（通信与信息系统专业论文）基于mpeg4的数字视频监控系统压缩解压子系统的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 视频监控系统是电视技术在安防领域的重要应用。视频监控系统的发展大体经历 了三个阶段：模拟视频监控系统、数字视频监控系统和智能监控系统。 数字视频压缩技术是数字视频监控系统的关键技术。在数字视频压缩领域有很多 国际标准，如i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，国际电信联盟) 制定的 h 2 6 x 标准，以及著名的m p e g ( m o v i n g p i c t u r e e x p e r t s g r o u p ，运动图像专家组) 标 准等。早期的数字视频监控系统多采用h 2 6 1 标准和m p e g 1 标准，它们的核心技术 都是离散余弦变换及运动补偿算法，通过减少每帧图像间时间上和空间上的冗余性和 相关性来减少数据量。m p e g 4 的基本思想是基于对象的编码，其核心是基于内容的 尺度可变性。考虑到视频监控系统的实际特点，本文提出了一种基于m p e g - 4 的嵌入 式数字视频监控系统的设计方案。 数字视频监控系统的主体是硬盘录像机( d i g i t a l v i d e or e c o d e r ，d v r ) ，d v r 在 功能上包括三个部分：压缩解压模块、实时监视模块和系统功能模块。d v r 的硬件 平台采用c o m p u l a b 公司的6 8 6 c o r ec p u 板，操作系统为定制的l i n u x 操作系统。 压缩解压子系统负责音视频数据的压缩存储，所采用的压缩解压芯片为v w e b 公司的v w 2 0 1 0 芯片。本文在第三章论述了基于v w 2 0 1 0 的压缩解压子系统硬件设计 方案；第四章讨论了v w 2 0 1 0 芯片和h o s t 的三种通信机制：直接访问内部寄存器、 d m a 和共享内存区( s h a r e dm e m o r y ) 。在此基础上，详细论述了l i n u x 下v w 2 0 1 0 设备驱动程序的设计，包括驱动程序核心数据结构的设计、整个驱动程序结构框架的 设计和i o e t l 方法的实现算法。 关键词：m p e g监控系统压缩设备驱动程序 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi sa r ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o no ft e l e v i s i o nt e c h n o l o g y t h e d e v e l o p m e n to fs u r v e i l l a n c es y s t e m sh a se x p e r i e n c e dt h r e es t a g e so nt h ew h o l e ：a n a l o g v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m s ，d i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m sa n di n t e l l i g e n tv i s i o n b a s e d s u r v e i l l a n c es y s t e m s 。 t h ek e yt e c h n o l o g yo fd i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m si s c o m p r e s s i o no fd i g i t a l v i d e od a t a t h e r ea r em a n yi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sf o rc o m p r e s s i o no f d i g i t a lv i d e od a t a s u c ha s | 董2 6 x d e v e l o p e db yl t u0 n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) a n dt h e w e l l k n o w nm p e g ( m o v i n gp i c t u r e e x p e r t sg r o u p ) s t a n d a r d s a n ds oo n h + 2 6 1a n d m p e g - 1a r ea d o p t e di ne a r l yd i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m s t h ec o r eo fh 2 6 1a n d m p e g - la r ed i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r ma n dm o t i o nc o m p e n s a t i