员进行权限分级管理，这是维护系统安全的有效方 法e 月户板户密码将羧运秉在数据瘁孛，稿凝蔽疆必g 透露蓬凌，记录等搽俸。焉只 有简绒用户才能进行用户权限设置，历史记录信息删除等危险操作。 2 3 系统软件模块设计与实现 2 3 1 设计思想 人霞在设诗一令大系统簿一般将系统分残尼令，l 、系统，然鑫叉将夺系绞分成缀 更小的模块，这样层层划分，将一个庞大的系统分成许多小模块组成，这种设计方法 称为分层模块证设诗方法。模块铯程序设谤有懿下好处； 1 ) 可以分工研制系统。 2 ) 各模块可以独立遗滋行灏试，分掰辩除程净中的错误。 3 ) 易予修改、系统以艨升级和扩充方便。 本系统采用分艨模块纯设计愚愆，按照目前广为流行的面向对象的獠序设计方 法，对程序避行模块划分，不同的模块对成于不同的功能，划分模块时尽爨使模块魄 内部联系加强，而模块问的外部联系则尽可能地减小，以避免模块间的相甄影响和牵 制。根据模块闻的缝合方式，模块划分有按控割滤秘数摆溅划分薅耪方法，本系统纂 本上按数据流来划分为如下图2 - 2 所示的几个模块。 7 图2 2 软件模块框图 2 3 2 各模块功能概述 人机交互模块： 采用图形用户界面，提供直接而且容易的人机交互界面，这是用户唯一面对的系 统接口，也是为用户所最关心的部分，其设计的好坏关系到一个系统的好坏。 控制模块： 负责各种控制信息的形成、集中、处理等。在监控中心，这部分负责将摄像机 的控制命令及各种现场环境控制命令进行编码，放入控制命令发送队列，通过r s 2 3 2 接口发送到远程摄像机。 视频模块： 这部分负责视频数据的采集、压缩、解压缩，同时包括视频信息的包装、解包 及其它处理。其结果或者交给人机交互界面进行处理，以图像的形式表现出来或者记 录存盘。 报警模块： 这部分负责通过r s 2 3 2 接口感知和处理报警信息。 数据库模块： 包括用户档案数据库、图像数据库、现场参量数据库、报警信息数据库。这一部 分负责视频图像、现场数据、报警信息的存储、检索及查询，同时用户档案数据库负 责对用户权限的认证，防止非法用户的介入。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 3 3 模块设计 在介绍备个模块的设讦之前，我们先介绍在我们系统中广泛使稍的队列。 2 3 3 1 队列的设计 队列是线程之间通信的一个重要手段，如果队列设计得不好，就会引起系统运行 不正寓。酸歹4 是一秘先入先溅g l f 哂的数据缝援，褒肇线琏浆系绞数疆中设诗一个获 列十分简单，但在多线程程序中，由于多个线程同时使用队列( 增加藏提取) ，如果队 烈没蠢保护极制，多个线程缀容易出现冲突，导致驮列懿状态错误跚】。我键的队列憝 用来管理缓冲区和数据的，组生产者将产艇的数据放入缓冲区队列中，一组消费者 从缓冲区中敬数据。另外，巍莱一个线程从驮捌中取数据黠，如果驮列中没蠢数据成 员，根据线獠调用时的输入参数，队列能将该线程挺起( 即黻塞) ，等到队列中有数据 后径唤醒该线程：或誉返回镪误代璐告诉线攫酞烈没有数撼。囝撵，当慕令线程要掇 产生的数据敝入缓冲池中之前，必须先得到个空闲的缓冲区，如桨没有就鹿挂起该 线穰戏返回铹误。 2 3 3 2 人机交互模块的设计 怼瘸产n 泉浼，系绕豹杰舔王终薅瑟霹能劳不太耋要，蘑户难一瑟霹弱是入橇赛瑟， 需要了解的只是人机界面，荚心的也是人机界面，因此，人机界面设计的好坏直接关 系到一令应懋系统豹妊舔。 我们设计的界面为多岔口多菜单式界面，有三个主要用户窗口： 主整控( 多蕃瑟) 窑瑟，犟垂舔整接露嚣，爨受霾蔽密强。 此外，还有串口设置、腋控摄像机设置、输入视频格式设置等多个设置窗口。 2 3 3 3 控翻模决鹃设计 这一部分主要娥理摄像机的云螽控制倦恿。各种控制信息源将产生的控制信息编 码籍放入控制信息输出驮到，交给r s 2 3 2 串口透信服务发送。 2 3 3 + 4 视频模块的设计 这一部分完成视频信息的处理，它将涉及到与人机交互模块、数据库模块的合作。 视频模块主要辍援：投频采集、视频竣蹬、援频压缩。 2 2 1 1 2 3 1 1 ) 视频采集：视频采集用的是l i f e v i e w 公司的f l y v i d e oi i 视频捕获卡，它嶷 持p a l 、s e c a m 、n t s c 等多转囊式全电援信号簸入，可以将摄像头的竣入视频缤 号采集成、r u v 比例为4 ：2 ：2 或r g b 等多种格式的图像。因为本系统所需器的两种 9 华中科技大学硕士学位论文 图像格式为q c i f ( 1 7 6 x 1 4 4 ) 和c i f ( 3 5 2 x 2 8 8 ) ，唧比例为4 ：1 ：1 ，所以视频编 码前还要进行一次图像格式转换。