（计算机应用技术专业论文）一个基于mpeg4的机房视频监控系统的设计与实现.pdf

一个罐十m p e g - 4 的机房桃频髓控系统的j 5 计与实现 摘要 网络化、智能化是信息社会发展的必然趋势，机房管理的网络化、智能化必 将使机房管理正规化、科学化。本文针对机房特点，设计并实现了一个基于 m p e g - 4 的机房视频监控系统。 本文分析了机房视频监控的特点，设计了机房视频监控系统的整体框架，详 细讨论了视频监控系统的图像处理技术、网络传输技术、多线程技术。 本文所设计的机房视频监控系统提供了用户管理功能、学生智能定位功能和 学生机图像监控功能，使其成为机房的辅助管理信息系统。 关键词：视频监控；m p e g - 4 ；c s ；多线程 作者：石勇 指导教师：朱巧明 a b s w a c t 一个基十m p e g - 4 的机房视频监控系统的设计与实现 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ns o c i e t yi si n t e r n e ta n di n t e l l i g e n c e - o r i e n t e d ， w h i c hc o n t r i b u t e st ot h ef o r m a la n ds c i e n t i f i cm a n a g e m e n to fc o m p u t e rr o o m t h i s a r t i c l et a r g e t sa tt h ef e a t u r e so fc o m p u t e rr o o ma n dd e s i g n sa c o m p u t e rr o o mv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e do nm p e g 一4 t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p u t e rr o o mv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e m ，a n dd e s i g n st h ew h o l ef r a m eo ft h es y s t e m i na d d i t i o n ，t h i sa r t i c l ea l s o d i s c u s s e si nd e t a i lt h ev i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e mo fi m a g ep r o c e s s i n g ，n e t w o r k t r a n s f e ra n dm u l t i t h r e a d i n g t h ec o m p u t e rr o o mv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e md e s i g n e di nt h i sa r t i c l ep e r f o r m s t h ef u n c t i o no fu s e rm a n a g e m e n t ，s t u d e n t si n t e l l i g e n c ef i x e dp o s i t i o na n ds t u d e n t s m a c h i n es c r e e ns u p e r v i s i o n ，s ot h a tt h es y s t e mb e c o m e st h ea u x i l i a r ym a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e mo f t h ec o m p u t e rr o o m k e yw o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n e e ；m p e g 4 ；c s ；m u l t i - t h r e a d w r i t t e nb yy o n gs h i s u p e r v i s e db yq i a om i n gz h u y 7 8 1 4 5 0 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书 而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大 学学位办办理。 一个基于m p e g 4 的机房税频监控系统的设计与实现引言 第一章引言 1 1 视频监控简介 眼见为实，百闻不如一见，这些俗语有着科学的基础视觉信息是人们由客 观世界获得信息的主要来源之一，占人们依靠五官由外界获得信息量的8 0 以 上。因此，视频监控一直是安防领域的主要手段之一，它以直观、方便、信息内 容丰富而在各个行业得到了广泛的应用。