o nw h i c hr e d u c et h ed a t a c a p a c i t yb ye x p l o i t i n gt h et e m p o r a la n ds p a t i a lr e d u n d a n c i e sd u et os i m i l a r i t yb e t w e e n n e i g h b o u r i n gf r a n l e s t h ep r i n c i p l eo fm p e g - 4i so b j e c t - b a s e de n c o d i n g ，a n di t sc o r ei s c o n t e n t b a s e ds c a l a b i l i t y c o n s i d e r i n gt h ef a c to fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m s ，t h i s p a p e r h a s p u t f o r w a r das c h e m ef o re m b e d d e d d i 嚣t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e d o nm p e g - 4 d i g i t a l v i d e or e c o d e r ( d v r ) i st h em a i n b o d y o ft h ed i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ， a n di tc o n s i s t so ft h r e e m o d u l e s ：c o m p r e s s i o n d e c o m p r e s s i o nm o d u l e ，r e a l - t i m em o n i t o r i n g m o d u l ea n d s y s t e mm o d u l e 。t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fd v r a d o p t s6 8 6 c o r ec p u b o a r d o f c o m p u l a bc o m p a n y , a n d i t so p e r a t i n g s y s t e mi sc u s t o m - b u i l tl i n u x 。 t h e c o m p r e s s i o n d e c o m p r e s s i o ns u b s y s t e mt a k e sc h a r g eo f c o m p r e s s i o na n ds a v i n go f d i g i t a l a w d a t a , a n dt h ec r a pa d o p t e di sv w 2 0 1 0o fv w e b h a r d w a r ed e s i g no f c o m p r e s s i o n d e c o m p r e s s i o ns u b s y s t e mb a s e d - o nv w 2 0 1 0i sd i s c u s s e di n c h a p t e r 3 ； c h a p e r 4d i s c u s s e st h r e ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m sb e t w e e nv w 2 0 1 0a n d h o s t ： a c c e s s i n gi n t e r n a lr e g i s t e r s , d m aa n ds h a r e dm e m o r y t h e n ，d e v e l o p i n go ft h ed e v i c e d r i v e ro fv w 2 0 1 0u n d e rl i n u xi sd i s c u s s e d s p e e i f i c a l l y ，t h i ss e c t i o nd i s c u s s e sd e s i g no f k e y d a t as t r u c t u r e s ，o u t l i n eo f t h ed e v i c ed r i v e ra n d a l g o r i t h mo f i o c t l k e y w o r d s ：m p e gs u r v e i l l a n c es y s t e m s c o m p r e s s i o n d e v i c ed r i v e r u 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己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， 均已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。 