另外，为对采集的图像进行及时编码，本系统采用 双视频缓存策略，这使得采集和编码可以同时分别对不同的视频缓存区操作，即当采 集卡将数据写入缓存a 时，编码器对缓存b 中的图像数据进行编码，否则反之。这 种“乒乓式”的工作方式有利于工作效率的提高，也有利于减少延时。 2 ) 视频压缩解压缩：视频编解码器的设计采用j p e g 编解码技术，这一部分将在 第3 章有详尽的介绍。 3 ) 视频输出：将视频信息显示在本机监控窗口上或者存储在视频数据库中。 2 3 3 5 数据库模块的设计 在数据库的设计开发中，我们选择了m i c r o s o f ta c c e s s 作为开发工具【2 ”，数据库 的前端开发我们选择的是m i c r o s o f t 的o d b ca p i f 2 卯。这是因为它具有易学易用，开 发简单，接口灵活的特点，能提高我们系统开发的效率，同时它的功能也足以满足我 们的使用。 我们分别建立了用户档案数据库、视频数据库、报警信息数据库和现场参数数据库。 2 3 3 6 中心模块的设计 中心模块主要包括三部分：系统初始化、消息管理、各模块联系管道，见图2 3 。 一消息管理卜 i 系统初始化- -一其他模块 il + 模块联系管道b _ 一 1 i 图2 3 中心模块示意图 初始化部分完成系统全部的初始化工作，导入注册表文件a 消息管理部分完成 各种消息的接收和产生，提供一定的安全机制来管理这些杂乱无章的工作，以实现 这些消息的有序化、消息传递的畅通化。联系管道也提供其它模块间联系的一种机 制。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3 数字硬盘录像系统的软件设计 3 1 视频图像捕获 在当今信息社会，可视电话、多方视频会议等多媒体网络通讯应用迅速兴起，诸 如i p h o n e ( i n t c m c tp h o n e ) 这类软件正被越来越多的人所使用。m i c r o s o f t 公司也将 n e t m e e t i n 9 2 1 封装在w m d o w s 9 8 中，作为其一大特性。在这些应用中，数字视频 信号的捕捉是一个关键。 m i c r o s o f t 公司在1 9 9 2 年推出的v f w ( v i d e o f o rw i n d o w s ) 2 6 1 软件包为轻松实现视 频捕捉提供了一条捷径。特别是其所包含的a v i c a p 窗口类使我们能很方便的在程序 中加入视频捕捉功能。a v i c a p 窗口类为应用程序提供了一个基于消息的、简单的接 口，从而使之能访问视频和波形音频采集硬件，并控制将所捕捉的视频流写到磁盘的 过程。我们就使用v i s u a lc + + 用a v i c a p 窗口类实现了视频捕捉。 v f w 主要由一系列动态连接库( d l l ) 和驱动程序组成。图3 1 描述了v f w 的 体系结构【2 7 1 。 图3 一lv f w 体系结构示意图 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = ；= = ；= = 目= = = = = = = = = = = = 一 3 1 1 a v i c a p 编程简介 a v i c a p 支持实时的视频流捕捉和视频单帧捕捉。另外，a v i c a p 还支持对 m c i ( m e d i a c o n t r o li n t e r f a c e ) 设备这类视频源的控制。因此，我们可以在应用程序中控 制视频捕捉的开始和结束的位置，并增加了多步单帧捕捉的新功能。 3 1 1 1 捕捉窗口( c a p t u r ew i n d o w l 捕捉窗口在概念上近似于诸如按钮、列表框、滚动条一类的标准控件。典型的捕 捉窗口具有w s c h i l d 和w s s i b l e 类型。 3 1 1 2 捕捉窗口的功能 将音频和视频流捕捉到一个a v i ( a u d i o v i d e oi n t e r l e a v e d ) 文件中。 动态的连接和断开视频和音频输入设备。 - 以重叠( o v e r l a y ) 或预览( p r e v i e w ) 方式实时显示输入的视频信号。 在捕捉时指定所使用的文件，并将捕捉文件的内容拷贝到另个文件。 设置捕捉速率。 显示视频源、视频格式的控制对话框。 创建、保存和载入调色板( p a l e t t e ) 。 