视频监控系统大致可以分为三代：基于 模拟传输的视频监控系统、模数混合视频监控系统( 准数字视频监控系统) 、网络 化数字视频监控系统。 1 1 1 模拟视频监控系统 众所周知，传统的音视频信号是模拟信号。在9 0 年代初以前，主要是以模 拟设备为主的闭路电视视频监控系统，通常采用同轴电缆来传输模拟视频信号。 模拟视频信号在2 0 0 - 3 0 0 米的距离内，信号的衰减很小，超过该距离，模拟视频 信号就必须使用视频放大器( 加一级放大器可延长传输距离2 0 0 米左右) 。模拟 视频监控系统经过长期的发展，在技术上已经达到了很高的水平。摄像技术、传 输技术、显示技术、系统控制技术等都取得了长足的进步，确立了在安防系统中 的重要地位。 但是模拟视频监控系统有着先天的不足：传输距离短，当传输距离大于1 k m 时，信号质量显著下降：部署困难，可扩展性差，传统的模拟视频监控系统在一 根同轴电缆上只能传送一路视频信号，如果需要传输其它数据信号或控制信号， 就必须另外铺设电缆，同样，若监控点的位置或通道数发生变化，也必须另外铺 设电缆；模拟视频监控系统大多采用录像机作为存储工具，磁带作为存储介质， 数据保存时间有限，信息不易检索，另外，录像带的存储和更换也是令人烦恼的 事。所以模拟视频监控系统的应用已闩趋专业化。 j l 爵 一个基于m p e g 4 的帆廊视频髓拉系统的 5 计与实现 1 1 2 数字视频监控系统 数字视频监控系统是随着计算机技术、多媒体技术、数字图像压缩技术以及 网络通信技术的飞速发展，针对模拟视频监控系统的弊端与时代发展的需求而产 生的。数字视频监控系统是以多媒体计算机为中心、图像压缩技术为基础、网络 传输技术为依托的新型视频监控系统。数字视频监控系统将摄像头获得的模拟视 频信号转变为数字视频信号，以便于计算机处理，或者直接在显示器上多路显示， 显示的同时可将各路信号存储于计算机硬盘内或在网络上进行实时传输。 与传统的模拟视频监控系统相比，数字视频监控系统具有许多优点：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；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，在传统的模拟视频监控系统中，每当出 现问题时，管理人员都需要花费大量时间观看录像带才能找到现场记录，而在数 字视频监控系统中，利用计算机建立的索引在几分钟内就能找到相应的现场记 录；系统易于管理和维护，数字视频监控系统主要由电子设备组成，集成度高， 视频传输可利用有线或无线信道，这样，整个系统是模块化结构，体积小，易于 安装、使用和维护。 正是由于数字视频监控系统具有传统模拟视频监控系统所无法比拟的优点， 而且符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，因此近年来数字 视频监控系统得到了飞速发展，技术上己日趋成熟。数字视频监控系统已经广泛 应用于社会各行各业，成为视频监控领域的主流。 1 2 国内外研究现状 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。其中由于美国在集成电路、数字通信和图像压缩技 术上的优势和长期的积累在这一领域处于明显的领先地位。但是国外的产品价 格高、系统环境要求严、培训和维护费用贵，而且从国外引进的产品本地化程度 一个赫于m p e g - 4 的机席视频箍控系统的设计q 实现 引言 低，在功能、接口、使用环境等方面均或多或少地存在一些与我国国情及功能需 求不太吻合的地方。要使其能够最终应用，还需要做大量的后期修j 下工作。 视频监控系统从八十年代进入我国以来，发展速度很快。从简单的模拟视频 监控系统到现在的网络化数字视频监控系统，视频监控系统在国内目前应用己经 相当广泛。 传统的模拟视频监控系统经过二十多年的发展，已经非常完善，数字视频监 控系统迅速崛起但尚不完全成熟。目前中国内地的数字视频监控系统发展呈现百 家争鸣的现象，产品纷杂，技术水平参差不齐。究其原因，部分生产传统模拟视 频监控系统的企业转型研发数字视频监控系统，首先，由于受i c 集成电路设计 制造水平的限制，目前国内还没有自主版权的视频编码压缩专用芯片；其次，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，第三，国内生 产企业缺乏一种整体的综合技术实力；最后，产品的需求定位仍局限于安防产品， 而网络化的数字视频监控系统己不仅仅是一种安防产品，正逐步发展成为一种辅 助管理信息系统。因此这种跨行业技术的整合产品的解决方案，应按其技术特点， 根据用户需求决定系统解决方案，而不是于人一面。 由此不难看出，视频监控系统正从传统的安防监控向管理、生产监控发展， 并逐步与管理信息系统相结合，实现资源共享，从而为管理者提供更直观、有效 的决策信息。而国内的视频监控系统在视频处理和网络传输技术上基本相似，一 般都采用m p e g 系列标准或h 2 6 x 标准来实现视频信号的压缩，使用t c p u d p ( 或建立在u d p 上的r t p r t c p ) 来进行网络传输，但是功能单一，未能与企 事业单位的管理信息系统相结合”( 2 h 力。 