学位论文版权使用授权书 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，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：闭彩秘 日期：枷口( f 年吁月缃 指导教师签名 卿谚 日期：矿f 年中月叩日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 视频监控系统的发展 1 绪言 视频监控系统是电视技术在安防领域的重要应用。目前已广泛应用到金融( 银行， 邮政，储蓄，证券所) 、文博( 文物馆，博物馆) 、酒店( 宾馆，饭店，写字楼) 、交 通管理( 高速公路，国道、省道收费站，城市交通枢纽) 、交通运输( 机场，码头， 铁路，公路客运站) 、商业( 商场，超市，珠宝行，批发市场) 、医院( 手术室，病房， 门诊大厅) 、工厂、学校、住宅小区物业管理等各个领域。视频监控系统的发展大体 经历了三个阶段，即早期的模拟视频监控系统、现代的数字视频监控系统以及新型的 智能监控系统。 1 1 1 模拟视频监控系统 早期的闭路电视监控系统主要由以下几个部分组成 1 】：多媒体信号摄取设备， 包括摄像头，拾音器，云台及解码器；系统主机，含主控键盘：监视器；画面分割 器；矩阵电路，包括视频矩阵切换器和音频矩阵切换器；联动和报警装置。信号传 输采用电缆或光缆，系统主机与各个部分之间通过外总线( 采用r s 4 8 5 ，r s 4 2 2 或 曼彻斯特通信协议) 进行通信。概括起来，早期的模拟视频监控系统具有以下主要 特点： ( 1 ) 通常只适合于小范围的区域监控1 2 1 ，有线模拟视频信号的传输距离有限，若 采用同轴电缆，当传输距离大于1 0 0 0 m 时，信号容易产生衰减、畸变、群时延，并且 易受干扰，使图像质量下降，双绞线传输的距离更短，这就决定了模拟视频监控只适 合于单个大楼、小的居民区及其它小范围的场所。 ( 2 ) 布线工程量大，系统的扩展能力差，对于已经建好的系统，如要增加新的 监控点，往往是牵一发而动全身，新的设备也很难添1 1 1 1 1 i 原有的系统中。整个系统设 备众多，组网复杂，集成度低，价格昂贵。 ( 3 ) 模拟视频监控系统大多采用磁带作为存储介质f 3 】，数据存储会耗费大量的磁 带；图像记录与检索无法同时进行，且无法远程检索；图像检索采用线性方式，需要 反复倒带，速度很慢，且磁头磨损严重；信息复制能力差，每复制一次图像就劣化一 次：至少每年更换一次磁鼓，系统维护费用昂贵。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2 数字视频监控系统 随着半导体技术、音视频压缩技术和网络技术的迅速发展，视频监控系统逐渐向 高度集成化和网络化方向发展。与早期的模拟视频监控系统相比，现代数字视频监控 系统具有以下主要特点： ( 1 ) 采用多媒体压缩技术对数字音、视频数据进行压缩处理。在数字视频监控 系统中，模拟音、视频信号首先要进行a d 转换。数字音、视频数据特别是数字视 频数据具有巨大的信息量，比如7 2 0 4 8 0 分辨率、3 0 帧s 的i t u 6 0 1 数字视频流的 速率高达1 2 4 m b p s 【4 ，高清晰度电视( h i g h d e f i n i t i o nt v ，h d t v ) 更是高达1 0 0 0 m b p s 。对于有限的传输带宽和存储空间的有效利用，音、视频数据压缩技术是至关 重要的。事实上，电视图像的视频信号都具有很高的冗余度。在每一帧图像中，邻 近像素的幅值可能很接近，这就形成了空间冗余度。某一帧的大多数信息可能在前面 几帧中都已存在了，这就形成了时间冗余度。所有这些冗余度都可以被去除，而不会 引起明显的信息丢失。压缩编码就是设法减少图形和视频数据的冗余度，达到压缩数 据率的目的垆j 。 ( 2 ) 现代数字视频监控系统多采用高集成度的视频编解码芯片，压缩解压芯片， 画面分割芯片，以及嵌入式的c p u 。从而把系统主机，画面分割器及矩阵电路集成到 一块或几块电路板，构成监控系统的核心部分一硬盘录像机，大大提高了系统的集 成度。 ( 3 ) 由于硬盘的容量越来越大、价格越来越低，加上一般的嵌入式c p u 都提供 i d e ( i n t e g r a t e dd e v i c ee l e c t r o n i c s ，集成设备电子部件) 接口，所以现代数字视频监 控系统多采用大容量的硬盘取代早期的录像带，系统的多媒体信息存储能力大大的提 高了；而且，采用硬盘作为存储介质，使得图像检索可以采用多重高级随机检索，记 录与检索可同时进行；此外，采用硬盘作为介质，不存在复制劣化问题。 ( 4 ) 网络技术和多媒体压缩技术的迅速发展，使得通过网络进行远程视频监控 得以实现，现代数字视频监控系统都支持网络功能。这具有十分重要的意义，因为目 前很多单位都组建了自己的局域网，从而可以利用现有的网络设备，既简化了系统， 又降低了系统成本。 ( 5 ) 由于数字视频监控系统可以通过网络传输图像数据，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，网络带宽可复用，无须重 复布线【6 j 。 