把图像和调色板拷贝到剪贴板。 捕捉单帧图像并以d i b ( d e v i c e i n d e p e n d e n t b i t m a p ) 格式保存。 3 1 1 3 视频捕捉的最小实现 视频捕捉将视频和音频数据流数字化，并保存在硬盘或其它的永久性存储设备 上。在应用程序中视频捕捉的最小实现只用三条语句： h w n d c a p = c a p c r e a t e c a p t u r e w m d o w ( m y o w nc a p t u r e g r m d o w ” ， w s _ c h i l dl w s j i s i b l e ，0 ，0 ，1 6 0 ，1 2 0 ，h w n d p a r e n t ，a i d ) ； s e n d m e s s a g e ( h w n d c a p ，w m _ c a pd r i v e r _ c o n n e c t ，0 + wi n d e x + ，o l ) ； s e n d m e s s a g e ( h w n d c a p ，w mc a ps e q u e n c e ，0 ，o l ) ； 同时，a v i c a p 为我们提供了宏接口代替s e n d m e s s a g e 以提高程序的可读性( 实 际上，向捕捉窗发送消息的所能实现的功能都有其对应的宏1 ： h w n d c a p - e a p c r e a t e c a p t u r e w i n d o w ( m yo w nc a p t u r ew i n d o w ”， w sc h i l d w s _ v i s i b l e ，0 ，0 ，1 6 0 ， 1 2 0 ，h w n d p a r e n t ，n d ) ； c a p d r i v e r c o r m e c t ( h w n d c a p ，0k 华中科技大学硕士学位论文 ；= = ；= ；= ；= = = = = = = = ；= = 目= = = = = = 一= c a p c a p t u r e s e q u e n c e ( h w n d c a p ) ； 从上面的两段程序我们不难看出： ( 1 ) a v i c a p 捕捉窗处理了将音频和视频流捕捉到a v i 文件中的细节。也就是说， a v i c a p 使我们的应用程序避免涉及到a v i 文件的格式、视频和音频缓冲区的管理、 以及对视频和音频设备驱动程序的低层次访问。 ( 2 ) 在我们的应用程序创建了a v i c a p 捕捉窗口并与视频卡驱动程序连接后，只 用简单的发送一个w mc a p _ s e q u e n c e 消息( 或用c a p c a p t u r e s e q u e n c e 宏) 就可 开始视频捕捉，直到下列事件发生： 用户按下e s c 键或鼠标按钮： 应用程序停止或放弃捕捉操作； 磁盘空间满。 3 1 1 4 预览( p r e v i e w ) 和重叠( o v e r l a y ) 方式 捕捉驱动程序可以以预览和重叠两种方式显示实时视频流。 ( 1 ) 预览方式 预览方式将数字化的帧从捕捉硬件传到系统内存，并使用g d i ( g r a p h i c sd e v i c e i n t e r f a c e ) 函数在捕捉窗中显示。当父窗口失去焦点时，预览速度将变慢。由于该方式 使用c p u 资源，这将提高系统的一般性能。 通过三种消息可以控制预览操作： 向捕捉窗发送w mc m - s e t j r e v i e w 消息或使用c a p p r e v i e w 宏可以允许 和禁止预览方式： 发送w m _ c a p _ s e t - p r e v i e w r a t e 消息或使用c a p p r e v i e w r a t e 宏设置该方 式的帧显示速度： 发送w m c a p - s e t j c a l e 消息或使用c a p p r e v i e w s c a l e 宏允许和禁止视频 预览的尺寸缩放。当预览和尺寸缩放全都使能，被捕捉的帧将伸展以适合捕捉窗的 大小。 ( 2 ) 重叠方式 重叠方式将捕捉缓冲区的内容赢接在监视器上显示，而不用c p u 资源。视频卡 将v g a 的输出信号与其自身的输出信号叠加合并，所得的信号显示在监视器上。这 种方式的视频显示比预览方式有更好的连贯性。