本系统在设计上充分考虑了机房的特点，根据机房管理科学化、智能化的要 求，来决定系统解决方案( 详见本文1 _ 3 节及第二章) 。 1 3 本文研究的主要内容 高校学生机房的管理是公认的难题。全国各高校由于其得天独厚的条件，早 就开展了计算机辅助教学和多媒体远程教学的研究工作。计算机机房作为教学的 引高个螭于m p e g - - 4 的机房 ! | l 频监控系统的址计| i 实现 前沿规模也随之扩大。高校机房管理随着机房规模的扩大化，机房地利位置的 分散化，机房管理难度也随之增大。机房视频监控系统作为机房管理的辅助手段， 能够使机房管理科学化、智能化。 1 3 1 机房视频监控系统的特点与要求 机房视频监控系统的出现大大减轻了管理人员的日常工作量，同时机房视频 监控系统也有其自身的特点与要求：机房视频监控不像机场、银行、公安等部门 对视频图像质量有很高的要求，只要有普通电视信号的清晰度就能够满足日常的 使用需求；机房位置大多比较分散，但是都有局域网，一般也能连接上i n t e r n e t ， 机房视频监控系统要能充分利用现有的计算机网络：机房视频监控系统的主要目 的是为了减轻管理人员的日常工作量，因此也要考虑到视频监控系统的成本问 题：机房通常都安装机房管理软件，机房视频监控系统最好能与现有的机房管理 软件集成。因此本系统的设计目标是针对机房视频监控的特点来实现一个低成 本、易部署、易集成的视频监控系统。 1 3 2 论文所作的工作 本文主要介绍了一个基于m p e g 4 的机房视频监控系统的设计与实现。本系 统在设计上充分考虑了机房的特点，利用c s 架构下c l i e n t 端的计算能力，降低 了对视频服务器的要求：摒弃了视频压缩卡，用m p e g 4 实现了视频信号的压缩； 使用多线程技术，提高了系统整体性能；依托校园网，实现数字化的视频信号传 送，使系统更易于部署：能与现有的机房管理软件集成，提供了用户管理功能： 根据机房管理需求，实现对学生机的屏幕监控和学生智能定位功能。 本文第一章为引言，介绍了视频监控系统的发展过程，以及机房视频监控系 统的特点与要求；第二章介绍了系统的整体设计方案，包括系统的需求分析、设 计目标、软硬件解决方案、系统整体结构等；第三章介绍了视频监控系统的视频 处理技术；第四章介绍了视频监控系统中使用的多线程以及网络传输技术：第五 章介绍了视频监控系统与机房管理软件集成后的特殊功能，包括用户管理、智能 一个捧于m p e g - 4 的机房视频监控系统的设计1 j 实现哼i 苦 定位技术、学生机图像监控技术以及集成技术：第六章为结束语。 本系统主要应用于机房管理这一特定场合，与其他视频监控系统相比，主要 有以下几个特色： 一、使用软件来实现数字视频信号的压缩、解压缩、存储、回放和传输，充 分考虑了系统的兼容性和扩展性。 二、易于集成，提供了与管理软件集成的接口，实现了用户管理，使本系统 成为机房辅助管理信息系统。 三、根据机房地理特点，设计并实现了用户管理数据库，降低了系统成本， 提高了系统整体性能。 四、根据机房管理需求，提供了学生机的图像监控功能和学生智能定位功能。 系统整体设计一个幕fm p e g 4 的机席佻频监控系统的设计与实现 第二章系统整体设计 2 1 系统分析 2 1 1 系统需求分析 某大学教学实验中心分为几个校区，每个校区又有多个机房，在地理位置上 比较分散，但是各校区之间有完善的网络互联。各校区实验分中心管理人员配备 的比较少，完全依靠管理人员对机房进行管理是比较困难的。为了进一步提高机 房管理的自动化、智能亿，减轻机房管理人员的日常工作量，使用机房视频监控 系统是一种合理的选择。同时该教学实验中心原有机房管理软件( 崇远网管) ， 己实现对学生上机的管理，要求机房视频监控系统能与原有机房管理软件集成。 2 1 2 系统设计目标 本系统的设计目标： 一、建立某大学教学实验中心校园网络环境下的机房视频监控系统，实现视 。频监控、用户管理、学生智能定位、学生机图像监控等功能。 二、为了降低系统成本，并根据该教学实验中心规模庞大，地点分散，地理 遥远等特点，实现用户管理数据库。 三、充分利用机房现有设备、网络条件，在确保系统功能的前提下，进一步 提升系统的性价比。 四、从教学实验中心管理科学化、全局化出发，使所研制的视频监控系统能 无缝地、平滑地嵌入到教学实验中心的机房管理系统中。 个基十m p e g 4 的帆虏视频监挡系统的世计与实现 系统整体世计 2 2 系统硬件解决方案 2 2 1 系统采集设备 常见的视频采集设备有摄像头、数码摄像机、数码照相机等，一般视频监控 系统的采集设备使用摄像头。高档的摄像头可以带云台，网络等功能，无线摄像 头在视频监控系统中也逐渐开始应用。考虑到系统整体性价比，我们选用的是具 有a v 输出的数码摄像头配合视频卡完成视频采集功能。目前视频监控系统广泛 使用的视频卡主要有两种：视频采集卡和视频压缩卡。视频采集卡只具有向计算 机内存或显存传送图像的功能，为了实现视频图像的压缩和存储，大多数视频监 控系统都采用视频压缩卡，视频压缩卡同时具有视频信号的模数转换和压缩功 能。然而视频压缩卡通常价格昂贵，相比之下视频采集卡的价格则低廉的多。