华中科技大学硕士学位论文 综上所述，现代数字视频监控系统的突出特点在于采用音视频压缩技术和网络技 术，同时具有以下三种功能：适时监视；多媒体数据压缩存储与传输；通过网络进行 图像监控。 1 1 3 智能监控系统 智能监控系统( i n t e l l i g e n tv i s i o n - b a s e ds u r v e i l l a n c es y s t e m s ，i v s s ) 是一种新型 的视频监控系统【7 】oi v s s 通常用于专门的场合( 如停车场等) ，而且系统是可配置的， 如专门用于监控汽车、行人等。i v s s 可以实现对目标的自动检测、识别、跟踪以及 采取相关措施。与动态侦测不同的是，i v s s 不仅能够及时检测到目标的出现，更重 要的是系统能够识别该目标是否为“非法入侵者”( u n a u t h o r i z e di n t r u s i o n s ) 。因此， i v s s 的核心在于其目标识别算法。 在系统结构上，i v s s 通常采用分布式结构，如图1 1 所示。各个监控终端以及服 务器通过局域网相连。系统任务分散到各个终端执行，使系统资源得到合理而充分的 利用。 c a m e r 童基 1 2 硬盘录像机实现综述 图1 ii v s s 系统结构图 a 硬盘录像机是数字视频监控系统的核心组成部分，目前市场上的d v r 多为欧 美及日韩产品，采用的压缩标准以m p e g 1 和h 2 6 1 为主，m p e g 4 标准的d v r 也开始出现。从实现方式看，主要有两种类型8 1 ：p c 式硬盘录像机和嵌入式硬盘 录像机。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 。1p c 式磷纛录豢撬 它是在标准的计算机内插入图像处理聪缩卡和多个大容量硬盘，在计算机操作系 统的基础上开发相应的录像软件并由计算机完成d v r 的管理功能。p c 式硬盘录像机 又胃分袋 夏下冗穰： ( 1 ) 单卡单路硬盘录像机 单卡单路磷盘录像机通常指的是在p c 机扩充槽中插入一块音视频采集卡，可以 实辩采集一路视频及一路密频售号。单卡方式是实现寰辩考视频记录熬最篾单敬敲 法，它不会产笺硬俸冲突阍鼷，系统较爻稳定，另外，涎稀卡的结构相对简单( 通常 只有l 2 片l s i ) ，因而成本较低，较适合于针对a t m 自动柜员机的监控录像。 ( 2 ) 多卡多鼹硬盘录像规 多卡多路磺焱录像祝指懿蹙在p c 橇熬多个扩充穰中嗣时插入多块支持并行处瑾 的啻视频采集卡，其中每一块卡的工作原理与上述采集卡一样，从而实现多路音视频 信号的同时实时采集。 蠢予这耱多卡多路d v r 占鬻诗箕瓠瓷源遣辐瘟攀勰，蠡c p u 致舞存资添、未缀 上扩充槽的数煮、主板电源功率等。因此这种d v r 就必须采用具有多插槽工控底板 的工控机，并配以大功率电源，c p u 主频往往也需要增加一档，特别是当采集卡数崖 超；窭1 0 仑对，遴篱要配弱受大戆工控底投及大型工控裁赣( 热长型袋蔽裹塑) ，c p u 袄落可考虑用双c p u 型的，第外由于要诡荥的信号路数增多使所需硬盘的数量也增 加，因此大功率电源是必须骤考虑的。 ( 3 ) 单卡多路硬盘录像橇 单卡多路骥焱录像撬搔懿楚程p c 枫中箍入一块暴鸯多通道采爨功能的视凝聚集 卡。这种卡通常采用时分轮转方式对多路视频信号进行采集，由于单通道轮换采集多 路视频时，相继帧的画面失去了相关性，因此只能采用帧内压缩算法，著以m - j p e g 丞绥硌式进行象像，嚣爱将怼应每一路熬备鲮垂蘑逶避麓单戆犊藏镁测簿痔蔼彩成 m j p e g 文件。 这种d v r 主要适用于那蝗对帧率要求不高的监控场合，如银行营业厅、超市、 渡痿、写字接譬。特象逸，裔垡蓝携区域纛大部分辩阉攫楚静盘不动熊，还可戬袋塌 动涤侦测录像模式，将总资源进行动态分配，这样，几乎没有运动的监视区域就凡乎 不占用录像资源，而有运动的艇视区域则w 能达到接j 砬2 5 贞s 的记滚速度，很接近 实对的效果。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 嵌入式硬盘录像机 采用专用的图像处理芯片、专用的硬件系统结构和嵌入式操作系统软件组成的硬 盘录像机。由于这种系统的硬件是一个同处理器和操作系统捆绑较为紧密、功能专一、 设计专门的独立的设备，不像插卡系统那样受通用计算机系统中其它软硬件的影响， 因此性能上更稳定，且便于安装、维护，易于实现系统的模块化设计，便于管理维护。 1 2 3 两类硬盘录像机的比较 嵌入式硬盘录像机与p c 式硬盘录像机的共同点是采用硬盘作为存储介质，都采 用专用的图像压缩处理芯片进行硬件压缩。所不同的是软件的设计和存储方式，前者 的软件固化在专用的存储芯片内，生产时写好，出厂后用户无法更改，不会受到计算 机病毒的破坏，也不会发生p c 式d v r 常见的“死机”现象：后者以通用的计算机操 作系统如w i n d o w s 9 8 、w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w sn t 等作为工作平台，并在此基础上 开发应用软件。 此外，嵌入式硬盘录像机通常同时提供监视器接口和电脑显示器接口，而p c 式 硬盘录像机一般只能连接电脑显示器。 