同样，可以通过发送 w mc a ps e to v e r l a y 消息允许和禁止该方式。 华中辩技大学硕士学位论叉 # # # ；= # # = j = 目_ _ = # 3 。1 1 。5 褪额擒援囊动程詹及蕤礴戆 撬频缝提驱魂程澎及萁硬转决定了褪凝拣捉豹救功能，包穗可按入靛视频源、 基示选颂、缀式秘压缭选联。 邋过发送游感w mc j u _ d r w e _ _ e tc a p s 或调用宏c a p d r i v e r g e t c a p sw 以 零铡囊裁连接斡视频攘挺驱魏稳序躲膊支持瓣硬传麓黢。返回谴绦存在缀筠 c a p d 袋e r c 0 p s 审。 3 i i t6 裁额慰诿框 繇一个麓灏按避凝旗趱謦可强撬供至多联个辩话撰，较撩剿巍颡数字纯鞭捺挺过 程秘一些参数设嚣，黪毯媾嚣经羧藏夺橇羧数据爨。瓣话键掰戆清整瓣参数取决予我 频稳懿驱动程窿。这黧对话糕包括：援颡滚辩活穰、援频格式对话搓、褪频萎示瓣落 攥、褫壤援缝髓落疆。 3 1 17 足令熬鬻黪结橡 与其德与硬谗寄荚的s d k 辘褪( 妇率强遥讯编稷) 样，巍频辅撬编獠趣甏涉 及翘税摄祷摄糨关静貉褥。 ( 1 ，c a p s t a t u s 定义了捺提密函盼姿痞莹状态t 魏：戳畿素淹攀橙装承辫德靛离、露、鞭赞帮黉叠 方式豹标意蠹，必寸缩放麓标恚麓等簿。 拔) c a p d r v e r c a p s 定义税频穗髭驱动程缪豹穗貔。鲡：驱动摇窿豹数强褰弓 。是否支持撬额疆魏 姥姥t 怒否蒜有上述教疆释趟话禳等麓。 ( 3 ) e 赢p 鞭 黼张啭鲥s 锻接控涮援频滚瓣援遗稷懿参数。遮一绥梅技爱来缮副秘设鬻影拣搪箍滚率、摅 挺辩簸缓淬嚣数秘强及媾起如何结秉翁参数。 秘) v i d e o h d r 逛义了税频数掇块靛凝结患。箕数弦畿受i p d a t a ( 强弱数据缓存桶疆赞秘 d w b t t f f e r l e n g t h ( 效摇疆存静大夺) 经常餍懿。 3 1 2 撬凝辅掇瓣绩强突珑 3 , 1 2 。1 定义全撵交蠢 h w n d h w n d c a p ；，脖孽挺赛搿訇掇 1 4 华中科技大学硕士学位论文 c a p s t a t u s s c a p s t a t u s ； 捕捉窗口当前状态 c a p d r i v e r c a p s s c a p d d v e r c a p s ；视频捕捉驱动程序的功能 c a p t u r e p a r m s s c a p p a r m s ； 捕捉参数 3 1 2 2 声明主窗口消息处理函数m a i nw n d p r o c 、回调函数 l o n gf a r 队s c a l m a i n w n d p r o c ( h w n d ，u n q t ，u i n t ，l o n g ) ； l r e s u l tf n w c a l l b a c ke r r o r c a l l b a c kp r o c ( h w n d ，i n t ，l p t s t r ) ； l r e s u l tf n w c a l l b a c ks t a t u s c a l i b a c kp r o c ( h w n d ，i m ，l p t s t r ) ； l r e s u 【tf n w c a l l b a c kf r a m e c a l l b a c kp r o c ( h w n d ，l p v i d e o h d r ) ； l r e s u i tf n w c a l l b a c kv i d e o c a l i b a c kp r o c ( h w n d ，l p v i d e o h d r ) ； 程序里，为增加可读性，将w mc o m m a n d 消息处理代码作为一个单独的模 块m e n u p r o c 。 3 1 2 3 主窗口消息处理函数m a i n w n d p r o c ( 1 ) w m c r e a t e 创建捕捉窗口函数c a p c r e a t e c a p t u r e w m d o w h w n d c a p 2 c a p c r e a t e c a p t u r e w i n d o w f ( l p s t r ) ”c a p t u r e w m d o w ”， 捕捉窗口名 ， w s ， 窗口类型_ c h i l d i w s v i s i b l e 0 ，0 ，1 6 0 ，1 2 0 ，窗口位置和大小 ( h