本 系统选用价格相对较低的视频采集卡，同时通过软件来实现视频信号的压缩和存 储，可以大大降低系统成本。 以下是系统视频采集设备的介绍： 一、本系统使用的摄像头为s m s x lx b - 2 1 8 c ，其主要性能参数为： 解析度：4 2 0 线。 照度：0 5 l u x 。 输出制式：p a l 。 镜头焦距视角：6 m m7 2 。 自动快门：1 6 0 秒。 电压功率：9 v 1 0 0 m a 。 二、本系统使用大恒q p 一3 0 0 视频采集卡，其主要技术性能及指标： l 、三路复合视频输入，一路s - v i d e o 输入，软件切换。其中第一路为音视 频复用，s - v i d e o 的亮度信号输入也可作为复合视频输入。 2 、支持p a l ，n t s c 或黑白视频输入，信号幅度= l v p p 。 3 、最高图像分辨率：p a l 制：7 6 8 x 5 7 6 x 2 4 位；n t s c 制：6 4 0 x 4 8 0 x 2 4 位。 可编程亮度、对比度、色度、色饱和度。 系统整体设汁一个基于m p e g - 4 的机房观频髓挖系统的设计与实现 4 、支持y u v 4 2 2 、r g b 8 8 8 8 、r g b 8 8 8 、r g b 5 6 5 、r g b 5 5 5 及y 8 模式。 5 、图像数据数值范围，亮度：0 - 2 5 5 或1 6 2 5 3 可选；色度：2 - 2 5 3 。 6 、支持计算机内容与图像同屏显示，图形覆盖功能。 7 、支持裁剪与比例压缩模式。 8 、二组复合视频输入。 9 、一组四路复合视频同时输入，同屏显示。 1 0 、一组复合视频输入可与q p m p e g 的输出连接，做为同时采集的视频源。 l l 、支持四路单声道音频采集。 1 2 、支持单场、单帧、连续场、连续帧的采集方式。 1 3 、支持w i n 9 x 、w i n n t 、w i n 2 0 0 0 、w i n x p 等操作系统。 三、q p 3 0 0 采集卡工作原理 视频信号经多路切换器，a d 解码将数据传送到数据缓冲器。经裁剪、比例 压缩及数据格式转换后，由内部r 1 s c 控制图形覆盖与数据传输，视频信号数据 目标位置由系统确定，可以是显卡的显存，也可以是计算机内存。图2 1 为q p 3 0 0 采集卡工作原理图。 v i d e , o ! v i d e , 0 2 。i d 3 sv i d o o 一 ic i i i i t i i o 图2 1q p 一3 0 0 采集卡工作原理图 2 2 2 系统客户机服务器 视频监控系统通常采用工控机作为视频服务器，工控机电磁j k 容性好，对现 一个肇于m p e g 4 的帆廊视频监控系统的世计j 实现系统整体设计 场的干扰、电磁辐射有很强的防护作用，并且可以在恶劣的环境中长时间工作， 缺点是价格贵、扩展性差。机房的工作环境都比较好，有空调设备，好一点的还 有通风和去湿设备，一般而言不必使用工控机。另外机房的地理位置比较分散， 因此监控点的位置相应的也比较分散，可能一台视频服务器也就管理几个监控 点，所以采用高性能服务器做为视频服务器也会大大增加系统成本。机房有充足 的普通p c 机，而高性能的服务器一般作为机房管理软件的服务器，为了充分利 用机房的现有设备和网络，降低系统成本，我们选择普通台式p c 机而不是通常 视频监控系统所使用的工控机或高性能服务器作为视频服务器，视频客户机可以 是单独的客户端，如工作人员使用的微机，也可以是机房管理软件使用的服务器， 依托机房的局域网来实现视频信号的远程传输。 2 3 系统软件解决方案 视频监控系统通常采用b s 模式或c s 模式来实现。c s 模式分为客户机和 服务器两层，客户机不是毫无运算能力的输入、输出设备，而是具有了一定的数 据处理和数据存储能力，通过把应用软件的计算和数据合理地分配在客户机和服 务器两端，可以有效地降低网络通信量和服务器运算量。b s 模式用户界面完全 通过w w w 浏览器实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻辑在服 务器端实现，因此对服务器性能要求高。由于本系统采用普通p c 机作为视频监 控系统的服务器，性能不是很高，因此只能使用c ，s 模式实现。 本系统开发工具采用v c + + 6 0 。v c + + 6 0 是运行于w i n d o w s 平台上的可 视化集成开发环境，它是m i c r o s o f t 公司丌发的m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 系列的一 部份。v c + + 6 0 集程序的界面设计、编译、连接和调试等功能于一体，为编程人 员提供了一个方便而又完整的开发界面和许多有效的辅助开发工具。更为重要的 是v c + + 6 0 提供了面向对象的支持、与操作系统底层的紧密结合以及m f c 中提 供了大量封装良好的类，这些优秀的特性使我们选择了v c + + 6 0 作为开发工具。 