1 3 本课题的研究内容 本文讨论了各种音视频压缩标准的特点及其实现方式，分析了视频监控系统的发 展和现状，以及主流硬盘录像机的实现方式。在此基础上，我们提出了一种基于 m p e g - 4 的嵌入式数字视频监控系统的设计方案。本文主要论述基于m p e g - 4 的嵌入 式数字视频监控系统压缩解压子系统的设计与实现。全文共分为五章： 第一章讨论了视频监控系统的发展和现状，以及主流硬盘录像机的两种实现方 式：基于p c 机的硬盘录像机和嵌入式硬盘录像机，分析了其中的关键技术并对本文 的选题做了说明。 第二章讨论了各种多媒体压缩标准的特点、实现方式以及这些标准在视频监控系 统中的应用情况。论述了基于m p e g 4 的嵌入式数字视频监控系统的总体设计方案。 第三章论述了压缩解压子系统的硬件设计方案，包括基于p c i 2 0 5 0 的子系统总线 设计和基于v w 2 0 1 0 的压缩解压卡硬件设计。 第四章论述了l i n u x 下p c i 设备驱动程序设计的一般方法并详细讨论了l i n u x 下 v w 2 0 1 0 芯片设备驱动程序设计。 第五章对全部工作进行了总结。 华中科技大学硕士学位论文 2 基于m p e g 4 的嵌入式数字视频监控系统总体设计 2 1 多媒体压缩标准 2 1 1 引言 在多媒体压缩领域有很多国际标准，如i t u 制定的h 2 6 x 标准，以及著名的m p e g 标准等。其中，h 2 6 1 标准、h 2 6 3 标准、m p e g - 1 标准和m p e g - 4 标准在数字视频 监控系统中获得了广泛的应用，下面结合视频监控系统的实际讨论这几个标准的特 点、实现方式和应用情况。 2 1 2m p e g 标准 m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t sg r o u p ，运动图像专家组) 是在i s o ( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ，国际标准化组织) 和i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，国际电工委员会) 内运作的一个工作组，它组建于1 9 8 8 年。由于它是 i s o 和i e c 联合委员会1 ( j t c l ) 的第2 9 分委员会( s c 2 9 ) 的第l l 工作组( w g l l ) ， 所以其代码为w g l lo f s c 2 9o f i s 伽e cj t c l 。 m p e g 的任务是开发运动图像及其伴音的数字编码标准。到现在为止，m p e g 公 布的标准有：m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 4 、m p e g 一7 和m p e g 2 1 。其中，m p e g 1 和m p e g 4 标准在数字视频监控系统中获得了广泛的应用。 2 1 2 1m p e g 一1 标准 m p e g l 标准于1 9 9 3 年8 月公布【9 】。用于传输1 5 m b p s 数据传输率的数字存储 媒体运动图像及其伴音的编码。 m p e g l 标准完成的基本任务是：质量适当的图像( 包括伴音) 数据必须成为 计算机数据的一种，和已有的数据( 如文字、绘图等数据) 在计算机内兼容，并且这 些数据必须在现有的计算机网络和广播电视等通信网络中兼容传输。 m p e g - 1 标准于1 9 9 0 年1 2 月提出标准草案，1 9 9 3 年8 月公布，是适用于传输 1 5 m b p s 数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码标准。m p e g 一1 标准可 以处理各种类型的活动图像，其基本算法对于压缩水平方向3 6 0 个象素、竖直方向2 8 8 个象素的空间分辨率，每秒2 4 3 0 帧画面的运动图像有很好的效果。 m p e g - 1 标准采用了一系列技术以获得高压缩比。第一，对色差信号进行亚采样， 6 华中科技大学硕士学位论文 减少数据量；第二，采用运动补偿技术减少帧间冗余度；第三，做二维d c t ( d i s c r e t e c o s i n e t r a n s f o r m ，离散余弦变换) 变换去除空间相关性；第四，对d c t 分量进行量 化，舍去不重要的信息，将量化后的d c t 分量按照频率重新排序；第五，将d c t 分 量进行变子长编码：第六，对每数据块的直流分量( d i r e c tc u r r e n t ，d c ) 进行预测差 分编码。m p e g 1 中的图像类型共分4 种：i 图像，或称i n t r a 图像，采用帧内编码， 不参照其它图像；p 图像，或称p r e d i c t e d 图像，它们参照前一幅i 或p 图像做运动补 偿编码：b 图像，或称双向预测图像，它们参照前一幅和后一幅i 或p 图像做双向运 动补偿编码；d 图像，或称直流( d c ) 图像，这类图像中只含直流分量，是为快放 功能而设计的。 2 1 2 2m p e g - 4 标准 m p e g - 4 标准的第一版于1 9 9 9 年1 月正式公布，标准的第二版也在1 9 9 9 年1 2 月公布【l “。