系统整体设计 一个基于m p e g 4 的机房视频监控系统的鞋计与实现 2 4 系统整体概述 图2 2 是本系统的整体结构图，已经与崇远机房管理软件( 崇远网管) 集成。 视频服务器上的采集卡把来自探头的模拟视频信号转换成数字视频信号，并传送 到视频服务器，视频服务器把视频信号通过软件压缩后传输送到网上。图中的管 理端是崇远网管的服务器端，依托崇远网管的用户管理。实现了视频监控系统的 用户管理，同时可以作为视频服务器的客户端，提供视频图像的监控，因此在本 系统中称为管理端。客户端可以是单独的视频客户端，也可以是崇远网管的各类 客户端。 2 5 系统功能设计 客户埔 图2 2 系统整体结构图 通过对机房管理需求分析，结合机房管理具体实际，本系统提供以下几项功 能： 一、实时监控，视频服务器通过多路视频采集卡与多个监控设备进行连接， 将模拟信号转换成数字信号，并采集到视频服务器。视频信号经过压缩后通过校 园网传输到客户端，客户端解压后提供实时监控图像。 二、视频录像，对于视频图像进行录像，以供管理人员分析和检索。可以在 视频服务器端和客户端录像，具有较人的灵活性，方便管理人员使用。 三、用户管理，针对机房特点，实现用户管理数掘库，提供对视频数据访问 一个某于m p e g 4 的机席税频监控系统的议计与实现 系统整体设计 的权限控制，学生上机信息管理等。 四、学生机图像监控，根据机房管理需要，实现对学生机的屏幕监控。 五、学生智能定位模块，根据学生的上机机位情况，提供最有效的视频监控 图象。 视频处理技术 个基于m p e g 4 的帆虏视频雌摔系统的i 5 汁1 j 实现 第三章视频处理技术 3 1 视频信号采集 计算机要处理视频信息，首先要解决的是将模拟视频信号转换为数字视频信 号。计算机需要对输入的模拟视频信息进行采样和量化，并经过编码使其转换成 数字化图像。 图像采样就是将二维图像的模拟连续亮度( 即灰度) 或色彩信息，转化为一 系列数字化的离散值来表示。由于图像是一种二维信息，所以要把图像在水平方 向和垂直方向等间隔的分割成矩形网状结构。分割后所形成的矩形微小区域，称 之为像素。被分割的图像若水平方向有m 个矩形区域，垂直方向有n 个矩形区 域，则一幅图像就被表示成m x n 个像素构成的离散像素的集合，m x n 表示图像 的分辨率。 采样后得到的亮度值( 或色彩值) 在取值空间上仍然是连续的，把采样后所 得到的这些连续量表示的像素值离散化为整数值的操作叫量化。图像量化就是将 图像采样后的样本值的范围分为有限多个段，把落入某段中的所有样本值用同一 值表示。图像量化实际上是用有限的离散数值量来代替无限的连续模拟量的一种 映射操作。在量化时所确定的离散值的个数称为量化级数，为表示量化的色彩值 ( 或亮度值) 所需要的二进制位数称为量化字长。一般可用8 b i t ，1 6 b i t ，2 4 6 i t 或 更高的量化字长来表示图像的颜色。量化字长越长，则越能逼真地反映原有图像， 但得到的数字图像也越大。 3 2 视频信号压缩 3 2 1 视频信号压缩的必然性和可行性 视频图像的特点之一，就是其数据量非常庞大。以国家无线电咨询委员会制 一个螭十m p e g - 4 的材l 房视频监控系统的设计! 实现视频处理技术 定的广播级数字电视编码标准c c i r 6 0 1 的4 ：2 ：2 格式采样的p a l 制式电视信号， 每秒的r g b 数据量为：1 3 5 x 8 + 6 7 5 x 8 x 2 = 2 1 6 m b p s ，每分钟数字视频的数据量 为：2 1 6 x 6 0 8 = 1 ，6 2 0 m b ，以目前流行的硬盘容量1 2 0 g 计，也只能保存约个半 小时的数字视频图像。显然这样大的数据量不仅超出了计算机的存储能力，更是 当前通信信道的传输速率所不及的。因此，为了存储和传输视频图像，必须首先 对视频数据进行压缩处理，然后爿+ 能存储和传输视频图像。单纯地依靠增加系统 存储器容量和提高通信信道带宽以及计算机的处理速度等方法来解决这个问题 是不现实的。通过数掘压缩，可以大大减少视频图像的数据量，使视频图像存储 和网络实时传输成为现实。 由信息论可知，视频图像数据具有极强的相关性，一幅图像的内部以及相邻 图像之间包含大量的冗余信息。数据压缩就是去掉信息中的冗余，即保留不确定 的信息，去掉确定的信息( 可以推知的信息) ，用一种更加接近信息本质的描述 来代替原始信息的冗余描述。这个本质的东西就是信息量。图像作为一种信源， 其表现数据是信息量和冗余量之和。冗余量主要表现为： 一、图像内部的空间冗余。在一幅图像中，趣则物体和规则背景的表面具有 很强的相关性，这些相关性的光成像结果在数字图像中表现出的数据冗余称为图 像数据的空间冗余。 二、图像之间的时间冗余。一幅图像中的某物体或场景可以由其它图像中的 物体或场景重构。这是图像之间的时问冗余。 三、信息嫡冗余( 编码冗余) 。理论上表示图像数据的一个像素，只需按其信 息嫡的大小分配相应的比特数。但我们很难预知每个像素的信息嫡，因此在数字 化幅图像时，往往采用相同的比特数表示每个像素，这种冗余称为信息嫡冗余， 其冗余程度由信源的统计特性决定。 四、结构冗余。一幅图像的某些区域存在着很强的纹理结构，使得图像在该 区域内的彩色元素存在自相关性，这是结构冗余的表现。 