该标准的目标为：支持多种多媒体应用( 主要侧重于对多媒体信息内容的 访问) ，可根据应用的不同要求现场配置解码器。这些标准已获得产业和服务供应商 的广泛支持，并且引起了一场数字革命，使得更加普及的交互式媒体得以迅速发展。 m p e g - 4 旨在为音视频数据的通信、存取与管理提供一个灵活的框架与一套开放的编 码工具。这些工具将支持大量的应用功能( 新的和传统的) 。尤为引人注目的是， m p e g - 4 提供的多种音视频( 自然的与合成的) 的编码模式使图像或音视频中对象的 存取大为便利。这种音频、视频的存取，常被称作基于内容的存取。基于内容的检索 是它的一种特殊形式。 在m p e g - 4 标准图像与视频标准中，视频表示工具的目标是为多媒体环境下的纹 理、图像和视频数据的有效存储、传输及管理提供标准化的核心技术，尤其强调这些 工具对图像和视频内容的原子单位( 称为视频对象v o ) 的编解码能力，要能对任意 形状的视频对象进行有效的表示，以支持所谓基于内容的功能集。为达到这样一个“宽 广的”目标，而不局限于过窄的应用面中，m p e g - 4 把各种应用中相似的功能分门别 类集中起来，以工具和算法的形式解决这些问题，包括： 图像和视频的有效压缩； 纹理的有效压缩( 用于二维与三维网格上的纹理映射) ： 隐含的二维网格的有效压缩； 控制网格运动的时变几何参数的有效压缩； 对各种可视对象的有效随机存取： 华中科技大学硕士学位论文 对霭豫耪援颓彦裂熬扩震操缀警臻凌旋； 图像和窀嫩频基于内容的编码； 纹理、图像和视频基于内容的可伸缩性； 空闼、融越窝覆量可 枣缩蛙； 在易错( e r r o r p r o n e ) 环境下的鲁棒性。 m p e g 4 标准支持7 个新的功能f 】。w 粗略划分为3 类；基于内容的交互性、商 愿缝率和灵活多样的存取模式。分别介绍如下： 1 ) 基于态蜜的交互经( c o n t e n t - b a s e d i n t e r a e t i v i t y ) ( 1 ) 基于内容的操作与比特流编辑支持无须编码就可进行基于内容的操作与比 特流编辑。例如，使用者可强图像或比特流中选择一具体的对象( o b j e c t ) ，如图像中 瓣禁个久，菜令建筑等等，麓豢改变它翁蘩磐特牲。 ( 2 ) 自然与合成数据混合编码。提供将自然视频图像同合成数据( 文本、图形) 有效结合的方式，同时支持交互性操作。 ( 3 ) 增强瓣蹲闻域骧极澎鬏；m p e g - 4 将提供套效黥隧辍存取方式；在有隈魏 时间间隔内，w 按帧或任意形状的对象，对音、视颓序列进行随机存取。例如以 序列中的某个啬、视频对象为目标进行“快进”收索。 2 ) 高压缭察( c o m p r e s s i o n ) ( 1 ) 提离编犸效率。程与现有的或正在形成的标准的可眈羧滤率上，m p e g - 4 标准将提供更好的主观视觉腋量的图像。邈一功能可黧猩迅速发展的移动通信网中获 得应用，但值褥注意豹是：提麓编码效率不是m p e g ，4 的唯一豹主要翻标。 ( 2 ) 对多个并发数据滚静编玛。m p e g - 4 将提供对一景秘的霄效多褪觉编粥， 加上多伴音声邋编码及有效的视听同步。农立体视频废用方面，m p e g 4 将利用对闻 一景物的多视点观察所造成姻信息冗余，m p e g - 4 的这一功能在足够的观察视点条件 下穆有效遥箍述三维垂然景懿。 3 ) 灵活多样的存取( u i l i v e r s a l a c c e s s ) ( 1 ) 错误易发环境中的镥棒性( r o b u s t n e s s ) 。“灵活多样”是指允许采用各种肖 线、无线瓣和羲秘存疆媒镕，m p e g - 4 穆攥意获链误戆力，龙茭是在鬓发生严重镣镤 的环境下的低眈特应用( 移渤通信链路) 。注意，m p e g - 4 是第一个在其音、视频表 示规范中考虑信道特性的标准。目的不是取代已由通信网提供的错谡控制技术，而是 提供种对抗残蟹错误的坚锄性。捌如：选择性翦向纠错( s e l e c t i v ef o r w a r de r r o r 华中科技大学硕士学位论文 c o r r e c t i o n ) 、错误遏制( e r r o rc o n t a i n m e m ) 或错误掩盖( e r r o r c o n c e a l m e n t ) 。 ( 2 ) 基于内客的尺度可变性( c o n t e n t b a s e ds c a l a b i l i t y ) 。内容尺度可变性意味着 给图像中的各个对象分配优先级。其中，比较重要的对象用较高的空间和( 或) 时间 分辨率表示。基于内容的尺度可变性是m p e g - 4 的核心，因为一旦图像中所含对象的 目录及相应的优先级确定后，其它的基于内容的功能就比较容易实现了。对甚低比特 率应用来说，尺度可变性是一个关键因素，因为它提供了自适应可用资源的能力。例 如，这个功能允许使用者规定：对具有高优先级的对象以可接受的质量显示，第二优 先级的对象则以较低的质量显示，而其余内容( 对象) 则不予显示。可见，这种方式 可最有效地利用有限的资源。 2 1 3h 2 6 x 标准 2 1 3 1h 2 6 1 标准 h 2 6 1 是由u 第1 5 研究组于1 9 9 0 年制定对视频会议压缩编码标准”1 。