五、视觉冗余。考虑到压缩图像解码后的最终接受者是人的视觉系统，充分 利用人的视觉系统特性可以将图像进一步压缩。人眼对于图像场的注意力是非线 性的，人眼并不能察觉图像场的所有变化。人类视觉的一般分辨能力为6 4 扶度 视频处璀技术 个基于m p e g 4 的机房视频监控系统的驶计q 实现 值，而一般图像的量化采用5 1 2 灰度等级，因此存在视觉冗余。 六、知识冗余。有些图像包含的信息与先验的基础知识密切相关，例如在构 造人脸图像时，只需一些描述人脸的各部分知识参数和适当的形状、纹理信息就 能得到逼真的图像，而不必需要全部信息。 数据压缩的实质是减少图像数据的冗余量。去除图像数据的冗余量可以减少 图像的数据量，但不会减少图像的信息量。因此数据压缩的目的在于使用尽量少 的比特数表示和重建原始图像，这不仅是必要的也是可行的。 3 2 2 视频信号压缩算法 视频压缩技术是视频监控的基础。学术和应用领域一直都在致力于视频压缩 技术的研究，并且制订了一系列的标准，如：1 1 1 j t ( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 的h 2 6 x 系列及i s o i e c ( i n t e m a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r s m n d a m i z a t i o “t h ei n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i e a lc o m m i s s i o n ) 的m p e g - x 等。这 些标准涵盖了各种范围的应用，从静止图象、可视电话到高清晰度电视；码速率 从几十k b i t s 到几十m b i t s ，覆盖了很大的视频速率范围和应用领域，并且能够 满足不同应用的要求：速率、图象质量、复杂度、容错性和实时性。在视频监控 系统中，m p e g 系列标准是应用比较多的标准，m p e g 系列标准包括m p e g 一1 、 m p e g 一2 和m p e g 4 等。 m p e g 1 ( 标准代号i s o i e c l l l 7 2 ) 制定于1 9 9 1 年底，处理的是标准图像 交换格式( s t a n d a r di n t e r c h a n g ef o r m a t ，s i f ) 或者称为源输入格式( s o u r c ei n p u t f o r m a t ，s i f ) 的多媒体流。是针对1 5 m b p s 以下数据传输率的数字存储媒质运 动图像及其伴音编码( m p e g 1a u d i o ，标准代号i s o i e c1 1 1 7 2 3 ) 的国际标准， 伴音标准后来衍生成为今天的m p 3 编码方案。m p e g 1 规范了p a l 制( 3 5 2 x 2 8 8 ， 2 5 帧s ) 和n t s c 制( 为3 5 2 x 2 4 0 ，3 0 帧s ) 模式下的流量标准，提供了相当于 家用录象系统( v h s ) 的影音质量，此时视频数据传输率被压缩至1 1 5 m b p s ，其 视频压缩率为2 6 ：l 。感官上，图像较细腻而且很流畅，对大多数视频会议与图 像监控是一个完全可以接受的标准。 一个甚于m p e g - 4 的帆腐视频监控系统的设计与实现 视频处理技术 m p e g 2 ( 标准代号i o s i e c l 3 8 1 8 ) 于1 9 9 4 年发布国际标准草案( d i s ) ， 在视频编码算法上基本和m p e g 1 相同，只是有了一些小小的改良，例如增加隔 行扫描电视的编码。m p e g 一2 的设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的 传输率，它追求的是c c i r 6 0 1 建议的图象质量d v b 、h d t v 和d v d 等制定的 3 m b p s 1 0 m b p s 的运动图象及其伴音的编码标准。m p e g 一2 也可提供并能够提 供广播级的视像和c d 级的音质。因为m p e g - 2 可以提供一个较广的范围改变压 缩比，以适应不同画面质量、存储容量以及带宽的要求，所以除了做为v c d 和 d v d 的指定标准外，m p e g 2 还可用于为广播、有线电视网、电缆网络以及卫 星直播( d i m c tb r o a d c a s ts a t e l l i t e ) 提供广播级的数字视频。 m p e g 一4 ( 标准代号i s o 1 e c l 4 4 9 6 ) 于1 9 9 9 年1 月正式公布第l 版，1 9 9 9 年1 2 月第2 版公布。标准中规定适应的3 段视频码率范围分别为：低于6 4 k b p s ； 6 4 k b p s - 3 8 4 k b p s ：3 8 4 k b p s 4 m b p s 。和m p e g - 2 所针对的不同，m p e g 4 追求的 不是高品质而是高压缩率以及适用于网络的交互能力。m p e g - 4 提供了非常惊人 的压缩率，如果以v c d 画质为标准，m p e g 4 可以把1 2 0 分钟的多媒体流压缩 至3 0 0 m 。m p e g 4 利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求 以最少的数据获得最佳的图象质量。m p e g - 4 标准是一个适合多种多媒体应用的 视听对象编码标准，它定义了一种框架而不是具体的算法，使视频产品具备更大 的灵活性和可扩展性。 3 3v f w ( v i d e of o rw i n d o w s ) 视频采集设备的访问接口有两种：标准接口和非标准接口。标准接口是指应 用程序不直接访问视频采集设备，而是调用一组采集设备通用的接口，由这些接 口与采集设备进行信息交互。例如w i n d o w s 下的v f w 就包含有与采集设备交互 的标准接口，基于这种接口实现的系统不依赖于特定的硬件具有较好的通用性。 非标准接r 是指采集设备提供专用对外接口，应用程序通过这些接口直接访问采 集设备，例如采集设备的对外接r 】通过特定的a p i 函数来实现。使用这种接口构 建的应用系统依赖于专用的硬件，通用性相对较差。 视频处理技术 一个皋十m p e g - 4 的机房视频i 伍拄系统的髓计与实现 v f w 是微软公司于1 9 9 2 年推出的一个视频采集及处理类库，它实际上是 d i r e c t s h o w 中的一个f i l t e r 。它提出了a v i ( a u d i ov i d e oi n t e r l e a v e ) 的文件标准， 规定了视频和音频文件的格式，但没有规定视频采集、压缩和回放的方法。这一 特性为我们选择微软公司以外的压缩算法提供了方便。 v f w 主要由以下六个模块组成： 一、a v i c a p d l l ：包含了执行视频捕获的函数，它给a v i 文件i 0 和视频、 音频设备驱动程序提供一个高级接口。 二、m s v i d e o d l l ：用一套特殊的d r a w d i b 函数柬处理屏幕上的视频操作。 三、m c i a v i d r v ：此驱动程序包括对v f w 的m c i 命令的解释器。 四、a v i f i l e d l l ：支持由标准多媒体i o ( m m i o ) 函数提供的更高的命 令来访问a v i 文件。 五、压缩管理器( i c m ) ：管理用于视频压缩一解压缩的编解码器( c o d e c ) 。 六、音频压缩管理器( a c m ) ：提供与i c m 相似的服务，不同的是它适于 波形音频。 通过上述模块问的协调合作，来完成视频的捕获、压缩及回放功能。v f w 体系结构如图3 1 所示。 桃槭来鬟艟用ii 枷颂同放也掰ll 税瑚编擞成嘲 a v i c a p d l ll l m c i a v i d r v a v l ( a p jjm c i 向患荦砰嚣 a v l i ：i l e d l ，l i l e s l r e a m | i a n d l e i 3 4 视频处理程序实现 日 图3 1v f w 体系结构图 视频数据处i q ! 是视频监控系统的关键部分，它实现了视频数据的采集、压缩、 6 希至i 漱 一个甚于m p e g - 4 的机房视频j i ：i 拄系统的i 5 计i 盛观枞额处理技术 解压缩、回放、显示、存储等功能。图3 2 为视频处理模块的功能图。 广 州控 蜘制 f jf j 厂 、 ； 厂一一 、 l 1 ；打，艄n 嗨】”i = i1 吨7 乔i 蜘l q 北 h 删i 卜叫瓣i 性瓤n q i t i 椎m 钢l j i 弓斛f k 埽fi + | r 似颧 ；l i 艘税额f ? 弓同啵 t 靶蜘f ：譬最托 似蟾处川班块 3 4 1 视频采集程序 图3 2 视频处理模块功能图 本系统所采用的大恒视频采集卡q p - 3 0 0 可以用两种视频数据采集方式： 一、采集到显存方式 采集到显存的方式，是视频采集卡将由模拟视频信号转换而形成的数字视频 信号直接传送到计算机显卡的显存，然后通过显示器显示视频图像信息，采用这 种采集方式，计算机不能对采集到的图像作任何处理。 二、采集到内存方式 采集到内存的方式，是将数字视频图像先传送到系统预先分配好的计算机内 存中，系统能够读取内存中的数字视频图像并作相应的处理，但是显示速度不如 上一种采集方式。 根据对视频图像的扫描方式又能够分为：帧方式采集和场方式采集。一帧图 像是由两场( 奇场和偶场) 组成，一场图像的宽度即为一帧图像的宽度，而高度 则是帧图像的一半，奇偶场组合就形成了完整地一帧图像，奇偶场图像可以是 隔行排列或者是顺序排列。帧方式采集得到的图像就是隔行排列的，场方式采集 得到的图像就是顺序排列的。在把图像采集到内存时可以是帧方式采集但是按场 方式存放，：采集得到的图像是隔行排列的，但是写入内存时将其转变为顺序 批频处理投术 一个桀于m p e g 4 豹机房视频航拧系统的设计j 实现 排列。本系统就是采用帧方式采集，场方式存放的处理方法。 视频采集程序完成采集设备初始化，图像亮度、对比度、色度、饱和度的调 节，图像显示等功能。