它首次 尝试综合数字压缩技术和网络技术实现数字图像实时传输，即可以在码率为p 6 4 k b p s ( p 取1 3 0 ) 的i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ，综合业务数字网) 上 实时地传输声音和图像信息。h 2 6 1 对c i f 和q c i f 两种图像格式进行处理。大多数 系统适应3 5 2 2 8 8 像素和1 7 6 1 4 4 象素两种分辨率。 h 2 6 1 的核心技术是混合编码算法，即采用运动补偿的帧间预测、d c t 、标量量 化和v l c ( v a r i a b l el e n g t hc o d i n g ，可变长编码) 的混合编码方法。 2 1 3 2 t t 2 6 3 标准 l 2 6 3 是i t u 于1 9 9 5 年制定的一种码率低于6 4 k b p s 的甚低码率视频压缩编码标 准。h 2 6 3 不仅着眼于利用p s t n ( p u b l i cs w i t c h e d t e l e p h o n e n e t w o r k ，公共电话网络) 传输，而且兼顾g s t n 移动通信等无线业务。它支持五种图像格式：s q c f 、q c i f 、 c i f 、4 c i f 和1 6 c i f 。 跟h 2 6 1 一样，在编码中，它也采用帧间预测减小时间冗余度，利用d c t 减小 空间冗余度；在传输中，采用可变长度编码技术；在解码恢复中，应用运动补偿。与 h 2 6 1 相比，h 2 6 3 增加了以下功能： 半个象素精度的运动估计 不受限的运动矢量 先进预测模式 p b 帧模式 华中科技大学硕士学位论文 基于语法的算术编码 2 1 4 多媒体压缩标准的实现 2 1 4 1 基于专用图像处理d s p 的实现方式 d s p 芯片采用改进的哈佛结构【1 3 】，与冯诺依曼结构相比，其主要特点是程序和 数据具有独立的存储空间，有各自独立的程序总线和数据总线，可以同时对程序和数 据进行寻址，大大提高了数据处理能力；d s p 指令系统采用流水线操作。在流水线操 作中，一个任务被分解为若干个子任务，各个子任务可以在执行时相互重叠，每个子 任务处于其执行过程的不同状态；d s p 芯片采用专用的硬件乘法器，在数字信号处理 运算中，无论是滤波器，还是d f t 、f f t 运算，一般的算法中都有大量的乘法运算存 在。乘法运算的速度是数字信号处理实现中的一个瓶颈问题。与一般c p u 不同的是， d s p 都有硬件乘法器，使得乘法运算可以在一个指令周期内完成。 d s p 芯片的上述特点使得它在图像处理领域获得了广泛的应用。而在众多的d s p 芯片中，又以t i 的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列和p h i l i p s 公司的t r i m e d i a 芯片应用最为广泛。 比如，文献【1 4 介绍了h 2 6 3 编码算法在t m s 3 2 0 c 6 2 1 1d s p 上的实现；文献 1 5 1 介绍 了m p e g 4 编码算法在t m s 3 2 0 c 6 2 0 1d s p 上的实现以及代码的优化方法；文献 1 6 1 介绍了在通用d s p 芯片上成功地实现了c i f 格式的m p e g - 4 编解码算法；文献 1 7 1 介绍了h 2 6 3 编码算法在t r i m e d i a 芯片上的实现；而文献 1 8 则阐述了m p e g 4 解码 算法在t r i m e d i a 芯片上的实现，并从a s s e m b l y l e v e l 、i n s t r u c t i o ns e tl e v e l 和a l g o r i t h m l e v e l 三个层次对解码算法进行了优化。 基于d s p 的软件实现方式虽然在执行效率、速度和集成度等方面比不上a s i c 方 式fz g ，但具有灵活性好和可移植等优点。 2 1 4 2 图像处理算法的a s i c 实现方式 这种方式的特点可以归纳为【2 0 1 ：1 ) 将压缩算法中的大量简单重复运算如离散余 弦变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 、运动补偿( m o t i o nc o m p e n s a t i o n ) 、运动估计( m o t i o n e s t i m a t i o n ) 、变长编码( v a r i a b l e l e n g t h e n c o d i n g ) 等独立出来，用专门的硬件引擎实现； 2 ) 一个嵌入式的r i s c 或d s p 完成算法的其余任务。文献【2 1 卜 2 6 】讨论了m p e g 2 标准的a s i c 实现；文献 2 7 - 2 9 讨论了m p e g - 4 标准的a s i c 实现：文献 3 0 贝l j 论述 了这类图像处理芯片的一般结构。这种实现方式提高了运算效率和执行速度，同时具 有可移植性等优点，具有重要的实际应用价值。市场上这类芯片的典型代表有：z a p e x 1 0 华中科技大学硕士学位论文 公司的z 1 5 1 0 芯片( m p e g l 标准) 、i n t i m e 公嘲的i m e 6 4 0 0 芯片( m p e g * 4 标准) 和v w e b 公司的v w 2 0 1 0 芯片( m p e g 4 标准) 蒋。 