不同的采集卡采集程序有区别。图3 3 为本系统视频数据 采集程序工作流程图。 图3 t 3 视频数据采集程序工作流程图 视频采集程序工作流程及接口函数设计。 、分配采集卡采集缓冲区 在使用视频采集卡前，系统需要为采集卡分配系统内存，该系统内存就是图 3 3 所示的采集缓冲区。采集卡的每一路视频信号，需要系统分配两个一帧图像 大小的采集缓冲区，以便采集卡叮以轮流的向两块缓冲区内写入视频数据，同时 系统轮流从缓冲区中不断的读出视频数据。 ( 一个堆十m p e g 4 的机房 j i l 频髓拄系统的设汁与实现桃频处理技术 相关函数及参数介绍： b o o l c a p _ i n i t ( i n tn d e v n u m ，i n t + p p o r t c o u n t ) 根据硬件设备编号，初始化硬件设备，d e v n u m 为硬件设备编号( 从l 开始) ， i p o r t c o u n t 指向保存函数返回的硬件设备端口数的变量。 二、采集卡硬件初始化 采集卡在工作前需要首先初始化以下信息： 设置采集卡工作晶振。 设置采集卡输入制式( 本系统设罱为：p a l ) 。 设置采集卡的源路( 本系统设置为：复合视频输入2 ) 。 设置采集卡输入窗口大小。 设置采集卡输出窗口大小。 相关函数及参数介绍： b o o l d h _ s e l e c t c r y o s c ( i n tn d e v n u m ，b o o lt y p e c r y o s c ) 设置大恒视频采集卡q p 3 0 0 晶振。 b o o l c a p _ i n i t c a p w i n d o w ( i n tn w i d t h ，i n tn h e i g h t ) 设置采集分辨率。 3 、视频图像信息初始化 视频图像信息初始化主要是设置采集图像的位图信息头，位图信息头记录着 一些关于这幅图像的一些基本信息，比如：高度、宽度、分辨率等信息，共占4 0 个字节，以下是具体描述： 2 80 00 0o o 表示着位图信息头的长度，( 0 0 0 0 0 0 2 8 ) h = ( 4 0 ) d ，即位图 信息头的长度占4 0 个字节。 0 40 1o o0 0 表示位图的宽度，( 0 0 0 0 0 1 0 4 ) h = ( 2 6 0 ) d 表示位图的宽度为 2 6 0 个像素。 c 80 00 00 0 表示位图的高度，( 0 0 0 0 0 0 c 8 ) h = ( 2 0 0 ) d 表示位图的高度为 2 0 0 个像素。 0 1o o 表示位图设备级别。 1 80 0 位图的色彩级别，( 0 0 1 8 ) h = ( 2 4 ) d ，即表示2 4 位真彩色。 视频处理拙术一个桀十m p e g - 4 的机房视频 睫拌系统的设计1 j 实现 0 0 o o0 0o o 表示压缩类型，0 表示不压缩。 o oo oo oo o 位图阵列表字节数。 0 0o o0 00 0 表示水平分辨率。 o o0 00 00 0 表示垂直分辨率。 o o0 0o 0 0 0 表示位图实际使用的颜色表中的颜色变址。 o o0 0o oo o 表示位图显示过程中被认为重要颜色变址数。 相关函数及参数介绍： b o o l c a p g e t b m p l n f o ( i n tn d e v n u m ，i n tn p o r t ，l p b i t m a p i n f op b i ) 得到采集图象信息头n d e v n u m 为设备号，n p o r t 为端口号，l p b i t m a p i n f o 为图片信息结构指针。 b o o lc a p _ b e g i n ( i n tn d e v n u m ，h w n dh w n d ) 开始捕获图象，n d e v n u m 为硬件设备号( 从1 开始) ，h w n d 为主窗口句柄。 b o o l c a p _ e n d ( i n tn d e v n u m ) 停止捕获图象，n d e v n u m 为硬件设备号( 从1 开始) 4 、启动视频采集卡 这一步所做的工作是启动视频采集卡的各个端口，开始采集图像并将采集到 的图像写入系统缓冲区。 相关函数及参数介绍： b o o l c a p g e t d e v c o u n t ( i n t + p d e v c o u n t ) 取得设备数量，p d e v c o u n t 返回设备数量。 b o o l c a p _ g e t b u f f e r m e m o r y ( i n tn d e v n u m ，i n tn p o r t ，u n s i g n e dc h a r + p m e m ) 得到指定设备缓冲区数据，n d e v n u m 为设备号，n p o r t 为端口号，p m e m 为 缓冲区指针。 b o o l c a p _ s e t l m a g e p r o p e r t y ( i n tn d e v n u m ，i n tn p