基于d s p 的软l 牛实现方式具有瑟活性好和可移植等优点，成本也较低，但运算 效率和执行速度不太毽想，雨量开发周期较长；专用芯片实辩性好，往麓优异，虽 芯片厂商通常会提供相应的开发包，因而开发周期短，但其价格通常比较蹄贵。综 合考虑成本、性能和开发周期等因索，本系统采用专用芯片实现啻视频数掇的压缩 帮簿压。 2 1 5 多媒体压缩标准糕视频监控系统中的应用 数字援频监控系绕的关键问题怒视频数据的滕缡翻解压技术。早鼓的秘频监控系 统多采蔫h 2 6 1 和m p e g - 1 标准。它稍的核心技术酃是离散余弦变换及运动补髅算法， 主要思想是通过减少每帧图像间时间上和空间上的冗余性和相关信息来减少数据量。 h 。2 6 1 的綦本算法采用帧间预测、离散余弦变换、运动矢量和可变匠编码等技术，适 合在低带瓷下传辕实露援频踅像，毽躐像囊量不联想；m p e g - 1 在h 。2 6 1 翡旗磴上弓i 人了双向遨动补偿，其藏本算法对于压缩水平方向3 6 0 个象素、骚直方向2 8 8 个象素 的空间分辨率，每秒2 4 3 0 帧画面的运动图像有较好的效果。 兹覆鼹耱标准在禚频薤控应用孛鄂毒一定弱辫瓣瞧。善毙，宗褒没有炎分考虑援 频监控静实际特点( 如虢视画面的背景图像在绝大多数时间韪静止不动的) ，因而传 输的信息中仍有大量的冗余，影响了传输速率的提高；其次，玄们的适应性蕤，不能 投据网络愤况叁适应璁调警传输率，搜褥网络发擞糖塞时性邕憩测下降；第三，这蘸 种标准不熊备较强的翊户交互性。 m p e g 4 最基本的艨想是基于对缀的编码，编解码的基本蚺元是对象。所谓的对 象是在一个场景中能够访问和操纵的实体。这种编码是一种綦于内容的数据压缩方 式，醴蔫瓣压缩算法哭蹩去捧犊内纛羧闻熬冗余，m p e g - 4 翔漤求对图像霸援频痒更 多的分析，甚至是理解1 3 ”。如将图像分割为运动物体对象和静止不动的背景对象平面， 并对这两个对象进行分别处理。背景对象采用压缩比较高、损失比较大的办法进行编 码，运动貔薅对象采瑶愿绩览较馁、搂失较小鳃办法，这样裁程蹑壤鼓辜耪鬟豫壤量 澍得到较好的平衡。基于对象的编码除了能提高数据的压缩比，还能实现许多基于内 容的交互一陇功能。 基予以上鳆分提，本文提出了一葶孛基于m p e g 4 标准的数掌视频监控系统的解决 方案，采用的压缩解疆蕊片为v w e b 公司的v w 2 0 1 0 苍片。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 的特点 2 2 1 嵌入式系统的定义 以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模和适用领域，将其分为大 型、中型、小型和微型计算机，并以此来组织学科和产业分工，这种分类沿袭了约4 0 年。近1 0 年来随着计算机技术的迅速发展，实际情况产生了根本性的变化，例如， 7 0 年代末定义的微计算机演变出来的个人计算机( p c ) ，如今已经占据了全球计算机工 业9 0 的市场，其处理速度也超过了当年大、中型计算机的定义。随着计算机技术和 产品对其它行业的广泛渗透，以应用为中心的分类方法变得更为切合实际，也就是按 计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和通用计算机。 嵌入式系统的定义为 3 2 】：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、功耗严格要求的专用计算机系统。 2 2 2 嵌入式系统的特殊要求 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。嵌入式处理器在功耗、体积、 成本、可靠性、处理能力和电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。和通用计算 机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力 争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中更具有竞争力。嵌 入式处理器要针对用户的具体要求，对芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性 能。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进 行。嵌入式系统中的软件，般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以 随意更换。嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器 系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同，具体表现在以下几个方面： 1 ) 软件要求故态化存储：为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软 件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